First principles study of the static arrangement of a plasma facing component in the form of a capillary porous system (CPS)

Abstract

Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή επικεντρώνεται στην μοντελοποίηση εναλλακτικών στοιχείων αντιμετώπισης του πλάσματος υπό μορφή υγρών μετάλλων έτσι ώστε να προστατευτούν τα τοιχώματα του αντιδραστήρα από προβλήματα που σχετίζονται με την αλληλεπίδρασή τους με το πλάσμα, όπως τα πολύ υψηλά θερμικά φορτία και τα μεγάλα φορτία ηλεκτρικού ρεύματος που δημιουργούνται στο κέντρο του αντιδραστήρα και κατευθύνονται προς τον divertor. Τα στοιχεία αντιμετώπισης του πλάσματος υπό μορφή υγρών μετάλλων αποτελούν μία από τις πιο ζωτικής σημασίας τεχνολογικές προκλήσεις των μελλοντικών αντιδραστήρων σύντηξης. Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή επικεντρώνεται στη συστοιχία από τζετ ή σταγόνες και κυρίως στην τριχοειδή πορώδη διάταξη (CPS).Όσο αναφορά την μελέτη σχετικά με την συστοιχία από τζετ ή σταγόνες, το απλοποιημένο αριθμητικό μοντέλο παρέχει μια πρώτη εξήγηση για την εκτροπή των παραπάνω από την αρχική τους πορεία σε ένα περιβάλλον TOKAMAK. Επιπλέον, η παρούσα Διδακτορική Διατριβή προσπαθεί μέσα από βασικές αρχές να περιγράψει τις κύριες φάσεις λειτουργίας του CPS. Συγκεκριμένα, μοντελοποιεί-εξηγεί τι συμβαίνει πριν η μηχανή "ανοίξει". Εν συνεχεία, μελετάει τη διεργασία ανατροφοδότησης του υγρού μετάλλου, που ακολουθάει την εξάντλησή του εξαιτίας ενός τεράστιου θερμικού φορτίου, έτσι ώστε να αναγνωριστούν οι κυρίαρχες δυνάμεις που λαμβάνουν χώρα και ενεργούν έτσι ώστε να σπρώχνουν το υγρό μέταλλο προς τα έξω ή ανθίστανται στην κίνησή του. Τέλος, η παρούσα Διδακτορική Διατριβή μελετάει εκτενώς την στατική διαμόρφωση του υγρού μετάλλου υπό μορφή υγρού υμένα που σχηματίζεται στην άνω επιφάνεια του CPS, ως συνάρτηση της επίδρασης της διαφοράς πίεσης, της τοπογραφίας του πορώδους υποστρώματος, εξωτερικών πεδιακών δυνάμεων και ιδιοτήτων διαβροχής του υγρού μετάλλου με το στερεό υπόστρωμα. Εν συντομία, διαπιστώθηκε ότι για ρεαλιστικές διαφορές πίεσης, δηλαδή κοντά σε καταστάσεις κενού, υγροί υμένες τάξεως μικρομέτρων και υπο-μικρομέτρων σχηματίζονται. Σε αυτή την περιοχή το μέγεθος του πόρου και η τοπογραφία του αρχίζουν να παίζουν πολύ σημαντικό ρόλο στην στατική διαμόρφωση. Επίσης, βρέθηκε μία κρίσιμη τιμή της διαφοράς πίεσης, πέραν της οποίας η στατική διαμόρφωση δεν μπορεί να επιτευχθεί. Στην παρουσία ενός μαγνητικού πεδίου και ενός προσπίπτοντος ηλεκτρικού ρεύματος η προαναφερθείσα στατική διαμόρφωση επηρεάζεται εξαιτίας των τάσεων Maxwell που αναπτύσσονται, ενώ η διεπιφάνεια με το πλάσμα σπρώχνεται έξω από τον πόρο όσο η μαγνητική πίεση αυξάνεται.