現在のフィラメントを使用した材料に対する高い熱流束の低減

Scientific Reports volume 13、記事番号: 8300 (2023) この記事を引用

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電子およびイオンの高い熱流束を減らすことは、衛星や宇宙船をシールドするための重要な問題の 1 つです。高粒子および熱流束を遮蔽するためのアイデアの 1 つは、電流フィラメントを注入することによって生成される外部磁場を適用することです。この研究では、2 つの空間次元と 3 つの速度座標 (2D3V) Particle-In-Cell (PIC) コードを使用して、小さな領域に電子とイオンを含むプラズマの流れをモデル化し、注入された粒子の効果を研究します。粒子上の電流フィラメントと壁への熱流束。プラズマは、左側の境界のソース領域からシミュレーションドメインに入り、右側の境界で導体壁に完全に吸収されます。電流フィラメントが注入されて、システムの磁場構造が変化します。現在のフィラメントを領域に注入した場合と注入しない場合の粒子密度、粒子束、熱束を 2 次元で比較します。シミュレーション結果に基づいて、電流フィラメントを注入すると、壁へのピーク磁束が減少し、それらの磁束の一部が壁に沿って移動する可能性があることがわかりました。したがって、電流フィラメントを注入することは、衛星や宇宙船を高エネルギーのイオンや電子束から保護するための良い候補です。

プラズマ材料相互作用は、宇宙および核融合プラズマにおけるプラズマ物理の研究において重要な役割を果たします。衛星や宇宙船では、高エネルギーのイオンが宇宙電子システムのシングルイベントアップセットやシングルイベントラッチアップに影響を与える可能性があり、ソフトウェア障害を引き起こしたり、デバイスに損傷を与えたりする可能性があります1。高エネルギーの電子は衛星や宇宙船を貫通し、導体の表面に電荷を蓄積する可能性があります。透過率が高くなると、内部の充電および放電パルスが発生し、電子システムに損傷を与えたり、宇宙船のさまざまなコンポーネントの故障の原因となります1、2、3。したがって、高エネルギー粒子は材料の表面を損傷したり、電子部品に有害な電荷を蓄積したりする可能性があります4、5、6。宇宙船や衛星を高エネルギー粒子から守ることは、宇宙探査にとって重要なテーマとなっています。宇宙船や衛星を高エネルギー粒子からシールドするために、アクティブシールド法、カオス磁場、多層シールドなどのいくつかの方法が提案されています7、8。

一方で、壁に到達する高エネルギー粒子の低減も核融合工学における重要な課題である。磁力線に沿って移動する高エネルギー粒子が材料に直接衝突し、エンドプレートに損傷を与えます。プラズマ剥離と共鳴磁気摂動 (RMP) は、核融合研究における高エネルギーのプラズマ壁相互作用を低減するために提案されるいくつかの解決策です。これらの方法は、材料への高エネルギー束を減らすための強力な技術ですが、技術的な課題や物理的な問題に関連する制限がまだいくつか残っています8、9、10。私たちは、核融合プラズマにおける高熱流束の低減の研究から始めて、宇宙船や人工衛星を高エネルギー粒子からシールドするために適用できるソリューションを見つけることを目指しました。

熱流束を大きく低減するための 1 つのアイデアは、壁の幅に合わせてプラズマ流を拡大することです。したがって、プラズマのエネルギー束はより広い領域に広がります。このアイデアは、材料に強く局在するフラックスの負担を軽減するのに役立ちます。磁場が壁への磁束に影響を与える可能性があることが示唆されています11、12。磁場は粒子の輸送を変化させるため、壁への磁束に影響を与えます。以前の研究では、外部の局所反転磁場が一次元ビューで粒子と壁への熱流束を制御できることを発見しました13。粒子と熱の流束は、局所的に反転した磁場によって生成される磁気ミラー効果の存在によって減少します。壁領域に沿って熱流束を伝達するという観点があります。したがって、磁束プロファイルが壁領域に沿ってどのような影響を受けるかを研究することに興味があります。この磁場プロファイルは、実験または 2 次元 (2D) 数値研究で電流フィラメントを注入することによって生成できます。外部局在磁場、つまり電流フィラメントの影響をより定性的に理解するために、2 つの空間次元と 3 つの速度座標 (2D3V) を使用して、小さな領域内の電子とイオンからなるプラズマの流れを研究します。 -インセル(PIC)モデル。 PIC シミュレーションは、完全な動力学的記述を使用して電位構造を自己矛盾なくモデル化するモデルです 14、15、16。 PIC は微量を使用してプラズマのすべての挙動をシミュレートします。したがって、流体モデルと比較してドリフトを明示的に処理できます16。電流フィラメントをシミュレーション平面に垂直な方向に注入します。局所的なプラズマ流はソース領域からシミュレーションドメインに入り、壁に完全に吸収されます。この論文では、現在のフィラメント技術の注入が、PIC シミュレーションを使用して、プラズマ流に比例する方向および壁に沿った方向である 2 次元の壁への粒子および熱流束にどのような影響を与えるかを示します。「シミュレーションモデル」セクションではシミュレーションの設定方法について説明し、「シミュレーション結果」セクションでは、現在のフィラメントを使用した場合と使用しない場合の密度プロファイル、粒子束、熱束を比較します。最後のセクションでは、この手法の議論と結論を示します。

