КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер проекта 22-22-20081

НазваниеИсследование взаимодействия частиц плазмы с конструкционными поверхностями токамака-реактора методом молекулярной динамики с использованием оригинальных потенциалов взаимодействия налетающих частиц с твёрдым телом

Руководитель Тенсин Дарья Сергеевна, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук , г Санкт-Петербург

Конкурс №65 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» (региональный конкурс)

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-501 - Физика высокотемпературной плазмы и УТС

Ключевые слова ионное распыление, потенциал взаимодействия, взаимодействие плазма-стенка, дивертор, токамак-реактор, пристеночная плазма, примеси в плазме

Код ГРНТИ29.29.41

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Управляемая термоядерная реакция – это перспективный, безопасный и экологичный источник энергии. На её осуществление направлена работа ведущих исследовательских групп крупных петербургских институтов (ФТИ им. А.Ф. Иоффе, НИИЭФА им. Д.В. Ефремова, СПбПУ Петра Великого). Результаты их научной деятельности востребованы проектом ИТЭР, который направлен на демонстрацию технической возможности осуществления управляемого термоядерного синтеза и получения самоподдерживающейся реакции. Работа токамака-реактора будет происходить в условиях, когда материалы первой стенки и дивертор будут подвергаться воздействию чрезвычайно интенсивных потоков быстрых атомов, ионов, электронов, нейтронов и излучения. В качестве материала первой стенки планируется использовать бериллий, материала дивертора – вольфрам. Проблема взаимодействия плазмы с материалами дивертора и первой стенки является решающей для успешной реализации управляемой термоядерной реакции. На бериллиевую первую стенку будут воздействовать потоки быстрых нейтральных атомов дейтерия и трития, покидающих плазму. Будет происходить как внедрение частиц, так и их отражение. Помимо этого, бомбардировка частицами плазмы будет приводить к распылению поверхностей. Точные данные о параметрах, характеризующих эти процессы, необходимы для оценки возможности работы термоядерного реактора. Внедрение изотопов водорода в материал первой стенки будет вызывать разогрев поверхностных слоев и образование дефектов. Отражение частиц эквивалентно дополнительному поступлению топлива в плазму и должно учитываться. Кроме того, данные о коэффициентах отражения и энергетических спектрах отраженных частиц важны для обеспечения работы приборов корпускулярной диагностики ионной компоненты плазмы и для расчета баланса топлива в плазме токамака. Изучение процесса распыления первой стенки и дивертора имеет особую значимость для реализации управляемого термоядерного синтеза: поступление примесей в плазму в количестве, превышающем летальные концентрации, приведёт к затуханию термоядерной реакции. Бериллий был выбран как материал первой стенки, в том числе, благодаря своему низкому атомному номеру, но несмотря на то, что поступление атомов бериллия в плазму, само по себе, не несёт большой угрозы для термоядерной реакции, атомы бериллия, покинувшие первую стенку, ионизованные и ускоренные в плазме, могут вызывать значительное распыление вольфрамового дивертора. Для примесей с высоким атомным номером, к которым относится вольфрам, достижение концентрации, составляющей даже доли процента, приводит к выносу энергии из плазмы вследствие значительных радиационных потерь и затуханию термоядерной реакции в дейтериево-тритиевой плазме. Бомбардировка дивертора ионами частиц плазмы также приводит к распылению, и тоже должна быть принята во внимание. Нехватка экспериментальных данных по процессам взаимодействия атомов плазмы с бериллием и вольфрамом, обусловленная технической сложностью эксперимента, диктует необходимость проведения исследований методами компьютерного моделирования. Точность и достоверность численных экспериментов упирается в достоверность используемых данных о параметрах взаимодействия атомных частиц с твёрдым телом, таких как потенциалы «частица-поверхность». В популярных программах, которые применяются для оценки поступления примесей в плазму, используются «универсальные» потенциалы взаимодействия. Многочисленные исследования, в том числе, проведённые в ФТИ им. А.Ф. Иоффе, указывают на то, что такие потенциалы не позволяют достаточно точно описать взаимодействие атомных частиц с твёрдым телом. Так, например, имеющиеся экспериментальные данные по распылению бериллия дейтерием отличаются от расчетов по существующим моделям до двух раз, а на пороге распыления разброс данных очень велик. Экспериментальные данные по распылению тритием отсутствуют. Так как успешная работа токамака-реактора в решающей степени основана на точном знании коэффициентов распыления и их зависимости от энергии частиц и угла падения, моделирование распыления бериллия и вольфрама с использованием современных моделей потенциала взаимодействия частиц с твёрдым телом является крайне актуальной научной задачей на пути к безопасной и экологичной энергетике нового поколения. Научная новизна проекта обусловлена использованием передовых инструментов для моделирования процессов взаимодействия атомных частиц с твёрдым телом в сочетании с применением потенциалов, разработанных в рамках теории функционала плотности. Теория функционала плотности является широко применяемым вычислительным методом расчёта электронной структуры молекул и конденсированного вещества. Преимущество применения потенциалов, разработанных в рамках теории функционала плотности, при описании взаимодействия атомных частиц плазмы с исследуемыми материалами было показано в ряде работ, выполненных в ФТИ им. А.Ф. Иоффе (к исследованным процессам относятся рассеяния и прохождение атомов через твёрдое тело). Данные потенциалы взаимодействия описывают экспериментальные данные по взаимодействию атомных частиц с твёрдым телом лучше, чем широко используемые модели парного потенциала, которые традиционно применяются, в том числе, и для оценки коэффициентов распыления.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---