限位器阶段JET类ITER壁中镍的迁移行为研究

《Nuclear Materials and Energy》：Limiter phase nickel migration in the JET ITER-Like wall

　　

采用SOLPS-ITER程序模拟了JET类ITER壁（JET-ILW）中的两种限位器等离子体情景。利用ERO2.0程序研究了限位器位形下镍（Ni）的侵蚀与输运过程。研究预测限位器阶段镍的总侵蚀速率与偏滤器位形阶段相当。在限位器情景下，镍在偏滤器中的沉积可忽略不计。

论文解读文章

一、研究背景与科学问题

在磁约束聚变装置中，面向等离子体部件（PFCs）的侵蚀主要由高能离子或原子轰击材料表面引起物理溅射所致。JET类ITER壁（JET-ILW）装置的真空室壁由因科镍合金（Inconel）制成，该合金主要成分为镍（Ni），并混合铁和铬元素。由于真空室壁是凹陷式面向等离子体部件，其仅能通过高能电荷交换（CX）中性原子的轰击而被侵蚀。在JET-ILW中，限制器由铍（Be）制成，偏滤器由钨（W）制成。对偏滤器瓦片的事后分析（post-mortem analysis）发现，镍沉积在偏滤器1号瓦片上。

此前研究已对2011–2016年JET-ILW装置在偏滤器位形下镍从真空室壁向偏滤器的迁移行为进行了模拟分析。然而，限位器阶段对镍输运的贡献此前被忽略，尽管在等离子体启动和终止过程中有相当长的等离子体时间处于限位器阶段。这一忽略的主要原因在于限位器阶段电荷交换原子通量的估算面临较大挑战。已有研究表明，铍在限位器阶段主要停留在主室中。

基于上述背景，本研究旨在利用ERO2.0程序预测限位器位形下镍从真空室壁的侵蚀与输运行为，并评估限位器阶段对2011–2016年JET-ILW运行期间镍在偏滤器1号瓦片上总沉积量的贡献，以填补此前研究的重要空白。

二、研究内容与主要结论

研究人员利用SOLPS-ITER程序模拟了JET-ILW的高场侧（HFS）和低场侧（LFS）两种限位器等离子体情景，并将模拟得到的等离子体作为ERO2.0程序的背景等离子体，进而预测镍的侵蚀与迁移行为。研究得出以下主要结论：限位器阶段镍的总侵蚀速率与偏滤器位形阶段相当；然而，在限位器情景下镍在偏滤器中的沉积量可忽略不计。这一结果表明，限位器阶段虽然对镍的侵蚀有显著贡献，但对偏滤器区域镍沉积的贡献甚微。

三、关键技术方法

本研究主要采用了以下关键技术方法：

（1）SOLPS-ITER程序包：该程序将B2.5流体代码与蒙特卡洛动力学中性输运代码EIRENE相结合，用于模拟两种限位器等离子体情景。HFS限位等离子体情景基于JET脉冲编号（JPN）#80836在16秒时刻的参数，输入功率为1.4 MW；LFS限位等离子体情景基于JPN#81007在22.5秒时刻的参数，输入功率P_in=2.4 MW。

（2）ERO2.0程序：该程序是一种蒙特卡洛代码，能够在给定背景等离子体上模拟三维几何结构中的溅射和杂质输运过程，用于预测2011–2016年JET-ILW运行期间镍的迁移行为。

（3）诊断数据验证：利用往复探针（RCP）测量刮削层（SOL）中的电子温度T_e和电子密度n_e；利用高分辨率汤姆孙散射（HRTS）测量HFS限位等离子体的T_e和n_e；利用锂束（Li-beam）诊断获得LFS限位等离子体的n_e径向剖面。SOLPS-ITER模拟通过调整反常扩散和热扩散系数剖面来匹配实测的T_e和n_e径向剖面。

四、研究结果

HFS限位等离子体模拟结果： HFS限位情景中，B2.5网格在极向方向有80个网格单元，径向方向有35个网格单元，网格从LFS中平面分离面（separatrix）向外延伸约9厘米。SOLPS-ITER模拟的电子密度剖面通过设定LFS中平面分离面密度为0.3×10¹⁹ m^?3来匹配实测剖面。电子温度在?4 < r-r_sep,LFS-mp < 6 cm范围内与测量值匹配良好，但在B2.5网格径向外边缘（r-r_sep,LFS-mp > 6 cm）处，模拟结果对电子温度的低估可达一个数量级，这归因于模拟中假设的泄漏边界条件。

LFS限位等离子体模拟结果： LFS限位情景中，B2.5网格在极向方向有70个网格单元，径向方向有18个网格单元，映射到LFS中平面后网格向外延伸约4.2厘米。由于LFS限位情景的等离子体网格较窄，两种情景的等离子体参数仅在r-r_sep = 4.2厘米范围内具有可比性。LFS限位情景中，锂束测量结果向芯部方向平移1厘米以使RCP和锂束测量结果一致。将RCP测量的电子温度外推至分离面得到T_e,sep,LFS-mp = 40 eV，约为SOLPS-ITER预测电子温度的两倍。离子温度的低估会使预测的电荷交换原子能谱向低能方向偏移，从而降低镍的侵蚀产额。

镍侵蚀与沉积预测结果： 基于SOLPS-ITER预测的等离子体背景，ERO2.0模拟预测限位器阶段镍的总侵蚀速率与偏滤器位形阶段相当。然而，在限位器情景下，镍在偏滤器中的沉积量可忽略不计，表明限位器阶段对偏滤器1号瓦片上镍沉积的贡献极小。

五、讨论与结论

讨论部分总结： 研究讨论指出，SOLPS-ITER模拟中电子温度在网格边缘的低估主要由泄漏边界条件导致，选择替代边界条件或修改B2.5网格径向外边缘的泄漏率可能改善与测量值的一致性。然而，壁材料侵蚀产额取决于离子温度，而离子温度缺乏直接测量数据，因此SOLPS-ITER预测离子温度的准确性不确定性主导了电子温度预测误差的影响。LFS限位情景中电子温度的低估会导致电荷交换原子能谱向低能方向偏移，从而低估镍的侵蚀产额。

研究结论： 本研究利用SOLPS-ITER和ERO2.0程序首次对限位器阶段镍的侵蚀与迁移行为进行了系统模拟。研究预测限位器阶段镍的总侵蚀速率与偏滤器位形阶段相当，但镍在限位器情景下向偏滤器的沉积可忽略不计。该研究填补了此前对限位器阶段镍迁移行为认识的空白，为全面理解JET-ILW装置中镍的整体迁移行为提供了重要补充。