Réduction élevée du flux de chaleur vers les matériaux utilisant des filaments actuels

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 8300 (2023) Citer cet article

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La réduction des flux thermiques élevés d'électrons et d'ions est l'un des problèmes critiques pour le blindage des satellites et des engins spatiaux. L'une des idées pour protéger les flux de particules et de chaleur élevés consiste à appliquer un champ magnétique externe généré par l'injection de filaments de courant. Dans ce travail, nous modélisons un flux de plasma, qui comprend des électrons et des ions dans une petite région, en utilisant deux dimensions spatiales et trois coordonnées pour les vitesses (2D3V) du code Particle-In-Cell (PIC) pour étudier les effets de l'injection filaments de courant sur les flux de particules et de chaleur vers la paroi. Le plasma entre dans le domaine de simulation à partir de la région source à la limite gauche et est entièrement absorbé dans la paroi du conducteur à la limite droite. Des filaments de courant sont injectés pour modifier la structure du champ magnétique du système. Nous comparons la densité de particules, le flux de particules et le flux de chaleur avec et sans injection des filaments actuels dans le domaine en deux dimensions. Sur la base des résultats de la simulation, nous avons constaté que l'injection de filaments de courant peut réduire les flux de pointe vers le mur et transférer certains de ces flux le long du mur. Par conséquent, l'injection des filaments de courant est un bon candidat pour protéger les satellites et les engins spatiaux des flux d'ions et d'électrons à haute énergie.

L'interaction plasma-matière joue un rôle important dans l'étude de la physique des plasmas dans l'espace et le plasma de fusion. Dans les satellites ou les engins spatiaux, les ions à haute énergie peuvent affecter un seul événement bouleversé et un seul événement de verrouillage dans les systèmes électroniques spatiaux, ce qui provoque des pannes logicielles et peut endommager l'appareil1. Les électrons à haute énergie peuvent pénétrer dans les satellites et les engins spatiaux et accumuler une charge sur les surfaces du conducteur. Un taux de pénétration plus élevé provoque des impulsions de charge et de décharge internes, qui endommagent les systèmes électroniques ou provoquent la défaillance de divers composants de l'engin spatial1,2,3. Par conséquent, les particules à haute énergie peuvent endommager les surfaces des matériaux ou déposer des charges nocives dans les composants électroniques4,5,6. La protection des engins spatiaux ou des satellites contre les particules à haute énergie est devenue un sujet important pour l'exploration spatiale. Plusieurs méthodes ont été proposées pour protéger les engins spatiaux et les satellites des particules à haute énergie, telles que les méthodes de blindage actif, un champ magnétique chaotique ou le blindage multicouche7,8.

D'autre part, la réduction des particules à haute énergie atteignant la paroi est également un problème important dans l'ingénierie de la fusion. Les particules à haute énergie se déplaçant le long des lignes de champ magnétique bombardent directement le matériau, puis endommagent les plaques d'extrémité. Le détachement du plasma et les perturbations magnétiques de résonance (RMP) sont quelques-unes des solutions suggérées pour réduire l'interaction plasma-paroi à haute énergie dans la recherche sur la fusion. Ces méthodes sont des techniques puissantes pour réduire les flux d'énergie élevés vers le matériau, mais elles présentent encore certaines limitations liées à des défis techniques ou à des problèmes physiques8,9,10. En partant de l'étude de la réduction du flux thermique élevé dans le plasma de fusion, nous avons cherché à trouver une solution pouvant être appliquée pour protéger les engins spatiaux et les satellites des particules à haute énergie.