この作業では、静電 PIC モデルを使用してシミュレーションをモデル化します。電場 E は自己無撞着に解決され、磁場 B は時間的に一定です。現在の PIC シミュレーションで使用される基本方程式は、1 次元ビューでの以前の研究のものと類似しています 13。粒子の位置と場の量は、速度の 3 つの成分 (\(v_x, v_y,v_z\)) を含む 2 次元の x および y 空間で考慮されます (2D3V)。

シミュレーション領域。プラズマは真空によって境界が定められています。粒子は \(x = 0\) の左側の境界から注入され、右側の境界 \(x = L_x\) に完全に吸収されます。紫色の線は、シミュレーションドメインに入る局所的なプラズマ流を示します。

プラズマが \(x = 0\) の左側の境界から入り、右側の境界 \(x = L_x\) で完全に吸収される、小さくて単純な領域をモデル化します。シミュレーション領域のサイズは、ソースから導体壁まで \(L_x= 0.03\) m で、y 方向のサイズは \(L_y= 0.03\) m です。 y 方向では、図 1 に示すように、下限と上限が真空とみなされるシミュレーション領域の中央領域をプラズマが流れると仮定します。粒子が上からシミュレーションボックスの外に移動すると、時刻 t における下限までの値は、 \(y_t>L_y\) または \(y_t^{refl}= - の場合 \(y_t^{refl}= 2L_y - y_t\) として与えられるシミュレーション領域に反映されます。 y_t\) (\(y_t<0\) および \(v_t^{y,refl}= - v_t^y\) の場合。このシミュレーションにはイオンと電子のみが含まれます。衝突、反射、リサイクルプロセス、二次放出は考慮されていません。

初期段階ではシステム内にプラズマは存在しません。粒子は、シミュレーションの各タイムステップ中に \(x=0\) 付近に注入されます。図 1 の紫線で示されているように、時間的に一定になるように粒子束を \(x=0\) に固定し、ガウス分布プロファイルを持ちます。このプロファイルは、壁のターゲットに向かう束の局所的な分布を生成します。。電子とイオンは、ソース \(x=0\) では等しいフラックスを持ちます。注入されたイオンと電子の速度は完全なマクスウェル分布関数に従い、平行速度 \(v_{||} > 0\) という条件を満たします。この作品は私たちの一次元的な見方を拡張したものです。同様のシステムパラメータが、現在のフィラメントによる熱流束の減少を研究するために使用されています。シミュレーションでは次のパラメーターが使用されます: イオン電子質量比 \(m_i/m_e=1836\)、電子源温度 \(T_{\textrm{e}0}=100\) eV、イオン源温度 \(T_ {\textrm{i}0}=50\) eV、背景磁場 \(B_x = 0.2 \) T13。 y 方向と z 方向の磁場は与えられていません。コードでは、すべてのパラメーターは次のように正規化されます。

