金属钨中氢同位素的沉积过程的数值模拟研究

1金属钨中氢同位素的沉积过程的数值模拟研究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2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 马克装置。3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”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。4钨时做出的数值模拟。Frauenfelder就已经开始研究氢在钨中的扩散问题，并且给出了氢在钨材料中RIDYN这个程序中可以模拟入射粒子造成的器壁材料的动力学变化过程[5]。W.变化情况[11]。5DD分子浓度随深度的分布情况，得出了氘气泡开始形成时氘原子2四川大学的李业祥就对托克马克中等离子体与器壁相互作用的氢捕获问题进行几年在氢的同位素在金属钨沉积的研究更加吸引人们的注意力，2013年郭龙婷地位。他们发现用分子动力学方法的模拟结果明显和以二体理论为基础的TRIM的数值模拟中一些数据和参数提供了很大的帮助[19]。本文的工作内容是参照国内一些小组的研究成果在合理的假设以及边界条6通过建立一定的数学模型以及模拟程序对氢同位素在金属钨的沉积行为进者对研究托克马克装置的器壁与等离子体相互作用的研究提供一种参考的方法以第二章基本物理知识中的高能粒子会处于动态平衡的状态，这个过程就叫注入。7进入金属钨内部，氢同位素的子会分解成两个原子；例如，HH+H同理2氢同位素是多种多样的。沉积在金属中的氢同位素总的来说可以分成溶解的(solute)和被捕获的(trapped)两部分。而于氢同位素氢同位素在钨材料中的沉再结合产生氢同位素分子(surfacerecombination)(如：H+HH)2图2.1给出了氢同位素在器壁材料中的沉积、溶解和扩散的过程氢的同位素在金属钨材料中形成以及气泡生长的过程是一个非常复杂的过而钨材料中氢的同位素气泡形成必须得包含气泡在金属钨材料中的成核以及气8对材料产生压力和张力。图2.1材料中气泡生长的过程92气泡的总数量是不变的，即气泡没有发生融合。4.当器壁中只存在少量的气泡的时候，而气泡会对金属钨材料产生一定的6.我们假设在氢同位素的气泡内部只有氢同位素的气体分子(没有氢同位素原子)。我们在模型中也忽略了在器壁温度非常高的情况下，氢同位素原子化学吸附在氢同位素气泡的内表面的情况。辐照作用对金属钨产生一定的晶格缺陷。11.溶解度：氢气的溶解度就指在与氢气压平衡的条件下存在于材料间隙位的氢原子虽然在材料中晶格格点之间。这些氢原子能在间隙位之间来回移动,这就是氢原子在材料中的自由扩散。我们一般用S来代表溶解度，单位是(HMatm12),其中H/M是氢原子浓度和金属原子浓度吃比值。溶解ES BS单位面积所扩散的某物质的质量或摩尔数。因此，扩散系数单位是m2/s，扩散D=Dexp(_ED)0kTB0kTLPrrbbLPrrbb P0mpA30，B=-633.675，C=-304.574，D=731.574，E=8.598。N=.Na.bbvpT(2.2.1)6.逸度f[24]：f(单位：Pa)这个物理量是在气泡内部的压强足够的高时0fpes(2.2.1)18.离子诱导缺陷密度公式[24]：axtrapmaxaxtrapmax其中n是离子诱导产生缺陷的速率，C代表最大能达到的缺陷密度。由第三章基本模型以及数值方法的介绍3.1扩散方程及其边界条件CztsDCztsFZCzttGztzL1.1)?t?z(?z)?t式(3.1.1)中的b?tb?t式(3.1.3)中b2s1bb2s1b2s1sttHdtrapb21bbbbbStbb：tSztSzsrs?t?z(?z)CztsDC?t?z(?z) ?T(0,t)F为：3.2求解模型的数值方法M下边是我们对自由的氢同位素C做替换，在以下的替换过程中，我们用CssYCkkkkkk+1D=1(D+D)Az=z-zk+12k+1kkk+1k2CC2CC212D2D1k2kz(zz)k1kk11k2kz(zz)kkk1(3.2.3)kkkD2DD2Dtzz1zzzz1320YC(z,t)1SYC(z,t)1S1N(z,t)b132t13N(z,t)...(3.2.4)b2YC(z,t)N(z,t)...(3.2.4)b24S25t2612DSdt32YY1R)(1)dY22C(1,t)kdY12kf4r2(1,t)12DSdt32(z1)20dtb2dt11bpdt3dttdta3dtkbTdt2dt11b：dtk3k5k3k2k3k1dtb2dtkkbdt3dttdta3dtkbTdt2dtkkb：最后层:dY3M2sYsYsYdY3M12C(M,t)kdY3M22kf4r2(M,t)dtM3M5M3M2M3M1dtb2dtMMbdt3dttdta3dtkbTdY3MkMdY3M22kf4r2(M,t)(3.2.7)dt2dtMMb我们不做详细的叙述。3.3模拟过程的参数设定氢同位素的入射平均能量我们设定为20eV。在数值模拟中，我们模拟的深0m0svationEnergy2ationRate.2e-15srTermEre20个a.16e-10m数kbErapt4e-4第四章结果分析与讨论4.1验证层数对计算的结果没有影响T=500KNlabs=200T=500KNlabs=200)05101520))0505st系同位素和缺陷中的氢同位素的浓度以及单个气泡中的分子在表层的浓度大小时验证层数的划分对于模拟的4.2气泡中半径以及内压强和单个气泡中的分子数目的关系压随着单个气泡中的分子数目的变化关系。为了使现象明显，我选定的温度是ow104eele2气泡半径r,,和气泡内部压强同气泡内部分子数量的函数关系图。图中虚线表示气泡开始长大时候的内部的氢同位素分子数量bbssb?Nb(z,t)=0kC2(z,t)kf=0kC2(z,t)=kf?t2s12s1C=f.kSs (4.2.1)气泡才可以生长。我们将此时的C定义为C，其物理意义为气泡开始生长seq4.3氢同位素在金属钨中的沉积情况随温度的变化