Redução de alto fluxo de calor para materiais usando filamentos atuais

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 8300 (2023) Citar este artigo

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Reduzir os altos fluxos de calor de elétrons e íons é uma das questões críticas para proteger satélites e espaçonaves. Uma das ideias para blindar altos fluxos de partículas e calor é aplicar um campo magnético externo gerado pela injeção de filamentos de corrente. Neste trabalho, modelamos um fluxo de plasma, que inclui elétrons e íons em uma pequena região, usando duas dimensões espaciais e três coordenadas para velocidades (2D3V) do código Particle-In-Cell (PIC) para estudar os efeitos da injeção filamentos de corrente nas partículas e fluxos de calor para a parede. O plasma entra no domínio de simulação da região da fonte no contorno esquerdo e é totalmente absorvido na parede do condutor no contorno direito. Filamentos de corrente são injetados para alterar a estrutura do campo magnético do sistema. Comparamos densidade de partículas, fluxo de partículas e fluxo de calor com e sem injetar os filamentos de corrente no domínio em duas dimensões. Com base nos resultados da simulação, descobrimos que a injeção de filamentos de corrente pode reduzir os fluxos de pico para a parede e transferir alguns desses fluxos ao longo da parede. Portanto, injetar os filamentos atuais é um bom candidato para proteger satélites e espaçonaves de fluxos de íons e elétrons de alta energia.

A interação do material do plasma desempenha um papel importante no estudo da física do plasma no espaço e no plasma de fusão. Em satélites ou espaçonaves, íons de alta energia podem afetar um único evento perturbado e um único evento travado em sistemas eletrônicos espaciais, o que causa falhas de software e pode danificar o dispositivo1. Elétrons de alta energia podem penetrar em satélites e espaçonaves e acumular uma carga nas superfícies do condutor. Uma taxa de penetração mais alta causa pulsos internos de carga e descarga, que danificam os sistemas eletrônicos ou causam a falha de vários componentes da espaçonave1,2,3. Portanto, partículas de alta energia podem danificar as superfícies dos materiais ou depositar cargas nocivas em componentes eletrônicos4,5,6. Proteger espaçonaves ou satélites de partículas de alta energia tornou-se um tópico importante para a exploração espacial. Vários métodos foram propostos para proteger espaçonaves e satélites de partículas de alta energia, como métodos de blindagem ativa, um campo magnético caótico ou blindagem multicamadas7,8.

Por outro lado, a redução de partículas de alta energia atingindo a parede também é um problema significativo na engenharia de fusão. As partículas de alta energia que se movem ao longo das linhas do campo magnético bombardeiam diretamente o material e, em seguida, danificam as placas terminais. O descolamento de plasma e as perturbações magnéticas de ressonância (RMPs) são algumas soluções sugeridas para reduzir a interação plasma-parede de alta energia na pesquisa de fusão. Esses métodos são técnicas poderosas para reduzir os altos fluxos de energia para o material, mas ainda apresentam algumas limitações remanescentes relacionadas a desafios técnicos ou questões físicas8,9,10. Começando com o estudo da redução do alto fluxo de calor no plasma de fusão, buscamos encontrar uma solução que possa ser aplicada para proteger espaçonaves e satélites de partículas de alta energia.

Uma ideia para redução de alto fluxo de calor é expandir o fluxo de plasma para corresponder à largura da parede. Portanto, o fluxo de energia do plasma é espalhado por uma área maior. Essa ideia ajuda a reduzir a carga de fluxos fortemente localizados no material. Tem sido sugerido que um campo magnético pode afetar o fluxo para a parede11,12. O campo magnético altera o transporte de partículas, o que, portanto, influencia os fluxos para a parede. No trabalho anterior, descobrimos que campos magnéticos reversos localizados externos podem controlar os fluxos de partículas e calor para a parede em uma visão unidimensional13. Os fluxos de partículas e calor são reduzidos pela presença de efeitos de espelho magnético criados por um campo magnético reverso localizado. Existe uma perspectiva de transferência do fluxo de calor ao longo da região da parede. Portanto, estamos curiosos para estudar como os perfis de fluxo são afetados ao longo da região da parede. Esse perfil de campo magnético pode ser gerado pela injeção dos filamentos de corrente em estudos numéricos experimentais ou bidimensionais (2D). Para entender mais qualitativamente os efeitos do campo magnético externo localizado, ou seja, os filamentos de corrente, estudamos um fluxo de plasma constituído por elétrons e íons em uma pequena região usando duas dimensões espaciais e três coordenadas de velocidades (2D3V) Partícula -In-Cell (PIC) modelo. A simulação PIC é um modelo que usa uma descrição totalmente cinética para modelar a estrutura do potencial elétrico de forma autoconsistente14,15,16. O PIC usa microquantidades para simular todos os comportamentos do plasma; portanto, pode lidar com desvios explicitamente em comparação com um modelo fluido16. Injetamos os filamentos de corrente na direção perpendicular ao plano de simulação. O fluxo de plasma localizado entra no domínio de simulação da região da fonte e é totalmente absorvido na parede. Este artigo mostra como a injeção da técnica de filamento atual afeta os fluxos de partículas e calor para a parede em duas dimensões, que são as direções proporcionais ao fluxo de plasma e ao longo da parede, usando simulação PIC. A seção "Modelo de simulação" discute como a simulação é configurada, enquanto a seção "Resultados da simulação" compara perfis de densidade, fluxos de partículas e fluxos de calor com e sem o uso dos filamentos atuais. Na última seção, a discussão e conclusão desta técnica são dadas.