Молекулярно-динамическое моделирование взаимодействия плазмы с материалами для расчета теоретического коэффициента распыления.
DOI:
https://doi.org/10.31489/2023No2/127-137Ключевые слова:
плазма, ядерный синтез, молекулярная динамика, коэффициент распыления, метод Монте-КарлоАннотация
В результате реакции синтеза два легких ядра дейтерия и трития сливаются, образуя одно более тяжелое ядро гелия. Однако два положительных ядра отталкивают друг друга. Чтобы слиться два ядра, они должны иметь очень высокие скорости. Высокая скорость означает высокую температуру. Для реакции важно, чтобы ядра сохраняли температуру 100 миллионов °С. При этой температуре атомы D и T образуют плазму. Чтобы реакция шла, необходимо сохранять температуру плазмы или не охлаждать плазму. Токамак-реакторы предназначены для удержания плазмы в магнитном поле. Таким образом, охлаждение плазмы предотвращается за счет ударов о стенки реактора. Плотность и температура плазмы должны быть на определенном уровне, чтобы инициировать реакцию и обеспечить непрерывность. В процессе реакции положительные и отрицательные ионы, вылетающие из среды магнитного поля, взаимодействуют со стенками токамака и вызывают деформацию. Это приводит к разрушению плазменной стенки с течением времени и выбросу нейтронов в окружающую среду. Взаимодействие плазмы со стенкой является одной из важнейших проблем, вызывающих прерывание термоядерного синтеза в ректорах токамаков. Материалами, наиболее устойчивыми к ионной коррозии в плазменной стенке, являются графит, бериллий, алюминий и вольфрам. В этой работе взаимодействие плазмы с материалом теоретически изучается, физическая и химическая эрозия, вызванная плазменным взаимодействием различных образцов материалов стенок (графит, алюминий и вольфрам), используемых в термоядерном реакторе, и исследуется методом Монте-Карло с молекулярной динамикой.
Библиографические ссылки
REFERENCES
Malo, M., Morono, A., Hodgson, E.R. Plasma Etching to Enhance the Surface Insulating Stability of Alumina for Fusion Applications. Nuclear Materials and Energy, 2016, Vol.9, pp. 247 – 250. doi: 10.1016/j.nme.2016.05.008
Bachmann, C., Aiello, G., Albanese, R., et al. Initial DEMO Tokamak Design Configuration Studies. Fusion Engineering and Design, 2015, Vol. 98-99, pp. 1423 – 1426. doi: 10.1016/j.fusengdes.2015.05.027
Brooks J.N., Hassanein A., Koniges A., et al. Scientific and Computational Challenges in Coupled Plasma Edge/Plasma-Material Interactions for Fusion Tokamaks. Contrib. Plasma Phys., 2014, Vol.54, pp. 329 – 340. doi:10.1002/ctpp.201410014
Giroud C., Maddison G.P., Jachmich S., et al. Impact of Nitrogen Seeding on Confinement and Power Load Control of a High-Triangularity JET Elmy H-Mode Plasma with A Metal Wall. Nuclear Fusion, 2013, Vol.53(11), pp. 113025. doi: 10.1088/0029-5515/53/11/113025
International Atomic Energy Agency, (Anonymous). Lifetime Predictions for The First Wall and Blanket Structure of Fusion Reactors. Proceedings of a Technical Committee Meeting. Karlsruhe, 1985.
Ivanova-Stanik I., Zagórski R. Mitigation of the Divertor Heat Load in DEMO Reactor by Impurity Seeding. Journal of Nuclear Materials. 2013, Vol.463, pp. 596-600. DOI: 10.1016/j.jnucmat.2014.11.105
Kripner L. Distribution of power fluxes to plasma-facing components of a Tokamak due to edge-localized modes. Master Thesis, Faculty of Mathematics and Physics, Charles University, Prague, 2016
Eckstein W., Preuss R. New Fit Formulae for the Sputtering Yield", Journal of Nuclear Materials, 2003, 320, pp. 209 – 213.
Muyuan L., Jeong-Ha Y. Cracking Behavior of Tungsten Armor under ELM-Like Thermal Shockloads II: A Revised Prediction for Crack Appearance Map. Nuclear Materials and Energy, 2016, Vol.9, pp. 598-603. doi:10.1016/j.nme.2016.02.001
Nakano T., Asakura N., Kubo H. The JT-60 team. Contribution of Ne Ions to Radiation Enhancement in JT-60U Divertor Plasmas. Journal of Nuclear Materials, 2013, Vol.438, pp. S291-S296.
Nordlund K. Atomistic Simulations of Plasma-wall interactions in Fusion Reactors. Physica Scripta, 2006, Vol.124, pp. 53-57.
Pitts R.A., Carpentier S., Escourbiac F., et al. Physics Basis and Design of The ITER Plasma-Facing Components. Journal of Nuclear Materials, 2011, Vol.415, pp. S957-S964.
Pitts R.A., Carpentier S., Escourbiac F., et al. A full tungsten divertor for ITER: Physics issues and design status. Journal of Nuclear Materials, 2013, Vol.438, pp. S48-S56.
Philipps V. Tungsten as Material for Plasma-Facing Components in Fusion Devices. Journal of Nuclear Materials, 2011, Vol.415, pp. S2-S9.
Rapp J., Temmerman D.G., Van RooIJ, et al. Plasma Facing Materials Research for Fuision Reactors at Fom Rijnhuizen. Proceeding of the 15th Intern. Conf. on Plasma Physics and Applications. Romania Journal of Physics, 2011, Vol.56, pp. 30 – 35.
Rasinski M., Kreter A., Torikai Y., Linsmeier Ch. The Microstructure of Tungsten Exposed to D Plasma with Different Impurities. Nuclear Materials and Energy, 2017, Vol.12, pp. 302-306.
Reiser J., Rieth M. Optimization and Limitations of Known DEMO Divertor Concepts. Fusion Engineering and Design, 2012, Vol.87, pp. 718 – 721.
Roth J., Tsitrone E., Loarte Th., et al. Recent Analysis of Key Plasma Wall Interactions Issues for ITER”, Journal of Nuclear Material, 2009, 390-391, pp. 1 – 9.
Stork D., Agostini P., Boutard J.L., et al. Developing Structural, High-Heat Flux and Plasma Facing Materials for A Near-Term DEMO Fusion Power Plant: The EU Assessment. Journal of Nuclear Materials, 2014, Vol.455, pp. 277 – 291.
Stork D., et al. Assessment of the EU R&D programme on DEMO structural and high-heat flux materials, final report of the materials assessment group. Technical Report. EFDA, 2012, Vol.12, pp. 52.
You J.H., Visca E., Bachmann Ch., et al. European DEMO divertor target: Operational requirements and material-design interface. Nuclear Materials and Energy, 2016, Vol.9, pp. 171-176.
Guping D., Tingwen X., Yun L. Proceeding of the 6th SPIE Intern. Symposium on Advanced Optical Manufacturing and Testing Technologies: Advanced Optical Manufacturing Technologies, 2012, Vol. 841604
Voter A.F. Introduction to Kinetic Monte Carlo Method. Theoretical Division. Los Alamos National Laboratory, Los Alamos. 2007, pp. 1 – 2.
Motevalli N. Dashtban M. Maleki. Determination of optimum conditions in ITER tokamak by using zero-dimensional model. Indian Journal of Physics, 2020, Vol.94, pp. 1-7.
