Mô phỏng Particle-in-Cell cho phương pháp sử dụng các tia điện nhằm giảm dòng nhiệt tới bề mặt kim loại

Bài viết giới thiệu về vai trò quan trọng của divertor trong lò phản ứng nhiệt hạch, nơi nó có nhiệm vụ thu gom nhiệt và tạp chất, đồng thời bảo vệ vỏ lò khỏi sự tấn công của các dòng hạt plasma mang năng lượng cao. Vấn đề chính được đặt ra là làm thế nào để giảm thiểu thiệt hại cho các bề mặt kim loại của divertor do dòng nhiệt và hạt tập trung cao.

Nghiên cứu này hướng tới các nhà khoa học, kỹ sư và chuyên gia trong lĩnh vực vật lý plasma, công nghệ nhiệt hạch và khoa học vật liệu, đặc biệt là những người quan tâm đến việc phát triển và tối ưu hóa thiết kế divertor cho các lò phản ứng nhiệt hạch thế hệ mới như ITER và DEMO.

Nghiên cứu này tập trung vào việc giảm thiểu dòng nhiệt và dòng hạt plasma tác động lên bề mặt kim loại của divertor trong lò phản ứng nhiệt hạch, một thách thức lớn trong thiết kế và vận hành lò. Phương pháp đề xuất là sử dụng các tia điện để tạo ra từ trường, từ đó điều hướng dòng chảy của các hạt plasma. Mô hình mô phỏng Particle-in-Cell (PIC) đã được áp dụng để tính toán chi tiết chuyển động, thông lượng và nhiệt thông của các hạt electron và ion khi chúng tiếp cận bề mặt kim loại. Mô hình PIC được lựa chọn vì khả năng mô phỏng động lực học của từng hạt, cho phép nắm bắt các hiện tượng phức tạp như dịch chuyển điện trường và từ trường. Trong mô phỏng, một khu vực hình vuông 2D có kích thước 0.02m gần bề mặt kim loại được xét. Các hạt electron và ion được bơm liên tục từ nguồn và sự tương tác của chúng với từ trường được tạo bởi bốn tia điện (mỗi tia 1kA) được phân tích. Kết quả cho thấy, khi có sự hiện diện của các tia điện, cấu trúc từ trường bị thay đổi đáng kể, không còn là các đường thẳng song song mà hình thành các gương từ trường. Sự thay đổi này làm cho các hạt plasma không còn di chuyển theo quỹ đạo thẳng mà bị dịch chuyển xuống phía dưới, quanh các tia điện. Một lượng lớn các hạt electron và ion bị giữ lại trong các khu vực có biến thiên từ trường lớn, dẫn đến việc giảm đáng kể số lượng hạt và dòng nhiệt tới bề mặt kim loại. Cụ thể, thông lượng và nhiệt thông của cả electron và ion đều giảm mạnh. Ngoài ra, dòng nhiệt cũng được phân tán rộng hơn theo phương y, tránh tình trạng tập trung nhiệt cục bộ. Điều này chứng tỏ tiềm năng của phương pháp sử dụng tia điện trong việc bảo vệ vỏ lò khỏi sự ăn mòn và hư hại do dòng nhiệt cao. Nghiên cứu cũng mở ra hướng phát triển cho các mô phỏng không gian ba chiều và khám phá các cấu hình tia điện khác trong tương lai.