Математическое моделирование влияния термотоков на материал дивертора термоядерного реактора

Движение расплава является одним из самых разрушительных последствий развития неустойчивостей на современных установках для изучения термоядерной плазмы. При оплавлении и дальнейшем разогреве материала стенок, лимитеров или дивертора они начинают испаряться. Место контакта расплава и испарённого газа приводит в движение расплав под действием термоэлектрических эффектов из-за большого магнитного поля, необходимого для удержания плазмы. Подробное моделирование поможет разобраться в механизмах развития термотоков и позволит разработать методы их подавления. Задачи данного проекта тесно связаны с тематикой проекта РФФИ, успешно завершенного в 2021 году. Данный проект содержит постановки новых задач, как с точки зрения расширения класса математических моделей, так и с точки зрения развития алгоритмических и информационно-технологических средств реализации этих моделей. Результаты моделирования требуются для анализа данных, получаемых на новом экспериментальном стенде Beam of Electrons for materials Test Applications (BETA) в ИЯФ СО РАН (Новосибирск). На основе анализа результатов математического и натурного моделирования сформировалась необходимость в создании модели вращения расплава под воздействием термотоков, возникающих в результате мгновенного разогрева образца до температур 6-8 тысяч Кельвинов. В 2021 году был получен результат, показавший, что термотоки, возникающие в образце, не достаточны для вращения материала. Параллельно велись работы по моделированию распространения испаряющегося вещества над образцом. В новом проекте предлагается дополнить модель динамики токов в образце расчетом термотоков в испаряемом веществе над образцом. Для этого предлагается несколько моделей с учетом электрического сопротивления и термоэдс в испаряемом веществе при расчете полного тока из модифицированных уравнений Маквелла. Базовая модель должна включать расчет переменных коэффициентов в предположении их зависимости только от температуры газа. Цель расчета состоит в получении замкнутых линий тока и значений ускорения расплава, согласующихся с теоретическими оценками. Дальнейшее усложнение предполагает расчет удельной электропроводности и термоэдс через интеграл по энергии электронов. Уточнение модели предполагает учет зависимости параметров возникновения термотоков не только от температуры, но и от плотности вещества над поверхностью. Для создания модели слабой ионизации потребуется введение в модель газодинамического блока. Уже существующая модель испарения должна быть модифицирована с учетом последних теоретических разработок ученых ИЯФ СО РАН. Участником проекта В.А. Поповым предложена теоретическая модель слабоионизованной плазмы испарённого вольфрама, которая может объяснить возникновение тока на неравномерно нагретой границе газа и расплава. Влияние силы ампера на возникающие токи с учетом внешнего магнитного поле позволяет качественно объяснить наблюдавшееся вращение расплава на установке BETA. Соответствующая математическая модель должна отражать динамику частично ионизированного газа с мгновенным установлением ионизационного равновесия. В таком случае будет возможен расчёт проводимости и темроэдс испаряемого вещества в релаксационном приближении в модели слабонеидеальной трёхкомпонентной плазмы. Результаты моделирования позволят объяснить механизмы возникновения новых особенностей движения и эрозии тугоплавких металлов, наблюдаемых в эксперименте. Уникальные условия рассматриваемых экспериментов не позволяют использовать существующие известные пакеты программ. Отметим, что все поставленные задачи являются фундаментальными, но имеют практическую направленность, являются новыми и в научной литературе не отражены. Тематика исследований вызывает интерес среди разработчиков термоядерных реакторов, в том числе участников Международного проекта ITER.