Une idée pour réduire le flux de chaleur élevé consiste à étendre le flux de plasma pour qu'il corresponde à la largeur de la paroi. Par conséquent, le flux d'énergie du plasma est réparti sur une plus grande surface. Cette idée permet de réduire la charge des flux fortement localisés sur le matériau. Il a été suggéré qu'un champ magnétique peut affecter le flux vers le mur11,12. Le champ magnétique modifie le transport des particules, ce qui influence donc les flux vers la paroi. Dans les travaux précédents, nous avons constaté que les champs magnétiques externes localisés inversés peuvent contrôler les flux de particules et de chaleur vers la paroi dans une vue unidimensionnelle13. Les flux de particules et de chaleur sont réduits par la présence d'effets miroirs magnétiques créés par un champ magnétique inversé localisé. Il existe une perspective de transfert du flux de chaleur le long de la région de la paroi. Par conséquent, nous sommes curieux d'étudier comment les profils de flux sont affectés le long de la région de la paroi. Ce profil de champ magnétique peut être généré en injectant les filaments de courant dans des études numériques expérimentales ou bidimensionnelles (2D). Pour comprendre plus qualitativement les effets du champ magnétique externe localisé, autrement dit les filaments de courant, nous étudions un flux de plasma constitué d'électrons et d'ions dans une petite région en utilisant deux dimensions spatiales et trois coordonnées pour les vitesses (2D3V) Particule -Modèle en cellule (PIC). La simulation PIC est un modèle qui utilise une description entièrement cinétique pour modéliser la structure du potentiel électrique de manière auto-cohérente14,15,16. Le PIC utilise des micro-quantités pour simuler tous les comportements du plasma ; il peut donc traiter explicitement les dérives par rapport à un modèle fluide16. On injecte les filaments de courant dans la direction qui est perpendiculaire au plan de simulation. Le flux de plasma localisé entre dans le domaine de simulation à partir de la région source et est entièrement absorbé dans la paroi. Cet article montre comment l'injection de la technique de filament actuelle affecte les flux de particules et de chaleur vers la paroi en deux dimensions, qui sont les directions proportionnelles au flux de plasma et le long de la paroi, en utilisant la simulation PIC. La section "Modèle de simulation" explique comment la simulation est configurée, tandis que la section "Résultats de la simulation" compare les profils de densité, les flux de particules et les flux de chaleur avec et sans l'utilisation des filaments actuels. Dans la dernière section, la discussion et la conclusion de cette technique sont données.

Dans ce travail, nous modélisons la simulation à l'aide d'un modèle PIC électrostatique. Le champ électrique E est résolu de manière auto-cohérente et le champ magnétique B est constant dans le temps. Les équations de base utilisées dans la présente simulation PIC sont similaires à celles de nos travaux précédents dans une vue unidimensionnelle13. Les positions des particules et les quantités de champ sont considérées dans des espaces bidimensionnels x et y avec trois composantes de vitesse (\(v_x, v_y,v_z\)) (2D3V).

Domaine de la simulation. Le plasma est délimité par un vide. Les particules sont injectées depuis la limite gauche à \(x = 0\) et sont entièrement absorbées dans la limite droite \(x = L_x\). La ligne violette indique le flux de plasma localisé entrant dans le domaine de simulation.

Nous modélisons une petite région simple où le plasma entre par la limite gauche à \(x = 0\) et est entièrement absorbé par la limite droite \(x = L_x\). Le domaine de simulation a la petite taille \(L_x= 0,03\) m de la source à la paroi du conducteur, et \(L_y= 0,03\) m dans la direction y. Dans la direction y, nous supposons que le plasma s'écoule dans la région médiane du domaine de simulation où les limites inférieure et supérieure sont considérées comme un vide, comme illustré à la Fig. 1. Lorsqu'une particule sort de la boîte de simulation depuis la partie supérieure et les limites inférieures au temps t, il sera reflété dans le domaine de simulation, donné par \(y_t^{refl}= 2L_y - y_t\) pour \(y_t>L_y\) ou \(y_t^{refl}= - y_t\) pour \(y_t<0\) et \(v_t^{y,refl}= - v_t^y\). Seuls les ions et les électrons sont inclus dans cette simulation. Aucune collision, réflexion, processus de recyclage ou émission secondaire n'a été pris en compte.

Au stade initial, il n'y a pas de plasma à l'intérieur du système. Des particules sont injectées à chaque pas de temps de la simulation, autour de \(x=0\). Nous fixons le flux de particules à \(x=0\), pour qu'il soit constant dans le temps et ait un profil de distribution gaussien, comme indiqué dans la ligne violette de la Fig. 1. Ce profil génère les distributions localisées du flux vers les cibles du mur . Les électrons et les ions ont des flux égaux à la source \(x=0\). Les vitesses des ions et des électrons injectés suivent une fonction de distribution entièrement maxwellienne, qui satisfait la condition que la vitesse parallèle \(v_{||} > 0\). Ce travail est une extension de notre vision unidimensionnelle. Des paramètres de système similaires ont été utilisés pour étudier la réduction du flux de chaleur par les filaments actuels. Les paramètres suivants sont utilisés dans la simulation : rapport de masse ion-électron \(m_i/m_e=1836\), température de la source d'électrons \(T_{\textrm{e}0}=100\) eV, température de la source d'ions \(T_ {\textrm{i}0}=50\) eV, champ magnétique de fond \(B_x = 0,2 \) T13. Aucun champ magnétique dans les directions y et z n'est donné. Dans le code, tous les paramètres sont normalisés comme suit :

