聚变装置灰尘与面向等离子体材料的相互作用研究

聚变装置中的灰尘颗粒除了影响等离子体稳定运行和带来放射性安全问题以外，当打击到面向等离子体材料(PFM)表面上时将有可能引起严重的表面集体损伤或可能在表面堆积成膜，影响到材料或器件的寿命。本项目针对其中的关键科学问题，灰尘颗粒与PFM相互作用的物理机制以及该作用下材料结构与性能的变化规律，依托于EAST和HT-7两个国家大科学装置，从实验与计算模拟两方面展开研究，实验方面又包括了聚变装置实验和实验室台面模拟实验。通过装置上的直接实验，获得灰尘相关信息，观测分析PFM实际发生的现象和过程。台面模拟实验则是利用等离子体喷枪将选定灰尘颗粒加速，打击相应的PFM样品，实验模拟装置中发生的实际过程。而在计算模拟方面，采用分子动力学和有限元方法模拟灰尘颗粒撞击PFM的过程。通过全面而深入的研究，了解灰尘颗粒与PFM 发生作用的行为，为阐明PFM(包括第一镜)表面的演化和预测他们的寿命提供更可靠的依据。

灰尘问题是目前聚变科学以及工程研究中的一个重要问题，聚变装置中的灰尘不但会导致等离子体控制上的困难，缩短面向等离子体材料的使用寿命，更有可能成为装置安全的隐患。因此，美国、欧盟、日本和我国的各大聚变研究机构纷纷将灰尘问题列入研究计划。本项目针对其中的关键科学问题，灰尘颗粒与PFM（plasma-facing materials)相互作用的物理机制以及该作用下材料结构与性能的变化规律，依托于EAST和HT-7两个国家大科学装置，从实验与计算模拟两方面展开研究。在计算模拟方面，采用分子动力学模拟灰尘颗粒撞击PFM的过程。通过全面而深入的研究，了解灰尘颗粒与PFM 发生作用的行为。本课题研究了速度介于300 m/s 到 30 km/s 的灰尘颗粒与第一壁材料的相互作用，同时考虑了不同入射角度的灰尘颗粒对第一壁的影响。由于第一壁材料长时间暴露于等离子体环境中，大量的灰尘颗粒可能在第一壁表面堆积成膜，因此本课题亦研究了灰尘速度对成膜的影响。另外，由于灰尘的速度、尺寸和入射角度是影响灰尘-第一壁相互作用的决定行参数，而这些参数与灰尘所处的等离子体环境密切相关，因此本课题也对灰尘与等离子体的相互作用进行了初步的研究。结果表明，速度较低的灰尘不会对第一壁表面造成明显损伤，但高速度的灰尘可以。入射角度对灰尘与第一壁的作用也有影响。灰尘在第一壁表面形成薄膜的致密度与灰尘的入射速度有关。灰尘在等离子体中的存在于等离子体温度关系密切。实验方面利用等离子体喷枪将选定灰尘颗粒加速，打击相应的PFM样品，实验模拟装置中发生的实际过程。本实验同样考虑了不同入射角度，即正入射和斜入射情况，和不同辐照次数对第一壁材料的影响。结果表明，灰尘颗粒对第一壁表面的影响随着灰尘速度的增大而增大。当灰尘的尺寸较大时，对第一壁的影响亦增大。同时辐照次数也对第一壁表面的损伤起到明显的影响。台面辐照实验结果与分子动力学的模拟结果基本一致。