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

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 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 допустимое, 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 дивертора, покрытого вольфрамом. 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 достоверные данные отсутствуют. Так как успешная работа токамака-реактора в решающей степени основана на точном знании порогов распыления, 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.