où \(\lambda _{De0} = \bigg ( \frac{\epsilon _0 kT_{e0}}{n_0 e^2} \bigg )^{1/2}\), \(\omega _{pe0} =\bigg (\frac{n_0e^2}{\epsilon _0 m_e}\bigg )^{1/2}\), \(\omega _{ce0}=\frac{e\textbf{B}}{m_e }\) et \(v_{e0}\) sont respectivement la longueur de Debye, la fréquence du plasma et la fréquence du cyclotron, la vitesse thermique. e, \(m_e\) et \(n_0\) sont respectivement la charge électrique, la masse et la densité des électrons. Nous choisissons \(n_{0}=10^{16}\) \(m^{-3}\) pour la normalisation. Avec l'hypothèse ci-dessus, le domaine de simulation a la taille \(L_x=L_y \approx 40 \lambda _{De0}\). Le système est démarré en définissant la largeur du pas de temps \(\Delta \hat{t}=0.02\) et le nombre de cellules \(N_{cell} = 300\) cellules dans chaque direction. La paroi est supposée satisfaire une condition de potentiel flottant dans laquelle les particules sont entièrement absorbées. Dans les limites supérieure et inférieure (c'est-à-dire \(y = 0\) et \(y = L_y\)) , le champ électrique est supposé égal à zéro. Les filaments de courant sont injectés dans le système dans la direction z, qui est perpendiculaire au plan du système. Les emplacements et les directions de ces filaments sont donnés sur la Fig. 2. Nous effectuons la simulation dans deux cas : les filaments ont la même direction vers l'extérieur (Cas 1), et les filaments ont la direction opposée (Cas 2), correspondant au supérieur et au inférieur. chiffres de la figure 2a). Dans les deux cas, tous les filaments ont la même intensité de courant. La loi de Biot-Savart est utilisée pour calculer l'amplitude et la direction du champ magnétique généré par un courant donné comme :

où \(\mu _0=4\pi \times 10^{-7}\) Tm/A est la perméabilité de l'espace libre, \(I=1\) kA est l'intensité du courant et \(x_{I}\ ), \(y_{I}\) sont les emplacements des filaments actuels dans les directions x et y, respectivement. Pour éviter la singularité du champ magnétique à l'emplacement de ces points d'injection, le champ magnétique est réduit à \(|B| = 1\) T. L'injection des filaments de courant modifie les directions des lignes de champ magnétique dans le système. La structure magnétique dans le domaine de simulation est différente entre ces deux cas. Dans le plasma magnétisé, les particules se déplacent le long de la ligne de champ magnétique. En raison de ces structures différentes, le transport des particules est différent entre ces simulations, ce qui sera discuté dans la section suivante. À partir de \(t =0\)s, la simulation se terminera jusqu'à ce que le système atteigne le stade d'équilibre, dans lequel toutes les quantités resteront stables. Nous comparons les quantités de particules, telles que le flux de particules avec et sans les courants d'injection, pour étudier les effets des filaments de courant sur les flux de particules et de chaleur vers la paroi.

Champ magnétique produit par les filaments de courant et champ magnétique total dans la simulation après injection des filaments de courant. Deux types d'injection sont envisagés, consistant à injecter les mêmes filaments de courant et à utiliser des filaments de courant opposés. Le point représente la direction vers l'extérieur, tandis que le x indique la direction vers l'intérieur du filament actuel. La ligne noire indique la ligne de champ magnétique.

