基于SOLPS-ITER与OpenEdge的开放式液态锂偏滤器集成模拟

《Nuclear Materials and Energy》：Integrated modeling of open-surface liquid lithium divertors using SOLPS-ITER and OpenEdge

　　

使用SOLPS-ITER和OpenEdge对开放式液态锂偏滤器进行集成模拟。提出了一种针对快速流动开放式液态金属偏滤器的新型集成模型，该模型整合了SOLPS-ITER、OpenEdge、液态金属磁流体动力学（MHD）以及传热过程。模型中考虑了蒸发、溅射和液滴释放等源项。研究发现，罕见的大尺寸液丝（ligaments）可与连续的溅射和蒸发过程相竞争；而细密液雾（mist）则需要大得多的粒子通量才能产生类似效应。

快速流动的开放式液态金属（LM）偏滤器是聚变反应堆中极具前景的等离子体面向部件（PFC）概念，其自修复特性有望解决固体部件长期侵蚀问题，液态锂（Li）因低原子序数而具有更好的芯部等离子体兼容性。然而，LM PFC的技术成熟度较低，开放式表面概念引入了表面变形、液滴产生和蒸汽屏蔽等额外物理过程。为了在反应堆相关条件下预测其行为，需要先进的模拟工具。本文研究人员基于美国SciDAC项目，聚焦快速流动（>1 m/s）的开放式液态锂偏滤器，对前期工作进行了两项重要改进：一是利用OpenEdge程序自洽处理溅射和蒸发，获得更精确的发射锂原子能量与角度分布，并采用适用于高等离子体能量的溅射产额；二是利用OpenEdge的新扩展模拟表面发射液滴的影响，并通过参数扫描确定不同锂源机制的贡献。同时将聚变试验工厂（FPP）概念从FNSF更新为紧凑型先进托卡马克（CAT）的CAT-D方案，以匹配美国能源部的紧凑型装置路径。

研究人员开发了一个集成模拟工作流，将SOLPS-ITER（边界等离子体流体代码B2.5与动力学蒙特卡洛中性粒子代码EIRENE的耦合）与OpenEdge（直接模拟蒙特卡洛DSMC代码）以及液态金属磁流体动力学（MHD）和传热模型耦合。该工作流以固定磁平衡和准稳态方式运行，计算了蒸发、物理溅射、吸附原子溅射和液滴发射产生的锂源，并将这些源传递给SOLPS。通过开环和全耦合模拟，研究人员评估了连续锂源和三类液滴源（细雾、液滴、液丝）的影响。结论包括：在附着和部分脱附条件下，连续源（蒸发、溅射、吸附原子）的总通量水平相当；罕见的大液丝（ligaments）即使数量很少（约10³–10⁴ s^?1）也能产生与连续溅射和蒸发相当的锂源贡献，而细雾则需要高得多的发射速率（约10⁹–10¹⁰ s^?1）才能达到类似效果。这暗示在非正常运行期间，即使不频繁的液丝事件也可能显著扰动锂源预算。

关键技术方法：研究人员采用的主要方法包括：使用SOLPS-ITER（B2.5-EIRENE）计算边界等离子体背景，提供温度、密度、热流和粒子流分布；使用液态金属MHD和传热模型计算锂膜表面温度和流速；使用线性稳定性分析（LSA）估计自由表面不稳定性的特征波长和增长率，从而约束液滴尺寸；使用OpenEdge DSMC代码自洽跟踪蒸发和溅射产生的锂原子，并采用点描述模型跟踪液滴的运动和蒸发；通过OpenEdge与SOLPS的迭代耦合（每5 ms更新源项）实现准稳态全耦合模拟。源项包括物理溅射（利用Eckstein模型和Yamamura角依赖性）和吸附原子溅射，蒸发采用Arrhenius形式。液滴源则按参数化三种场景。

研究结果：

3.1 开环模拟（Open-loop simulations）
在开环模拟中，研究人员仅将OpenEdge计算的锂源传递给SOLPS而不更新等离子体。结果表明，对于附着和部分脱附两种情况，蒸发、物理溅射和吸附原子溅射的峰值通量密度相近，其中外偏滤器是主要源。部分脱附情况下总连续锂源约降低50倍（相对于附着情况）。通过参数化液滴源，研究人员发现液滴在穿越等离子体期间只有小部分蒸发，大部分质量被再吸收。为了匹配连续源的总量，所需的液滴发射速率对于细雾、液滴和液丝分别为约10⁹–10¹⁰、10⁶–10⁷和10³–10⁴ s^?1，证明罕见大液丝可与连续溅射和蒸发竞争，而细雾则需要极高通量。

3.2 全耦合模拟（Fully coupled simulations）
在全耦合模拟中，研究人员每5 ms重新计算OpenEdge源并传递给SOLPS，运行25 ms。结果表明，耦合过程是稳定的，初始大的扰动后，后续耦合扰动较小。在附着情况下，25 ms后偏滤器区域锂离子浓度达到约3%，刮削层（SOL）中约1%；部分脱附情况下两者均约1%。有效电荷数Z_eff在附着情况下从1.0增加到约1.1，在部分脱附情况下从3.9降至3.2，后者仍高于FNSF研究中的设计准则（Z_eff?2.4），表明该CAT方案仍需进一步优化。辐射功率也随时间演化。

3.3 局限性与进一步模型发展（Limitations and further model development）
目前工作存在若干限制，包括：预设的液滴源分布、忽略液滴破碎和液滴间碰撞、未考虑润湿区域的再发射、SOLPS背景中未包含跨场漂移、D和Ne在液态锂区域的再循环处理简化，以及OpenEdge源项在耦合更新之间为分段固定而非全时间依赖。此外，磁平衡固定，锂在PFC上完全粘附，且CAT偏滤器几何尚未针对液态金属源优化。这些假设适用于当前集成工作流的演示，将在未来工作中放宽。

总结讨论部分，研究人员指出，为了确定可接受的FPP运行方案，需要进一步在优化回路中调节芯部氘源和氖注入，同时自洽计算锂源并调整入口流参数和PFC几何。这是一个非线性的高维优化问题。本文工作流是迈向快速流动开放式LM偏滤器在FPP条件下需求预测模型的重要一步。未来将实现包含蒸发和溅射的耦合优化，并加入自洽液滴生成模型。

研究结论翻译：综上所述，罕见的大尺寸液丝可以与连续的溅射和蒸发过程相竞争；而细密液雾则需要大得多的粒子通量才能产生类似效应。本文所提出的集成工作流是获得快速流动开放式液态金属偏滤器在FPP条件下所需模型的重要一步。