氢同位素滞留模拟研究

托卡马克是最有希望实现的、经济可行的可控核聚变实验装置。等离子体与器壁相互作用是当前聚变界最需解决的关键问题之一。由于氘氚（氢同位素）粒子之间的碰撞截面最大，发生聚变反应所需要的条件最低，因此通常选用氘氚作为聚变反应的燃料。氚是一种放射性元素（半衰期为12.3 年）且价格非常昂贵，从聚变的安全性和经济性来考虑，需要尽可能减少氚在聚变装置器壁中的滞留，未来聚变反应堆ITER 要求氚滞留量小于700 克。

         理解氚在器壁材料中的滞留过程极其重要，课题组开发了氢同位素滞留程序HIIPC，模拟研究氢同位素在不同器壁材料中的滞留情况。钨材料将被广泛应用于聚变装置当中，但钨材料也存在缺点，其中之一就是当氢同位素入射到钨当中后，会在钨材料内部产生气泡，这些气泡会影响钨的热传导性和机械性能，如果气泡进一步生长会导致起层和破裂从而产生大量的钨杂质，这些杂质甚至可能导致聚变装置熄火。课题组使用HIIPC-bubble程序，研究粒子辐射过程中气泡在钨材料中的生长过程。未来的聚变装置中，器壁将会采用瓦片的结构，瓦片之间不可避免的产生缝隙，这些缝隙会导致更多的燃料滞留在里面。为了深入研究氢同位素在偏滤器瓦片缝隙中的滞留情况，课题组开发二维氢同位素滞留程序HIIPC2D及三维蒙特卡洛程序ITCD，并且耦合自主开发的二维边界等离子体程序EPPIC2D进行模拟研究。模拟发现，由于缝隙的特殊结构，导致电子完全被磁场束缚不能进入缝隙内部，而部分离子能进去缝隙较浅位置，从而导致缝隙入口处瓦片的被加热.同时也发现偏滤器瓦片缝隙确实能够增加氢同位素的滞留量。

代表论文：

1. Chaofeng Sang, Xavier Bonnin, Manoj Warrier, Abha Rai, Ralf Schneider, Jizhong Sun and DezhenWang, Modeling of Hydogen isotope inventory in mixed materials including porous deposited layers in fusion devices, Nuclear Fusion, 52 (2012) 043003.

2. S. Dai, C. Sang, J. Sun, and D.Wang，A Kinetic Code System to Study Impurity Deposition and Fuel Retention in Gaps Between Divertor Tiles, Contrib. Plasma Phys. 52(4) (2012) 309-316.

3. Shuyu Dai, Chaofeng Sang, Shengguang Liu, Jizhong Sun, and Dezhen Wang, Investigations of the origins of deposited carbon species in gaps between divertor tiles using a kinetic code system, Fusion Engineering and Design 87 (2012) 782– 786

4. Chaofeng Sang, Jizhong Sun, Xavier Bonnin, Houyang Guo, and Dezhen Wang, Simulation of hydrogen isotope retention in the gap of tungsten divertor tiles, Journal of Nuclear Materials 438 (2013) S1129–S1133

5. Chaofeng Sang, Jizhong Sun, Xavier Bonnin, Shengguang Liu, Dezhen Wang, Numerical simulation of the bubble growth due to hydrogen isotopes inventory processes in plasma-irradiated tungsten, Journal of Nuclear Materials, 443 (2013) 403–408.