Définis \( \Gamma _{s,\alpha }\) et \(Q_{s,\alpha }\) sont les flux de particules et de chaleur de l'espèce s dans la direction \(\alpha \), donnés par

où \(f_s(\mathbf{{r,v}},t)\) est la fonction de distribution des particules à la position \(\textbf{r}\) et au temps t et \(m_s\) est la masse de la particule des espèces s. Dans les calculs numériques, ces flux peuvent être calculés dans une cellule (j, k) à l'emplacement \((X_j,Y_k)\) comme :

où S(x, y) est la fonction de pondération de surface et \(N_s\) est le nombre de particules de l'espèce s dans la cellule (j, k)14. Les flux de particules et de chaleur sont normalisés comme suit :

Le flux de particules normalisé \(\hat{\Gamma }_{x}\) à \(x=0\) est fixé pour être constant avec le temps et a la même valeur pour les électrons et les ions, donnée par :

qui a une forte valeur de crête dans la région médiane où \(y = L_y/2\). Différentes valeurs de \(\hat{\Gamma }_{0}\) n'affectent que le poids des flux de particules entrant dans la boîte de simulation. Ils n'affectent pas les autres quantités ou le mouvement des particules dans le domaine de la simulation. Par conséquent, la valeur de \(\hat{\Gamma }_{0}\) n'affecte pas l'objectif de cette étude, les effets des filaments actuels sur les flux de particules et de chaleur.

Densités de particules à l'état d'équilibre avec et sans injection des filaments de courant. Les figures (a–c) sont les densités d'électrons, tandis que les Figs. (d–f) sont les densités ioniques. Le flux de transport des particules dépend de la structure totale du champ magnétique. Un profil aiguisé est obtenu en utilisant la même direction de filaments (Cas 1). La direction opposée des filaments de courant élargit le flux de particules dans la simulation (cas 2).

La figure 3 montre la densité de particules dans la boîte de simulation. Sans le champ magnétique externe, en raison de l'absence de composante de champ magnétique \(B_y\), les particules bombardent directement la paroi sans modifier sa forme d'origine (voir Fig. 3a) pour la densité électronique et Fig. 3d pour la densité ionique). Comme le montrent les Fig. 3a et d, la densité ionique devant la cible est supérieure à la densité électronique. Ce déséquilibre provient de la formation du potentiel de gaine. Pour confirmer la formation du potentiel de gaine, la figure 4 montre un profil 2D du potentiel de plasma près de la paroi à l'état d'équilibre sans injecter les filaments de courant.

Profil de potentiel 2D à l'état d'équilibre sans injecter les filaments de courant. La figure est agrandie pour montrer la zone proche du mur. La formation du potentiel de gaine est confirmée.

Le potentiel de gaine est formé de manière auto-cohérente devant la paroi cible pour protéger les pertes de particules aux frontières. Les ions sont accélérés pour atteindre la paroi, tandis que la plupart des électrons sont réfléchis par le potentiel de la gaine. En conséquence, les électrons sont confinés dans la boîte de simulation. Plus d'ions sont situés devant la cible que d'électrons. Le potentiel de gaine provoque l'échange d'énergie entre les électrons et les ions. L'énergie des ions au niveau de la cible peut augmenter considérablement, ce qui affectera la dégradation des composants face au plasma. Sur la base de la formation auto-cohérente du potentiel de gaine dans le cas sans injecter les filaments de courant, le code est vérifié pour étudier l'effet des filaments de courant. Ayant un petit rayon de Larmor, les électrons se déplacent principalement le long des lignes de champ vers le mur. Le flux d'électrons suit le courant principal et pénètre rarement dans une position plus large dans la direction y. Les ions ont un rayon de Larmor beaucoup plus grand. Les ions ayant un rayon de Larmor suffisamment grand peuvent sauter à un grand déplacement dans la direction y lors de la composition de l'orbite gyroscopique. Par conséquent, dans les chiffres des densités ioniques, nous avons obtenu une faible densité ionique dans la région en dehors du courant principal, tandis que la densité électronique dans cette région est presque égale à zéro, ce qui était indiqué par la couleur blanche comme indiqué sur la Fig. 3. Lorsque les filaments actuels sont ajoutés à la simulation, la structure du champ magnétique est différente par rapport à sans injection de filaments de courant. Par la suite, le flux de plasma est modifié, correspondant au changement de la ligne de champ magnétique. Considérons le premier cas où la même direction des filaments courants est utilisée. Dans ce cas, comme le montre la figure du haut de la figure 2b), la plupart des lignes de champ magnétique provenant de la source se courbent dans la même direction autour des filaments de courant. Ils sont convergents de la source vers l'emplacement des premiers filaments de courant. Le flux de particules entrant dans la boîte de simulation sera resserré vers le bas dans cette région avant de se déplacer plus loin dans la boîte de simulation. Par conséquent, le flux de plasma est resserré vers la paroi, comme illustré sur les Fig. 3b et e pour les densités d'électrons et d'ions, respectivement. D'autre part, l'utilisation de la direction opposée des filaments fait diverger les lignes de champ magnétique de la source vers les premiers filaments de courant, comme indiqué sur la figure du bas de la figure 2 b). Ces structures magnétiques divergentes aident à étendre le flux de plasma localisé entrant dans la boîte de simulation dans la plus grande zone dans la direction y, comme le montrent les Fig. 3c et f. Cette expansion aide à diminuer le nombre de particules atteignant la paroi et à redresser le flux de plasma localisé entrant dans la cible de la paroi.

