在托卡马克装置中，通常设计一种几何偏滤器（Divertor）排除核聚变反应产生的杂质和热量。钨由于具有本身的优势特性，已经成为许多偏滤器材料的主要候选之一。托卡马克运行时，偏滤器作为面向等离子体的主要部件之一，将面对复杂的核聚变边界等离子体环境。在等离子体和偏滤器之间存在一个电磁鞘层区，通过该区域发生较强的连续不断的粒子交换、粒子再循环、溅射、再沉积和燃料滞留等相互作用。研究等离子体与器壁相互作用必须知道偏滤器区域的等离子体特性、等离子体与偏滤器材料表面的相互作用。目前，团队通过自主开发程序程序，在偏滤器区域等离子体物理、等离子体与壁材料相互作用方面获得主要研究进展。
一、自主开发程序模拟研究
1. 开发了粒子模拟程序（EPPIC1D&2D），模拟了小尺度的等离子体鞘层特性，包括偏滤器脱靶、缝隙等离子体行为等。同时开发了三维的蒙特卡洛程序（ITCD）模拟研究等离子体与器壁相互作用过程中产生的杂质在偏滤器的电离、输运和再沉积过程。
图1 不同磁场角度下不成形环形缝隙的电势分布和偏滤器粑板等离子体电势的演化
2. 基于速率理论开发了燃料滞留程序HIIPC和气泡演化程序HIIPC-MC，研究等离子体长期辐照壁材料引起的燃料滞留和气泡生长演化，同时开发辐照诱导的钨中缺陷动理学演化模型（VITDE），研究高能离子与氢同位素协同辐照的燃料滞留行为。控制等离子体与壁材料相互作用引起的氚滞留量是聚变堆安全运行的必要条件。在复杂的等离子体环境下，理解材料的微观结构和注入的氚作用对氚滞留的预测和控制至关重要。
图2 等离子体辐照钨材料中氢气泡的时间演化和燃料滞留随温度的演化
图3 氘等离子体辐照钨材料中氘滞留密度的时间-空间分布
3. 基于分子动力学和动理学蒙特卡洛方法，利用LAMMPS等程序，研究强流高能等离子体辐照下，钨材料中气泡演化以及绒毛生长的行为。
图4 通过LAMMPS的He辐照钨钨表面原子团簇演化的分子动理学模拟
4. 采用了经验公式耦合在等离子体程序中实时计算等离子体变化过程中器壁材料的侵蚀（物理和化学侵蚀）；自主开发了分子动力学程序研究粒子入射到碳钨中的入射深度、反射等行为；开发了动力学蒙特程序从较大尺度研究材料的侵蚀行为；开发了热传导模型研究入射到偏滤器靶板的热流对偏滤器的热腐蚀效应；开发了SURO程序研究等离子体与粗糙器壁相互作用。
图5 局部杂质侵蚀和沉积引起的粗糙表面的演化行为
5. 此外，刮削层区域粒子再循环程序和惰性杂质（氖氩）注入对燃料滞留影响的动理学模拟程序正在开发中。
二、结合实验平台MPS-LD，开展实验研究
在偏滤器等离子体与壁材料相互作用研究中，可结合实验装置MPS-LD，进行等离子体辐照相关的实验研究，包括表面损伤，表面成分演化，溅射和侵蚀以及燃料滞留等，这为数值模拟研究可以提供实验数据和验证。
图6 等离子体与壁材料相互作用的直线等离子体实验装置（MPS-LD）实物图
目前，团队在偏滤器等离子体与壁材料相互研究方面获得多项科研项目支持，已经自主开发程序获得10余项软件著作权，专利2项，发表论文30余篇。
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