Высокое снижение теплового потока к материалам с использованием токовых нитей.

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 8300 (2023) Цитировать эту статью

343 доступа

Подробности о метриках

Снижение высоких тепловых потоков электронов и ионов является одной из важнейших задач защиты спутников и космических аппаратов. Одна из идей экранирования высоких частиц и тепловых потоков заключается в применении внешнего магнитного поля, генерируемого путем введения токовых нитей. В этой работе мы моделируем поток плазмы, который включает в себя электроны и ионы в небольшой области, используя два пространственных измерения и три координаты для скоростей (2D3V) кода Particle-In-Cell (PIC) для изучения эффектов инжектированных частиц. нити тока на частицах и тепловые потоки к стенке. Плазма попадает в область моделирования из области источника на левой границе и полностью поглощается стенкой проводника на правой границе. Нити тока вводятся для изменения структуры магнитного поля системы. Мы сравниваем плотность частиц, поток частиц и тепловой поток с инжекцией токовых нитей в двумерную область и без нее. Основываясь на результатах моделирования, мы обнаружили, что введение токовых нитей может уменьшить пиковые потоки на стенку и передать часть этих потоков вдоль стены. Таким образом, введение токовых нитей является хорошим кандидатом для защиты спутников и космических кораблей от потоков ионов и электронов высоких энергий.

Взаимодействие материалов с плазмой играет важную роль в изучении физики плазмы в космосе и термоядерной плазмы. В спутниках или космических кораблях ионы высокой энергии могут вызвать сбой и зависание единичного события в космических электронных системах, что приводит к сбоям в программном обеспечении и может повредить устройство1. Электроны высокой энергии могут проникать через спутники и космические корабли и накапливать заряд на поверхности проводника. Более высокая скорость проникновения вызывает внутренние импульсы зарядки и разрядки, которые повреждают электронные системы или вызывают выход из строя различных компонентов космического корабля1,2,3. Следовательно, частицы высокой энергии могут повредить поверхности материалов или нанести вредные заряды на электронные компоненты4,5,6. Защита космических кораблей и спутников от частиц высоких энергий стала важной темой исследования космоса. Было предложено несколько методов защиты космических кораблей и спутников от частиц высоких энергий, таких как методы активной защиты, хаотическое магнитное поле или многослойная защита7,8.

С другой стороны, уменьшение количества частиц высокой энергии, достигающих стенки, также является серьезной проблемой в термоядерной технике. Частицы высокой энергии, движущиеся вдоль силовых линий магнитного поля, непосредственно бомбардируют материал, а затем повреждают торцевые пластины. Отрыв плазмы и резонансные магнитные возмущения (RMP) являются некоторыми предлагаемыми решениями для уменьшения взаимодействия высокоэнергетической плазмы со стенкой в ​​исследованиях термоядерного синтеза. Эти методы являются мощными методами снижения высоких потоков энергии в материале, но у них все еще остаются некоторые ограничения, связанные с техническими проблемами или физическими проблемами8,9,10. Начав с изучения снижения высоких тепловых потоков в термоядерной плазме, мы стремились найти решение, которое можно было бы применить для защиты космических кораблей и спутников от частиц высоких энергий.

Одна из идей по уменьшению сильного теплового потока состоит в том, чтобы расширить поток плазмы, чтобы он соответствовал ширине стены. Поэтому поток энергии плазмы распространяется на большую площадь. Эта идея помогает снизить нагрузку сильно локализованных потоков на материал. Было высказано предположение, что магнитное поле может влиять на поток к стенке11,12. Магнитное поле изменяет транспорт частиц, что, следовательно, влияет на потоки к стенке. В предыдущей работе мы обнаружили, что внешние локализованно-перевернутые магнитные поля могут управлять потоками частиц и тепла к стенке в одномерном представлении13. Потоки частиц и тепловые потоки уменьшаются за счет наличия магнитных зеркальных эффектов, создаваемых локализованно-обратным магнитным полем. Существует перспектива передачи теплового потока по пристеночной области. Поэтому нам интересно изучить, как влияют профили потока вдоль пристеночной области. Этот профиль магнитного поля можно создать путем введения токовых нитей в экспериментальных или двумерных (2D) численных исследованиях. Чтобы более качественно понять эффекты внешнего локализованного магнитного поля, другими словами, токовых нитей, мы изучаем поток плазмы, состоящей из электронов и ионов в небольшой области, используя два пространственных измерения и три координаты для скоростей (2D3V) Частица - Модель In-Cell (PIC). PIC-моделирование — это модель, которая использует полностью кинетическое описание для самосогласованного моделирования структуры электрического потенциала14,15,16. PIC использует микровеличины для моделирования всего поведения плазмы; следовательно, он может явно учитывать дрейфы по сравнению с жидкостной моделью16. Мы вводим нити тока в направлении, перпендикулярном плоскости моделирования. Локализованный поток плазмы попадает в область моделирования из области источника и полностью поглощается стенкой. В этой статье показано, как инжекция токовой нити влияет на частицы и тепловые потоки к стенке в двух измерениях, которые являются направлениями, пропорциональными потоку плазмы и вдоль стенки, с использованием PIC-моделирования. В разделе «Имитационная модель» обсуждается, как настроено моделирование, а в разделе «Результаты моделирования» сравниваются профили плотности, потоки частиц и тепловые потоки с использованием токовых нитей и без них. В последнем разделе даны обсуждение и выводы по этой методике.