La distribution des électrons dans (a) \((x, v_{\parallel })\) et (b) \((v_{\parallel },v_{\perp })\) espaces de phase dans la région proche de la cible du mur dans le cas de l'injection des filaments actuels. Chaque point représente chaque particule simulée.

Le principe de piégeage des particules dans la boîte de simulation repose sur l'effet des miroirs magnétiques générés par l'injection des filaments de courant. Du fait du profil du champ magnétique produit par un courant fort près du courant et plus faible dans les autres, des miroirs magnétiques se forment entre les filaments de courant. À partir de la région source où le champ magnétique est plus faible, les particules se déplacent dans la région de simulation pour rencontrer la région de champ élevé. Les particules sont obligées de se refléter dans la région source lorsqu'elles pénètrent dans ces régions à champ élevé. Par la suite, le nombre de particules du côté gauche est supérieur à celui du côté droit des filaments courants. Moins de particules peuvent être forcées de se déplacer vers la région de la paroi. Les particules sont piégées par les effets de miroir magnétique et dilatées en raison de la divergence des lignes de champ magnétique dans la région de simulation plutôt que de se déplacer vers la paroi. L'effet des miroirs magnétiques a été montré dans la figure de l'espace des vitesses. La figure 5 montre la distribution des électrons dans les espaces de phase (a) \((x, v_{\parallel })\) et (b) \((v_{\parallel },v_{\perp })\) dans la région proche la paroi cible dans le cas de l'injection des filaments actuels. La distance de la région correspond approximativement à \(5 \times \lambda _{\text{D}}\). Dans le cas où il n'y a pas d'émission de l'électron de la paroi, le potentiel de gaine repousse le flux des électrons entrants. Seules les particules à vitesse parallèle élevée peuvent atteindre la cible, comme le montre la figure 5a. En raison du miroir magnétique, les particules ayant des vitesses perpendiculaires élevées et parallèles faibles pénètrent à peine dans la région de la paroi. Ils sont piégés à l'intérieur des miroirs magnétiques. Seules les particules ayant une vitesse parallèle élevée peuvent s'échapper des miroirs magnétiques pour entrer dans la région de la paroi. Comme le montre la figure 5b, le cône de perte en forme de bol est obtenu grâce aux miroirs magnétiques. Les particules à vitesse perpendiculaire élevée et à vitesse parallèle presque nulle sont empêchées d'atteindre la cible. Par conséquent, les particules sont maintenues à l'intérieur de la boîte de simulation plutôt que d'atteindre le mur. Le nombre de particules se rapprochant de la paroi cible est réduit en utilisant les filaments actuels. En fonction des différentes formes des flux de particules atteignant la paroi, les flux de particules et de chaleur au niveau de la cible sont différents dans chaque cas de direction d'injection différente.

Flux d'électrons, d'ions et de particules totales au niveau de la paroi cible. L'injection des filaments de courant réduit le flux d'électrons dans la direction x tout en modifiant le flux dans la direction y. Cependant, le flux total vers la paroi est réduit. L'utilisation de la direction opposée des filaments (cas 2) peut étendre le flux le long de la cible.