ここで \(\lambda _{De0} = \bigg ( \frac{\epsilon _0 kT_{e0}}{n_0 e^2} \bigg )^{1/2}\), \(\omega _{pe0} =\bigg (\frac{n_0e^2}{\epsilon _0 m_e}\bigg )^{1/2}\), \(\omega _{ce0}=\frac{e\textbf{B}}{m_e }\) と \(v_{e0}\) は、それぞれデバイ長、プラズマ周波数とサイクロトロン周波数、熱速度です。 e、\(m_e\)、\(n_0\) はそれぞれ電子の電荷、質量、密度です。正規化には \(n_{0}=10^{16}\) \(m^{-3}\) を選択します。上記の仮定により、シミュレーション領域のサイズは \(L_x=L_y \およそ 40 \lambda _{De0}\) になります。システムは、時間ステップ幅 \(\Delta \hat{t}=0.02\) と各方向のセル数 \(N_{cell} = 300\) を設定することで開始されます。壁は粒子が完全に吸収される浮遊ポテンシャル条件を満たすと仮定されます。上下の境界 (つまり \(y = 0\) および \(y = L_y\)) では、電場はゼロに等しいと想定されます。電流フィラメントは、システム平面に垂直な z 方向にシステムに注入されます。これらのフィラメントの位置と方向を図 2 に示します。シミュレーションは 2 つのケースで実行します。フィラメントの外側方向が同じ (ケース 1) と、フィラメントの方向が反対 (ケース 2) で、上下に対応します。図2a)の図。どちらの場合も、すべてのフィラメントの電流の強さは同じです。ビオ・サバールの法則を使用して、次のように与えられた電流によって生成される磁場の大きさと方向を計算します。

ここで \(\mu _0=4\pi \times 10^{-7}\) Tm/A は自由空間の透磁率、\(I=1\) kA は電流強度、\(x_{I}\ )、\(y_{I}\) は、それぞれ x 方向と y 方向の現在のフィラメントの位置です。これらの注入点の位置における磁場の特異性を回避するために、磁場は \(|B| = 1\) T まで削減されます。電流フィラメントを注入すると、システム内の磁力線の方向が変化します。シミュレーション領域の磁気構造は、これら 2 つの場合で異なります。磁化されたプラズマ内では、粒子が磁力線に沿って移動します。これらの異なる構造のため、粒子の輸送はこれらのシミュレーション間で異なります。これについては次のセクションで説明します。 \(t =0\)s から開始して、システムがすべての量が安定する平衡段階に達するまでシミュレーションは終了します。電流フィラメントが粒子に及ぼす影響や壁への熱流束を研究するために、電流を注入した場合と注入しない場合の粒子束などの粒子の量を比較します。

電流フィラメントによって生成される磁場と、電流フィラメントを注入した後のシミュレーションにおける全磁場。同じ電流フィラメントの注入と反対の電流フィラメントの使用を含む 2 つのタイプの注入が考慮されます。ドットは現在のフィラメントの外側方向を表し、x は内側方向を表します。黒い線は磁力線を示します。

定義された \( \Gamma _{s,\alpha }\) および \(Q_{s,\alpha }\) は、 \(\alpha \) 方向の種 s の粒子および熱流束であり、次のように与えられます。

ここで、 \(f_s(\mathbf{{r,v}},t)\) は位置 \(\textbf{r}\) および時間 t における粒子分布関数であり、 \(m_s\) は粒子の質量です種 s の。数値計算では、これらの磁束は、位置 \((X_j,Y_k)\) のセル (j, k) 内で次のように計算できます。

ここで、S(x, y) は面積重み付け関数、\(N_s\) はセル (j, k) 内の種 s の粒子の数です14。粒子と熱流束は次のように正規化されます。

\(x=0\) における正規化された粒子束 \(\hat{\Gamma }_{x}\) は、時間とともに一定になるように固定されており、電子とイオンに対して同じ値を持ちます。次のようになります。

\(y = L_y/2\) の中間領域に強いピーク値があります。 \(\hat{\Gamma }_{0}\) の異なる値は、シミュレーションボックスに入る粒子束の重みにのみ影響します。これらは、シミュレーションドメイン内の他の量やパーティクルの動きには影響しません。したがって、\(\hat{\Gamma }_{0}\) の値は、この研究の目的である粒子および熱流束に対する電流フィラメントの影響には影響しません。

現在のフィラメントを注入した場合と注入しない場合の平衡状態での粒子密度。図 (a ～ c) は電子密度、図 (a ～ c) は電子密度です。 (d – f) はイオン密度です。粒子輸送の流れは全体的な磁場の構造に依存します。同じ方向のフィラメントを使用すると、シャープなプロファイルが得られます (ケース 1)。電流フィラメントの反対方向により、シミュレーションでの粒子の流れが広がります (ケース 2)。

