磁约束核聚变是实现聚变能的主要途径,是解决人类能源和环境双重危机的最佳途径之一。然而,在托卡马克装置中,由于等离子体不稳定和粒子碰撞,磁场不能完全阻止等离子体热流和高能粒子流的横向输运,这导致了等离子体与托卡马克第一壁材料的相互作用(Plasma Wall Interaction,PWI),发生第一壁侵蚀、杂质产生、燃料滞留和再沉积等问题。由于托卡马克装置的极端工作条件,开展等离子体与壁材料相互作用诊断研究,对第一壁材料的选取和未来的聚变堆装置寿命及安全运行都有着极为重要的意义。激光诱导击穿光谱(LaserInduced Breakdown Spectroscopy,LIBS)技术被认为是等离子体与材料相互作用中元素诊断的重要工具,并已经在“东方超环”(Experimental Advanced Superconducting Tokamak,EAST)装置中在线应用。近年来,各国在直线等离子体装置上的LIBS实验研究也取得了不同程度的进展。激光烧蚀等离子体参数决定着LIBS的关键物理过程,等离子体尺度小、时间短以及高温高压的极端条件,使得传统的诊断方法无法获得激光烧蚀等离子体的详细参数。尤其是等离子体演化的早期阶段,特征谱线淹没在轫致辐射谱线中,提高了实际测量的难度,对LIBS定量分析精度影响很大。因此需要通过建立合理的数值模型,为激光烧蚀托卡马克高Z壁材料过程中等离子体动力学以及发射光谱提供详细参数,在优化LIBS实验技术的同时,还能更深入地理解激光与材料相互作用的机理。目前存在多种激光烧蚀等离子体的模型,但大多数模型描述的物理过程不全面,或侧重于对材料的烧蚀,或侧重于对等离子体羽辉的描述。而利用激光烧蚀等离子体模型针对托卡马克高Z壁材料的研究相对较少。尤其是在大型聚变装置上,激光烧蚀等离子体的模型主要集中在高能激光打靶惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion,ICF)的相关领域,与LIBS相关的激光烧蚀第一壁高Z材料的等离子体动力学及发射光谱的数值模拟研究工作极为匮乏。因此,本文针对EAST第一壁诊断的重要需求,通过建立合理的理论数值模型,为激光烧蚀托卡马克壁材料过程中等离子体动力学以及发射光谱提供详细参数,从而更深入地理解激光与高Z材料相互作用的物理机理。具体研究内容如下:第二章,建立了真空条件下纳秒脉冲激光烧蚀托卡马克高Z壁材料的一维流体动力学以及发射光谱模型。该模型综合考虑了激光烧蚀靶材的相变、等离子体羽辉的动力学演化、等离子体局域热平衡(LTE)、等离子体屏蔽效应以及等离子体发射光谱等物理过程,利用有限差分法、流体力学的黎曼解法和牛顿迭代法等数值算法,使用C++语言进行了编程。第三章,利用所建立的单脉冲模型,进行了激光烧蚀托卡马克高Z壁材料钼(Mo)和钨(W)等离子体动力学以及发射光谱的数值模拟。首先,计算了激光烧蚀Mo等离子体屏蔽效应随激光功率密度的变化规律、Mo等离子体羽辉的主要参数(粒子数密度、速度和温度)、Mo原子谱线的时间演化,并与实验数据进行了比较分析。然后,研究了激光烧蚀W等离子体温度与W等离子体轫致辐射强度的关系、W原子谱线和一价离子谱线的时间演化以及W等离子体轫致辐射的时间演化,并与实验数据进行了比较分析。最后,将不同功率密度下W等离子体与Mo等离子体的密度、温度以及速度进行了对比。第四章,在单脉冲模型的基础上,建立了真空条件下双脉冲激光烧蚀托卡马克高Z壁材料的一维流体动力学以及发射光谱模型。考虑了两个脉宽同为纳秒量级的高斯型的脉冲激光,对于连续脉冲(双脉冲间隔小于激光脉宽)的情况,边界条件与单脉冲模型相同;而对于非连续脉冲(双脉冲间隔大于激光脉宽)的情况,需要将Knudsen层作为边界条件。针对双脉冲的不同时间间隔,以及不同的激光功率密度,讨论了第二束脉冲激光能量在等离子体与靶材中的耦合过程。对于非连续和连续的双脉冲烧蚀托卡马克高Z壁材料模型,均考虑了等离子体中冲击波的形成,利用守恒型差分格式,流体力学的黎曼解法,捕捉两个等离子体相互作用过程中形成的冲击波。第五章,利用所建立的双脉冲模型,进行了双脉冲间隔分别为50ns和100ns情况下激光烧蚀EAST壁材料Mo和W等离子体动力学以及发射光谱的数值模拟。首先,计算了双脉冲条件下W等离子体的参数(粒子数密度、速度和温度)、W等离子体屏蔽效应、W等离子体发射光谱。然后,计算了双脉冲和单脉冲情况下Mo等离子体动力学对比、双脉冲情况下W等离子体与Mo等离子体的动力学对比以及不同功率密度对应Mo等离子体动力学演化。第六章,总结全文并对将来LIBS数值模拟研究工作进行了展望。