La figure 6 montre les flux de (a) électrons, (b) ions et (c) particules totales le long de la paroi cible, respectivement. Sans le champ magnétique externe, les flux localisés entrant dans le domaine de simulation se traduisent par des flux localisés frappant le mur. Ces flux élevés sont réduits en injectant les filaments de courant dans le système de simulation. Les valeurs crêtes des flux de particules sont réduites de moitié en présence des filaments de courant. Comme indiqué dans les équations. (3) et (4), le flux de particules est proportionnel à la densité de particules. Une fois que la densité de particules diminue, le flux de particules est également réduit. En raison des effets de miroir magnétique formés entre les filaments de courant, les particules sont majoritairement piégées à l'intérieur du domaine de simulation. Les miroirs empêchent un grand nombre de particules d'atteindre la cible. La densité des particules près de la région de la paroi est diminuée après l'injection des filaments actuels, comme le montre la figure 3. Par conséquent, le flux de particules au niveau de la cible est réduit, correspondant à la baisse de la densité des particules. Dans le cas 1, le flux de plasma est resserré vers le bas vers la cible en raison de la courbure des lignes de champ magnétique. Le centre de la distribution localisée au mur est décalé. Par la suite, sur la figure de flux au niveau de la cible, le flux montre une distribution rétrécie et décalée comme indiqué dans la couleur verte de la Fig. 6. D'autre part, le flux de plasma est largement étiré à l'intérieur de la boîte de simulation en utilisant la direction opposée des filaments de courant, comme dans le cas 2. Par rapport au cas sans injection des filaments de courant, le flux de plasma vers la cible est prolongé au niveau de la cible. Le flux de particules au niveau de la cible est élargi dans le cas 2, comme le montre la couleur magenta de la figure 6. Le changement du flux de plasma dans la direction y provient du champ magnétique \(B_y\) généré par les filaments actuels. La composante \(B_y\) peut conduire les particules à se déplacer dans cette direction. Le flux de particules transfère une partie de son flux dans la direction y. Le processus de transfert vers d'autres directions aidera à réduire le fort flux vers la cible. Le changement de flux de particules dans la direction y peut être vu dans les figures cibles du mur. Sans injecter les filaments actuels, le flux de particules \(\Gamma _y\) au niveau de la paroi cible est presque égal à zéro en raison de l'absence d'effets de collision et d'émission. Dans le cas 1, parce que \(B_y\), qui est généré par les filaments actuels, a la même direction positive vers le haut devant la cible, le flux de particules \(\Gamma _y\) est également dans la même direction positive. Dans le cas 2, \(B_y\) près du mur a la direction opposée à la ligne médiane \(y=L_y/2\). Le flux dans la direction y est modifié en fonction de la direction de \(B_y\), puis est plus petit dans le cas 2 que dans le cas 1. Le flux de particules dans la direction y est beaucoup plus petit que le flux de particules dans la direction x. Même si l'injection des filaments actuels réduit les flux de particules dans la direction x et modifie le flux dans la direction y, le flux total de particules à la cible \(\sqrt{\Gamma _x^2+\Gamma _y^2}\) est réduit dans les deux cas sous considération bidimensionnelle. En conclusion, le flux de particules vers la paroi cible est réduit en injectant les filaments actuels. La réduction du flux de particules provient principalement du processus de réflexion des particules provoqué par les miroirs magnétiques et du transfert du flux de particules de la direction x à la direction y. Les miroirs magnétiques emprisonnent les particules à l'intérieur des miroirs en les forçant à se refléter dans la région source et en permettant uniquement aux particules ayant une vitesse parallèle élevée de pénétrer dans le mur. En raison de cette direction négative des particules réfléchies, en résumé, pour toutes les particules, le flux de particules vers la paroi cible est diminué.

Flux d'électrons, d'ions et de chaleur totale au niveau de la paroi cible. Comme le flux de particules, le flux de chaleur vers la paroi est réduit en utilisant les filaments actuels. L'utilisation de la même direction de filaments (ligne verte) accentue le flux au niveau de la cible, tandis que l'injection de la direction opposée des filaments (ligne magenta) étend le flux le long de la paroi.