図 3 は、シミュレーションボックス内の粒子密度を示しています。外部磁場がないと、磁場 \(B_y\) 成分がないため、粒子は元の形状を変えることなく壁に直接衝突します (電子密度については図 3a)、イオン密度については図 3d を参照)。図１、２に示すように。図３ａおよび図３ｄに示すように、ターゲットの前のイオン密度は電子密度よりも高い。この不均衡は、シース電位の形成に起因します。シース電位の形成を確認するために、図 4 に、電流フィラメントを注入しない平衡状態での壁に近いプラズマ電位の 2D プロファイルを示します。

電流フィラメントを注入しない平衡状態での 2D 電位プロファイル。この図は壁に近い領域を示すために拡大されています。シース電位の形成が確認される。

シース電位は壁ターゲットの前に自己一貫して形成され、境界での粒子の損失を防ぎます。イオンは加速されて壁に到達しますが、電子の大部分はシース電位によって反射されます。その結果、電子はシミュレーションボックス内に閉じ込められます。ターゲットの前には電子よりも多くのイオンが存在します。シース電位は、電子とイオン間のエネルギー交換を引き起こします。ターゲットでのイオンのエネルギーが大幅に増加する可能性があり、プラズマに面するコンポーネントの劣化に影響を与える可能性があります。電流フィラメントを注入しない場合のシース電位の自己一貫した形成に基づいて、コードを検証して電流フィラメントの影響を研究します。ラーモア半径が小さいため、電子は主に磁力線に沿って壁に向かって移動します。電子の流れは主流に従い、y 方向のより広い位置に浸透することはほとんどありません。イオンのラーモア半径ははるかに大きくなります。十分に大きなラーモア半径を持つイオンは、ジャイロ軌道を構成するときに y 方向に大きな変位にジャンプすることができます。したがって、イオン密度の図では、主流の外側の領域では低いイオン密度が得られますが、この領域の電子密度はほぼゼロに等しく、図 3 に示すように白色で示されています。シミュレーションに追加すると、電流フィラメントを注入しない場合と比較して、磁場の構造が異なります。続いて、磁力線の変化に応じてプラズマの流れが変化する。同じ方向の電流フィラメントが使用される最初のケースを考えてみましょう。この場合、図2b)の上の図に示すように、ソースから発生する磁力線のほとんどは電流フィラメントの周りで同じ方向に曲がります。それらは、ソースから最初の電流フィラメントの位置に向かって収束します。シミュレーションボックスに入る粒子の流れは、シミュレーションボックス内をさらに移動する前に、この領域で下向きに絞られます。したがって、図1および2に示すように、プラズマの流れは壁に向かって絞られます。 3b と e はそれぞれ電子とイオンの密度を示します。一方、フィラメントの逆方向を使用すると、図 2 b) の下の図に示すように、磁力線がソースから最初の電流フィラメントに向かって発散します。これらの発散磁性構造は、図 2 と 3 に示すように、シミュレーションボックスに入る局所的なプラズマ流を y 方向のより広い領域に拡大するのに役立ちます。 3cとf。この膨張は、壁に到達する粒子の数を減らし、壁のターゲットに入る局所的なプラズマ流をまっすぐにするのに役立ちます。

壁ターゲット付近の領域の (a) \((x, v_{\Parallel })\) および (b) \((v_{\Parallel },v_{\perp })\) 位相空間の電子分布現在のフィラメントを注入する場合。各ドットは、シミュレートされた各粒子を表します。

シミュレーションボックス内で粒子をトラップする原理は、電流フィラメントを注入することによって生成される磁気ミラーの効果に基づいています。電流の近くでは強く、他の場所では弱い電流によって生成される磁場のプロファイルにより、磁気ミラーは電流フィラメントの間に形成されます。磁場が弱いソース領域から、粒子はシミュレーション領域内を移動して、磁場が高い領域に到達します。粒子は、これらの高磁場領域に入ると、強制的にソース領域に反射されます。その後、現在のフィラメントの左側の粒子の数が右側の粒子の数よりも多くなります。壁領域に強制的に移動できる粒子が少なくなります。粒子は磁気ミラー効果によって捕捉され、壁に向かって移動するのではなく、シミュレーション領域内の磁力線の発散によって膨張します。磁気ミラーの効果は速度空間図で示されています。図 5 は、近傍領域の (a) \((x, v_{\Parallel })\) と (b) \((v_{\Parallel },v_{\perp })\) の位相空間における電子の分布を示しています。現在のフィラメントを注入する場合の壁ターゲット。領域の距離はおよそ \(5 \times \lambda _{\text{D}}\) に相当します。壁から電子の放出がない場合、シース電位は進入する電子の流れを反発します。図5aに示すように、平行速度の高い粒子のみがターゲットに到達できます。磁気ミラーにより、垂直速度が速く、平行速度が遅い粒子は壁領域に入り込みにくくなります。彼らは磁気ミラーの中に閉じ込められます。平行速度の高い粒子だけが磁気ミラーを逃れて壁領域に入ることができます。図5bに示すように、磁気ミラーにより、お椀型の損失コーンが得られます。垂直速度が高く平行速度がほぼゼロの粒子は、ターゲットに到達することが妨げられます。したがって、パーティクルは壁に到達せず、シミュレーションボックス内に留まります。現在のフィラメントを使用することで、壁ターゲットに近づくパーティクルの数が減少します。壁に到達する粒子流のさまざまな形状に基づいて、ターゲットでの粒子と熱の流束は、射出方向が異なる場合ごとに異なります。

