金属钨中氢同位素的沉积过程的数值模拟研究

金属钨中氢同位素的沉积过程的数值模拟研究

金属钨材料具有的高熔点、高热导率等良好的物理性质，所以托克马克装置中第一器壁是候选材料是金属钨。而钨与高温等离子体特别是氢同位素的相互作用又是托克马克装置研究中一个关键性的课题。氢同位素在金属钨材料中的沉积情况和气泡的生长过程又是很多人共同关心的问题，人们经过多年的对金属材料个高能粒子间的研究已经为我们对氢同位素在金属钨中的沉积行为提供了很好的借鉴作用。

本文是通过基于一些合理的假设上建立氢同位素在金属钨中的浓度扩散方程，热扩散方程。然后一维有限差分的数值方法[1]求解该组方程。并且使用了Gubble Browth 模拟程序模拟计算自由扩散的氢同位素浓度、缺陷中的氢同位素浓度、气泡中的氢同位素的分子数目、气泡的半径等物理量。通过数值模拟计算，我们发现了在垂直于金属钨材料的方向上的不同的沉积深度下，在不同温度，不同时间的情况下。以上各个物理量的浓度或者大笑变化。并且解释了气泡生长的原因、过程、结果等。

第一章 绪论

1.1 研究氢同位素与候选器壁材料金属钨相互作用的意义

目前，世界范围内化石燃料（煤、石油、天然气）仍然是人类最主要的能源。然而，化石能源的不可再以及由此所造成的pm2.5和环境污染威胁着人们的生活环境的当代，清洁能源的利用和开发已经迫在眉睫。所以，我们不得不找一些清洁的能源来代替化石能源，其中包括风能、潮汐能、生物能、核能等。风能、潮汐能、生物能由于其受到地理位置和储能的限制难以大面积的推广。而核能中的裂变能由于铀矿和钍矿的储量有限，以及利用裂变能的核电频频发生事故和裂变高放废物的处理问题也难以担起作为未来理想能源的最优选择。因此，我们把希望放在了聚变能源上边。

核聚变反应相比核裂变反应更能放出更多的能量，（核聚变反应的燃料是氢的同位素氘和氚,核聚变不会产生核裂变所出现的长期和高水平的核辐射，不产

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生核废料，当然也不产生温室气体，几乎是零污染）。下边是可控核聚变反应的方程：

3H?2H?高温???4He?n?17.6MeV （1.1.1)

人们希望发明一种装置，控制聚变反应的能量放出过程，让能量持续稳定的输出，这就是可控核聚变。而氘主要来自于海水,因此几乎可以说是取之不尽; 用中子轰击锂可产生氚，因为锂在地壳中吃储量相当丰富。原料丰富，且产物没有污染。氚的制备的方程式为

6Li?n???3H?4He?4.8MeV (1.1.2)

因此只要我们如果能够很好的控制核聚变，就可以彻底的解决当前所面临的能源问题。

核聚变的实现，需要上亿摄氏度的温度，为了给核聚变反应找一个“容器”，人们经过多年的探索，发现了惯性约束和磁力约束两种方法来解决“容器”的问题。惯性约束是把几毫克的氘和氚的混合气体放入直径约几毫米的小球内，然后从外面均匀射入激光束或粒子束，使其发生电离和消融。由于受到反作用力，球面内层因而向内挤压。球内气体受到挤压，压力升高，温度也急剧升高，当温度达到需要的点火温度时，球内气体发生爆炸，产生大量热能。这样的爆炸每秒钟发生三四次，并持续不断地进行下去，释放出的能量就可以达到百万千瓦级的水平。磁约束核聚变则是将参与反应的氘和氚约束在一个磁场当中，这个磁场就是聚反应的“容器”。世界上在研究可控核聚变的领域中，主要集中在磁力约束这个领域中。磁约束核聚变因此被认为是最有可能实现的可控核聚变的方法，世界范围内最可能实现的磁约束核聚变的装置的就是托克马克装置。

图1.1 托克马克装置示意图

虽然托克马克装置最有希望也最有可能实现可控核聚变为人类所利用，但是

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托克马克装置的发展面临的很多的技术难题。托克马克是封闭的磁场做“容器”将高温等离子体放在里面，但是由于这个磁场事实是并不是紧密的，其中会有一部分等离子体能够“逃脱”磁场的束缚。在磁场“容器”的聚变反应堆中直接与等离子直接相接触的材料被称作面向等离子体的器壁材料，在接下来的叙述中，我们把它简称为其壁材料。那些“逃脱”磁场控制的等离子体，以及不受磁场控制的那些不带电的中性粒子等都会直接与器壁材料相接触，由于其具有很高的能量，所以对器壁材料会造成一定的损伤，还会与器壁材料反应生成新的物质和杂质等，甚至损坏器壁破坏了磁约束，造成更大的危害等。

另外，在核反应正在发生的托克马克装置中，芯部的氢同位素以及等离子体正在被加热并且发生着核聚变反应，反应产物则是中子和氦灰，这些反应产物的存在会影响聚变反应的稳定，甚至会破坏反应的容器。因此需要定时将反应产物和杂质粒子排出，托克马克装置在接近器壁的地方的磁场并不是封闭的，这是用来排出杂质粒子用的。在排出杂质离子的时候应保证不能损坏器壁，同时应该尽保证与器壁发生反应所产生的少量杂质离子进入芯部的高温等离子体中，人们通过设置限制器和偏滤器来解决这个问题。偏滤器中设置了一个靶板用来导出废热，同时偏滤器特定的磁场结构用来排出杂质和氦使得这些杂质难以回到芯部的等离子体中。与器壁发生相互作用的粒子有中子、氢同位素、阿尔法粒子、电子等，等离子体与器壁会发生一系列的反应，其中包括背反射、解吸、物理溅射、化学溅射、沉积、滞留、甚至起泡。在托克马克装置中，无论是芯部的高温等离子不能完全被封闭在磁场中还是偏滤器中杂质和废热的排出中都共同构成了等离子体与器壁相互作用的课题。等离子体与器壁材料的相互作用是一个重要的课题，它对于保证托克马克装置的稳定运行与可控核聚变的实现具有重要的意义。

图1.2 偏滤器模型图

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