Un comportement similaire est obtenu pour le flux de chaleur, comme illustré à la Fig. 7. L'injection des filaments actuels réduit les flux de pointe élevés au niveau de la cible. L'utilisation de la même direction des filaments de courant provoque des flux de chaleur plus élevés dans la direction y et resserre la distribution localisée des flux. Alors que la direction opposée des filaments actuels aide à étendre les flux le long de la cible pour réduire la charge maximale pour les matériaux. Si nous voulons nous concentrer sur la réduction des flux de crête élevés vers la cible, l'injection de la même direction de filaments de courant dans le système peut être appliquée. L'injection des filaments de courant peut être mise en œuvre dans l'expérience, par exemple en utilisant des ondes hybrides inférieures dans le tokamak EAST12. Pour des considérations de réduction de flux et d'expansion, l'utilisation de la direction opposée des filaments est un meilleur choix. Bien sûr, cette technique nécessite un traitement spécial pour changer la direction des filaments lors de la réalisation des expériences. En ce qui concerne la recherche expérimentale, les capteurs de flux de chaleur modernes sont préférables pour mesurer le flux de chaleur dans un environnement à haute température.

Comparaison des flux de particules totaux au niveau de la paroi cible en utilisant différentes intensités de courant et différents nombres de filaments de courant. La force et le nombre de filaments actuels affectent la réduction du flux de particules au niveau des cibles.

Le champ magnétique généré par les filaments de courant dépend non seulement de leur direction mais aussi de leur intensité et de leur nombre. Ajuster le nombre ou l'intensité des filaments de courant peut modifier la structure du champ magnétique du système et influencer le flux de particules vers la paroi. La figure 8 illustre les flux de particules au niveau de la cible en utilisant (a) différentes intensités de courant et (b) différents nombres de filaments de courant. La direction opposée des filaments actuels est utilisée dans cette comparaison. Un courant plus fort est appliqué et la modification du champ magnétique devient plus évidente. Le champ magnétique dans la direction y est plus fort, entraînant plus de particules se déplaçant dans la direction y. Par conséquent, une expansion plus large du flux de particules dans la direction y se produit lors de l'utilisation d'une intensité de courant élevée. Le flux de plasma localisé est étiré dans la boîte de simulation avant d'atteindre la paroi. Une plus grande quantité de flux de particules sera alors transférée dans la direction y. Ce processus réduira le flux atteignant la cible. Par conséquent, une réduction plus élevée et une plus grande expansion du flux de particules au niveau de la cible sont obtenues en utilisant une forte intensité de courant de filaments. De même, l'augmentation du nombre de filaments de courant injecté est proportionnelle à la réduction du flux de particules au niveau de la cible. Un plus grand nombre de filaments de courant injecté génère un plus grand nombre de miroirs magnétiques dans le domaine de la simulation. Plus de miroirs magnétiques peuvent piéger un plus grand nombre de particules dans le domaine de simulation. Le nombre de particules atteignant la cible du mur sera fortement réduit en ayant plus de miroirs magnétiques. Par conséquent, le flux de particules au niveau de la cible sera considérablement réduit en injectant plus de filaments de courant dans la simulation, comme le montre la figure 8b. Au total, la réduction et l'expansion du flux de particules au niveau de la cible dépendent de la force et du nombre des filaments actuels. Selon la forme des dispositifs, les valeurs du flux de particules et la configuration magnétique, la force et le nombre de filaments de courant doivent être pris en compte pour obtenir une efficacité élevée dans la réduction du flux de particules vers les cibles dans les expériences.

Une fois que la boîte de simulation est petite, la distance entre la source et le filament de courant le plus proche peut être assez proche. La structure du champ magnétique à la source est considérablement modifiée par rapport au cas sans injection des filaments de courant, influençant les particules chargées dans la région de simulation à partir de la limite gauche. Les particules injectées subissent à la fois les effets du changement de champ magnétique et des conditions aux limites. Pour confirmer la réduction du flux de particules en utilisant les filaments actuels, une expansion de la boîte de simulation est envisagée. Le système dans lequel la longueur a été fixée à \(L_x=L_y=0.05\) m est testé. La distance entre la source et le filament de courant le plus proche est agrandie tandis que la distance entre les filaments de courant et le mur est la même que dans la simulation d'origine, \(L_x=L_y=0,03\) m. Ce faisant, le champ magnétique produit par les filaments de courant a un faible impact sur les particules injectées à la source. Par conséquent, les particules peuvent pénétrer en douceur dans le domaine de simulation. La direction opposée des filaments actuels est utilisée dans cette considération. Dans la nouvelle simulation, le flux de particules est similaire à celui discuté dans le cas du petit domaine de simulation. Lors de l'utilisation des filaments actuels, les particules bombardent directement le mur. Les filaments de courant affectent la forme du flux de plasma. Dans ce cas, le flux de plasma près de la source est étendu dans une zone plus grande dans la direction y en raison de la direction opposée des filaments de courant. Les électrons et les ions sont piégés près de la région source plutôt que d'atteindre le mur. Par rapport au cas sans injection des filaments actuels, les flux totaux de particules au niveau de la cible sont réduits en utilisant les filaments actuels. Dans les deux tailles différentes de la boîte de simulation, la méthode d'injection de filaments de courant fonctionne toujours bien pour réduire le flux intense de particules vers la cible.