壁ターゲットでの電子、イオン、および総粒子束。電流フィラメントを注入すると、x 方向の電子束が減少し、y 方向の電子束が変化します。ただし、壁への全光束は減少します。逆方向のフィラメントを使用すると (ケース 2)、ターゲットに沿って光束を拡大できます。

図 6 は、壁ターゲットに沿った (a) 電子、(b) イオン、(c) 全粒子の流束をそれぞれ示しています。外部磁場がないと、局所的な磁束がシミュレーションドメインに入ると、局所的な磁束が壁に衝突します。これらの高磁束は、電流フィラメントをシミュレーションシステムに注入することによって低減されます。粒子束のピーク値は、電流フィラメントの存在下では半分に減少します。式で与えられるように。 (3) と (4) より、粒子流束は粒子の密度に比例します。粒子密度が減少すると、粒子束も減少します。電流フィラメント間に形成される磁気ミラー効果により、粒子の大部分はシミュレーションドメイン内に閉じ込められます。ミラーは、多数の粒子がターゲットに到達するのを防ぎます。図 3 に示すように、壁領域付近の粒子密度は、電流フィラメントの注入後に減少します。したがって、ターゲットでの粒子束は、粒子密度の低下に対応して減少します。ケース 1 では、磁力線の曲がりにより、プラズマの流れがターゲットに向かって下向きに締め付けられます。壁への局所分布の中心がずれます。続いて、ターゲットにおけるフラックス図では、図6の緑色で示したようにフラックスが縮小して偏った分布を示します。一方、プラズマ流は逆方向を利用することでシミュレーションボックス内に広く伸びています。電流フィラメントを注入しない場合と比較して、ターゲットまでのプラズマ流がターゲットで長くなっている。図6のマゼンタ色で示されているように、ターゲットでの粒子束はケース2で拡大されています。y方向のプラズマ流の変化は、電流フィラメントによって生成される磁場\(B_y\)から生じます。 \(B_y\) コンポーネントは、粒子をこの方向に移動させる可能性があります。粒子束は、その束の一部を y 方向に移動させます。他の方向への転送プロセスは、ターゲットへの強い磁束を減らすのに役立ちます。 y 方向の粒子束の変化は、壁ターゲットの図で確認できます。現在のフィラメントを注入しない場合、衝突や放出の影響がないため、壁ターゲットでの粒子束 \(\Gamma _y\) はほぼゼロに等しくなります。ケース 1 では、電流フィラメントによって生成される \(B_y\) がターゲットの前で同じ正の上向き方向を持っているため、粒子束 \(\Gamma _y\) も同じ正の方向になります。ケース 2 では、壁の近くの \(B_y\) は、中心線 \(y=L_y/2\) とは逆の方向になります。 y 方向のフラックスは \(B_y\) の方向に基づいて変更され、ケース 1 よりもケース 2 の方が小さくなります。y 方向の粒子フラックスは、x 方向の粒子フラックスよりもはるかに小さくなります。現在のフィラメントを注入すると、x 方向の粒子束が減少し、y 方向の粒子束が変化しますが、ターゲット \(\sqrt{\Gamma _x^2+\Gamma _y^2}\) での合計粒子束は減少します。どちらの場合も二次元の考慮に基づいています。結論として、壁ターゲットへの粒子束は、電流フィラメントを注入することによって減少します。粒子束の減少は主に、磁気ミラーによる粒子の反射プロセスと、x 方向から y 方向への粒子束の移動によって引き起こされます。磁気ミラーは、粒子を強制的にソース領域に反射させ、平行速度の高い粒子のみが壁に進入できるようにすることで、粒子をミラー内に捕捉します。反射粒子のこの負の方向により、要約すると、すべての粒子について、壁ターゲットへの粒子束が減少します。

