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Numerical simulation of the initial stage of unipolar arcing in fusion-relevant conditions

H T C Kaufmann, C Silva, M S Benilov2019年Plasma Physics and Controlled FusionIF 2.2出版社

A model for the initial phase of unipolar arcing has been developed with account of an external energy source which triggers the arcing, the vaporization of the atoms from the heated surface, the ions and electrons produced by ionization of the vapor, the electron emission from the metal surface, and melt motion and surface deformation. Current transfer outside the arc attachment is taken into account and the potential difference between the plasma and the metal surface (the plate) is evaluated from the condition that the net current transferred to the plate is zero at each moment. The model is used for simulation of the interaction of an external energy load (laser beam) with a tungsten plate immersed in a helium background plasma. The results revealed the formation of a crater, but no jet formation or droplet detachment. If the plate is large (), the peak temperature attained is 5200 K, and the plate potential remains below the plasma potential. If the plate is small (), a peak temperature of 7500 K is reached, the potential of the plate surpasses the plasma potential, circulation of the melt at the pool periphery occurs, and the erosion (which is mainly due to the vaporization of the metal atoms in the spot) reaches the value of 37 μg.

日本語訳

単極アーキングの初期段階に対するモデルが、アーキングを誘発する外部エネルギー源、加熱表面からの原子の蒸発、蒸気の電離によって生成されるイオンと電子、金属表面からの電子放出、ならびに溶融運動と表面変形を考慮して開発された。アーク付着領域外での電流伝達が考慮され、プラズマと金属表面(プレート)間の電位差は、各瞬間においてプレートに伝達される正味電流がゼロであるという条件から評価される。このモデルは、ヘリウム背景プラズマ中に置かれたタングステンプレートと外部エネルギー源(レーザービーム)との相互作用のシミュレーションに使用された。結果は、クレーターの形成を明らかにしたが、ジェット形成や液滴の離脱は見られなかった。プレートが大きい場合()、到達する最高温度は5200 Kであり、プレート電位はプラズマ電位より低いままであった。プレートが小さい場合()、最高温度7500 Kに達し、プレート電位はプラズマ電位を超え、プール周辺部で溶融金属の循環が発生し、侵食(主にスポット内の金属原子の蒸発による)は37 μgの値に達した。

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