Cet article étudie les effets de l'injection de filaments de courant sur les flux de particules et de chaleur à l'aide de la simulation PIC 2D3V. Nous modélisons une simulation simple, en supposant que les particules entrent dans le domaine de simulation à \(x=0\) et sont entièrement absorbées dans la paroi. Aucune collision ou émission secondaire n'est considérée. Les particules sont injectées du côté gauche avec des flux localisés égaux aux ions et aux électrons et sont constants dans le temps. Nous comparons les quantités de particules, telles que le flux de particules, avec et sans injection des courants. On peut conclure que les filaments actuels modifient la structure magnétique dans le système, puis modifient le transport des particules vers la paroi. Les particules retournent dans la région source plutôt que d'atteindre la cible du mur. Par conséquent, cette méthode peut diminuer le nombre de particules atteignant la paroi et réduire les flux élevés de particules et de chaleur vers la paroi. La réduction et l'expansion du flux de particules en injectant les filaments de courant dépendent de la force et du nombre de filaments de courant. Une réduction plus profonde et une plus grande expansion du flux de particules peuvent être obtenues en modifiant la force et le nombre de filaments actuels. Pour réaliser des expériences réelles, différentes forces et nombres de filaments actuels seront utilisés en fonction des conditions aux limites du mur ou des paramètres d'entrée du système. L'utilisation du même sens de filaments de courant réduit le pic des flux au niveau de la paroi tout en accentuant les flux localisés. En utilisant la direction opposée des filaments de courant, comme proposé dans ce travail, les flux de pointe élevés vers la paroi peuvent être réduits, et ces flux localisés peuvent être étendus le long des cibles. En résumé, l'injection des filaments actuels est un bon candidat pour réduire les flux thermiques élevés vers la cible. Cette méthode peut être appliquée pour protéger les satellites ou les engins spatiaux des particules à haute énergie. Les effets de la collisionnalité et des filaments à courant fini doivent être étudiés avec la simulation PIC à l'avenir. De ce point de vue, des conditions aux limites supplémentaires sont considérées pour rendre la simulation plus réaliste. Cela sera discuté dans un autre article.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de la présente étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Ce travail a été réalisé sur le "Plasma Simulator" (NEC SX-Aurora TSUBASA) du NIFS avec le soutien et sous les auspices du programme NIFS Collaboration Research (NIFS21KNST189 et NIFS22KISS005). Ce travail a été partiellement soutenu par "PLADyS", JSPS Core-to-Core Program, A. Advanced Research Network.

Institut de recherche et de développement, Université Duy Tan, Da Nang, 550000, Vietnam

Trang Le

Faculté des sciences naturelles, Université Duy Tan, Da Nang, 550 000, Vietnam

Trang Le

École supérieure de sciences et d'ingénierie avancées, Université d'Hiroshima, Higashi-Hiroshima, 739-8527, Japon

Yasuhiro Suzuki

Institut national des sciences de la fusion, Instituts nationaux des sciences naturelles, Toki, 509-5292, Japon

Hiroki Hasegawa, Toseo Moritaka & Hiroaki Ohtani

The Graduate University for Advanced Studies, SOKENDAI, Toki, 509-5292, Japon

Hiroki Hasegawa, Toseo Moritaka & Hiroaki Ohtani

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TL a développé le code, effectué la simulation et écrit le texte principal du manuscrit. Tous les auteurs ont examiné le manuscrit.

Correspondance à Yasuhiro Suzuki.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Le, T., Suzuki, Y., Hasegawa, H. et al. Réduction élevée du flux de chaleur vers les matériaux utilisant des filaments actuels. Sci Rep 13, 8300 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35109-4

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Reçu : 17 juin 2022

Accepté : 12 mai 2023

Publié: 23 mai 2023

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

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