壁ターゲットにおける電子、イオン、および全熱流束。粒子束と同様に、壁への熱束も現在のフィラメントを使用することで減少します。同じ方向のフィラメント (緑の線) を使用すると、ターゲットでの磁束が鋭くなり、反対方向のフィラメント (マゼンタの線) を注入すると、壁に沿って磁束が広がります。

図 7 に示すように、熱流束についても同様の挙動が得られます。電流フィラメントを注入すると、ターゲットでの高いピーク流束が減少します。同じ方向の電流フィラメントを使用すると、y 方向の熱流束が増加し、熱流束の局所的な分布が強化されます。一方、電流フィラメントの逆方向は、ターゲットに沿って磁束を拡張し、材料のピーク負荷を軽減するのに役立ちます。ターゲットへの高いピーク磁束を減らすことに集中したい場合は、システムに同じ方向の電流フィラメントを注入することができます。電流フィラメントの注入は、たとえば EAST トカマク 12 の下位ハイブリッド波を使用することによって実験で実行できます。磁束の減少と膨張の両方を考慮すると、フィラメントの逆方向を使用することがより良い選択です。もちろん、この技術では実験時にフィラメントの方向を変えるための特別な処理が必要です。実験研究に関しては、高温環境での熱流束を測定するには最新の熱流束センサーが適しています。

異なる電流強度と異なる電流フィラメント数を使用した、壁ターゲットでの総粒子束の比較。現在のフィラメントの強度と数は、ターゲットでの粒子束の減少に影響します。

電流フィラメントによって生成される磁場は、フィラメントの方向だけでなく、その強さと数にも依存します。電流フィラメントの数または強度を調整すると、システムの磁場構造が変化し、壁への粒子束に影響を与える可能性があります。図 8 は、(a) 異なる電流強度と (b) 異なる電流フィラメント数を使用したターゲットでの粒子束を示しています。この比較では、現在のフィラメントの逆方向が使用されます。より強い電流を流すと、磁場の変化がより顕著になります。 y 方向の磁場はより強くなり、より多くの粒子が y 方向に移動します。したがって、高い電流強度を使用すると、粒子流が y 方向にさらに拡大します。局所的なプラズマ流は、壁に到達する前にシミュレーションボックス内で引き伸ばされます。したがって、より多くの粒子束が y 方向に転送されます。このプロセスにより、ターゲットに到達する磁束が減少します。その結果、強力なフィラメントの電流強度を使用して、ターゲットでの粒子束のより大きな減少とより大きな膨張が得られます。同様に、注入される電流フィラメントの数を増やすと、ターゲットでの粒子束が減少することに比例します。注入される電流フィラメントの数が増えると、シミュレーションドメイン内でより多くの磁気ミラーが生成されます。より多くの磁気ミラーを使用すると、シミュレーションドメイン内でより多くの粒子をトラップできます。壁のターゲットに到達する粒子の数は、より多くの磁気ミラーを使用することで大幅に減少します。したがって、図 8b に示すように、より多くの電流フィラメントをシミュレーションに注入することで、ターゲットでの粒子束が大幅に減少します。全体として、ターゲットでの粒子束の減少と拡大は、現在のフィラメントの強度と数に依存します。実験においてターゲットへの粒子束の低減において高い効率を得るには、装置の形状、粒子束と磁気構成の値、電流フィラメントの強度と数に応じて考慮する必要があります。

