Elevata riduzione del flusso di calore ai materiali che utilizzano filamenti attuali

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8300 (2023) Citare questo articolo

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La riduzione degli elevati flussi di calore di elettroni e ioni è uno dei problemi critici per la schermatura di satelliti e veicoli spaziali. Una delle idee per schermare particelle elevate e flussi di calore è applicare un campo magnetico esterno generato iniettando filamenti di corrente. In questo lavoro, modelliamo un flusso di plasma, che include elettroni e ioni in una piccola regione, utilizzando due dimensioni spaziali e tre coordinate per le velocità (2D3V) codice Particle-In-Cell (PIC) per studiare gli effetti del plasma iniettato filamenti di corrente sulle particelle e flussi di calore verso la parete. Il plasma entra nel dominio di simulazione dalla regione sorgente al confine sinistro ed è completamente assorbito nella parete del conduttore al confine destro. I filamenti attuali vengono iniettati per modificare la struttura del campo magnetico del sistema. Confrontiamo la densità delle particelle, il flusso di particelle e il flusso di calore con e senza iniettare i filamenti di corrente nel dominio in due dimensioni. Sulla base dei risultati della simulazione, abbiamo scoperto che l’iniezione di filamenti di corrente può ridurre i flussi di picco sulla parete e trasferire parte di tali flussi lungo la parete. Pertanto, l’iniezione dei filamenti di corrente è un buon candidato per proteggere satelliti e veicoli spaziali dai flussi di ioni ed elettroni ad alta energia.

L'interazione tra materiale e plasma gioca un ruolo importante nello studio della fisica del plasma nello spazio e nel plasma di fusione. Nei satelliti o nei veicoli spaziali, gli ioni ad alta energia possono influenzare un singolo evento disturbato e un singolo evento bloccato nei sistemi elettronici spaziali, causando guasti al software e danneggiando il dispositivo1. Gli elettroni ad alta energia possono penetrare nei satelliti e nei veicoli spaziali e accumulare carica sulle superfici del conduttore. Una velocità di penetrazione più elevata provoca impulsi interni di carica e scarica, che danneggiano i sistemi elettronici o causano il guasto di vari componenti del veicolo spaziale1,2,3. Pertanto, le particelle ad alta energia possono danneggiare le superfici dei materiali o depositare cariche dannose nei componenti elettronici4,5,6. La protezione di veicoli spaziali o satelliti dalle particelle ad alta energia è diventata un argomento importante per l'esplorazione spaziale. Sono stati proposti diversi metodi per proteggere veicoli spaziali e satelliti dalle particelle ad alta energia, come metodi di schermatura attiva, un campo magnetico caotico o schermatura multistrato7,8.

D’altro canto, anche la riduzione delle particelle ad alta energia che raggiungono la parete è un problema significativo nell’ingegneria della fusione. Le particelle ad alta energia che si muovono lungo le linee del campo magnetico bombardano direttamente il materiale, quindi danneggiano le piastre terminali. Il distacco del plasma e le perturbazioni magnetiche della risonanza (RMP) sono alcune soluzioni suggerite per ridurre l'interazione plasma-parete ad alta energia nella ricerca sulla fusione. Questi metodi sono tecniche potenti per ridurre gli elevati flussi di energia verso il materiale, ma presentano ancora alcune limitazioni rimanenti legate a sfide tecniche o problemi fisici8,9,10. Partendo dallo studio della riduzione dell’elevato flusso di calore nel plasma di fusione, abbiamo mirato a trovare una soluzione che possa essere applicata per proteggere veicoli spaziali e satelliti da particelle ad alta energia.

Un’idea per un’elevata riduzione del flusso di calore è espandere il flusso di plasma per adattarlo alla larghezza della parete. Pertanto, il flusso di energia del plasma è distribuito su un'area più ampia. Questa idea aiuta a ridurre il carico di flussi fortemente localizzati sul materiale. È stato suggerito che un campo magnetico possa influenzare il flusso verso la parete11,12. Il campo magnetico modifica il trasporto delle particelle, che quindi influenza i flussi verso la parete. Nel lavoro precedente, abbiamo scoperto che i campi magnetici esterni localizzati-invertiti possono controllare i flussi di particelle e di calore verso la parete in una vista unidimensionale13. I flussi di particelle e di calore sono ridotti dalla presenza di effetti specchio magnetico creati da un campo magnetico localizzato-invertito. Esiste la possibilità di trasferire il flusso di calore lungo la regione della parete. Pertanto, siamo curiosi di studiare come vengono influenzati i profili di flusso lungo la regione della parete. Questo profilo del campo magnetico può essere generato iniettando i filamenti di corrente in studi numerici sperimentali o bidimensionali (2D). Per comprendere più qualitativamente gli effetti del campo magnetico esterno localizzato, in altre parole dei filamenti di corrente, studiamo un flusso di plasma costituito da elettroni e ioni in una piccola regione utilizzando due dimensioni spaziali e tre coordinate per le velocità (2D3V). -Modello in cella (PIC). La simulazione PIC è un modello che utilizza una descrizione completamente cinetica per modellare la struttura del potenziale elettrico in modo auto-coerente14,15,16. PIC utilizza microquantità per simulare tutti i comportamenti del plasma; pertanto, può trattare le derive in modo esplicito rispetto a un modello fluido16. Iniettiamo i filamenti di corrente nella direzione perpendicolare al piano di simulazione. Il flusso di plasma localizzato entra nel dominio di simulazione dalla regione sorgente e viene completamente assorbito nella parete. Questo articolo mostra come l'iniezione della tecnica del filamento di corrente influisce sui flussi di particelle e di calore sulla parete in due dimensioni, che sono le direzioni proporzionali al flusso di plasma e lungo la parete, utilizzando la simulazione PIC. La sezione "Modello di simulazione" discute come è impostata la simulazione, mentre la sezione "Risultati della simulazione" confronta i profili di densità, i flussi di particelle e i flussi di calore con e senza l'utilizzo dei filamenti attuali. Nell'ultima sezione vengono fornite la discussione e la conclusione di questa tecnica.