シミュレーションボックスが小さくなると、ソースから最も近い電流フィラメントまでの距離が非常に近くなる可能性があります。ソースの磁場構造は、電流フィラメントを注入しない場合と比較して大幅に変化し、左側の境界からシミュレーション領域にロードされた粒子に影響を与えます。注入された粒子は、磁場の変化と境界条件の両方の影響を受けます。現在のフィラメントを使用して粒子束の減少を確認するために、シミュレーションボックスの拡張を検討します。長さを \(L_x=L_y=0.05\) m に設定したシステムをテストします。ソースから最も近い電流フィラメントまでの距離は拡大されますが、電流フィラメントから壁までの距離は元のシミュレーションと同じ \(L_x=L_y=0.03\) m です。こうすることで、電流フィラメントによって生成される磁場が、ソースで注入された粒子に与える影響は小さくなります。したがって、粒子はシミュレーション領域にスムーズに侵入できます。この考察では、現在のフィラメントの逆方向が使用されます。新しいシミュレーションでは、粒子の流れは、小さなシミュレーション領域の場合で説明したものと似ています。現在のフィラメントを使用すると、粒子が壁に直接衝突します。電流フィラメントはプラズマ流の形状に影響を与えます。この場合、電流フィラメントの方向が逆であるため、ソース付近のプラズマ流は y 方向のより広い領域に拡大されます。電子とイオンは壁に到達するのではなく、ソース領域の近くにトラップされます。電流フィラメントを注入しない場合と比較して、電流フィラメントを使用すると、ターゲットでの総粒子束が減少します。どちらの異なるサイズのシミュレーションボックスでも、電流フィラメントを注入する方法は、ターゲットへの強力な粒子束を低減するのに効果的です。

この論文では、2D3V PIC シミュレーションを使用して、電流フィラメントの注入が粒子および熱流束に及ぼす影響を研究します。粒子が \(x=0\) でシミュレーション領域に入り、壁に完全に吸収されると仮定して、単純なシミュレーションをモデル化します。衝突や二次放射は考慮されていません。粒子は、イオンと電子に等しい局所的なフラックスで左側から注入され、時間の経過とともに一定になります。電流を注入した場合と注入しない場合で、粒子束などの粒子の量を比較します。電流フィラメントがシステム内の磁気構造を変化させ、壁に向かう粒子の輸送を変化させると結論付けることができます。パーティクルは壁ターゲットには到達せず、ソース領域に戻ります。したがって、この方法では、壁に到達する粒子の数を減らし、壁への高い粒子と熱の流束を減らすことができます。電流フィラメントの注入による粒子束の減少と膨張は、電流フィラメントの強度と数に依存します。電流フィラメントの強度と数を変更することにより、粒子束をより深く減少させ、より大きく膨張させることができます。実際の実験を実行するには、壁の境界条件またはシステム入力パラメータに基づいて、さまざまな強度と電流フィラメントの数が使用されます。同じ方向の電流フィラメントを使用すると、壁での磁束のピークが減少し、同時に局所的な磁束が鋭くなります。この研究で提案されているように、電流フィラメントの逆方向を使用すると、壁への高いピーク磁束を低減でき、これらの局所的な磁束をターゲットに沿って拡大できます。要約すると、現在のフィラメントを注入することは、ターゲットへの高い熱流束を減らすための良い候補です。この方法は、衛星や宇宙船を高エネルギー粒子から守るために応用できます。将来的には、衝突性と有限電流フィラメントの影響を PIC シミュレーションで研究する必要があります。その観点から、シミュレーションをより現実的にするために追加の境界条件が考慮されます。それについては別の論文で説明します。

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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本研究は、NIFS連携研究プログラム(NIFS21KNST189およびNIFS22KISS005)の支援を受け、NIFSの「プラズマシミュレータ」(NEC SX-Aurora TSUBASA)上で実施されました。この研究の一部は、JSPS 基盤研究プログラム、A. 先端研究ネットワーク「PLADyS」の支援を受けました。

ズイタン大学研究開発研究所、ダナン、550000、ベトナム

トラン・レ

ズイタン大学自然科学部、ダナン、550,000、ベトナム

トラン・レ

〒739-8527 東広島市、広島大学大学院先進理工学研究科

Yasuhiro Suzuki

〒509-5292 土岐市、自然科学研究機構核融合科学研究所

Hiroki Hasegawa, Toseo Moritaka & Hiroaki Ohtani

総合研究大学院大学、総合研究大学院大学、〒509-5292 土岐市

Hiroki Hasegawa, Toseo Moritaka & Hiroaki Ohtani

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TL はコードを開発し、シミュレーションを実行し、本文を書きました。著者全員が原稿をレビューしました。

Correspondence to Yasuhiro Suzuki.

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Le, T.、鈴木, Y.、長谷川、H. et al. 現在のフィラメントを使用する材料に対する高い熱流束の低減。 Sci Rep 13、8300 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-35109-4

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受信日: 2022 年 6 月 17 日

受理日: 2023 年 5 月 12 日

公開日: 2023 年 5 月 23 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35109-4

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