等离子体壁处理技术对第一壁性能的影响

摘要

聚变能是解决未来能源问题的最有希望的途径之一，而磁约束聚变是聚变能研究的重点之一。聚变研究五六十年来，人们发展了很多磁约束聚变装置，其中托卡马克被认为是最有潜力的一种装置，并在全世界范围内建立了大量的实验装置。托卡马克研究涉及的问题非常广泛，这也就要求人们的通力合作，国际热核实验堆ITER计划的确立，是磁约束聚变研究里程碑式的成就。随后，托卡马克的研究多是以ITER为目标来展开。ITER和其他DEMO堆一起，承载着未来几十年的托卡马克甚至可以说是磁约束聚变研究的重任。
　　EAST是全世界第一个全超导托卡马克装置，2006年装置建成并投入运行以来，经历了多次改造升级，也实现了很多等离子体参数的突破，是我国聚变能研究的标志之一。EAST真空室表面积约为60m2，等离子体体积约为48m3，面向等离子体材料第一壁为钼瓦，上偏滤器为钨铜材料，下偏滤器为石墨材料。EAST上采取的壁处理技术有多种，主要为烘烤、直流辉光放电清洗、离子回旋放电清洗和硅化、锂化涂层等。
　　本文主要以EAST为载体分析了这些壁处理技术对器壁条件以及等离子体性能的影响。得到的主要结论有:
　　(1)烘烤效果受烘烤温度和烘烤时间影响最大，烘烤是通过高温使吸附在壁上的杂质解吸，主要对低能键吸附的杂质和高Z的有机杂质的清除效果比较好，长时间烘烤后的真空室真空条件有所改善，但仍不能满足高性能的等离子体放电。
　　(2)放电清洗中，由于粒子能够获得很高的能量再去撞击壁面，所以对于高能键吸附的杂质也有很好的清除作用，放电清洗有助于杂质的清除、等离子体的建立，放电清洗的效果视工作气体的不同而有所差异，氢同位素的放电清洗主要是化学反应的参与使得对杂质的清除效果略好于He的放电清洗，但氢同位素本身的滞留会影响等离子体密度控制，不过D2放电清洗对氢的去除效果仍然要好于He放电清洗。两种放电清洗的效果差异也很显著。GDC的清洗更为均匀，但是GDC不能在磁场环境下实施。ICRF则需要有磁场，这种清洗有利于下一次放电的快速进行，而且ICRF放电清洗辅助涂层技术的效果要比GDC好。
　　(3)硼化、硅化、锂化涂层都能很大程度的改善杂质水平，提高等离子体密度以及改善燃料再循环。由于锂的优良特性，ITER也对锂化特别关注。锂化同时还能对破裂放电下的器壁有一定的保护作用。
　　此外破裂放电也可以作为一种强烈的壁处理措施。壁处理技术能够改善器壁条件，大大提高等离子体性能，有利于下一次等离子体放电的实现。而且对氢同位素的滞留问题的处理，还有利于解决未来氘氚实验的氚滞留导致的装置安全问题。这些研究可以为未来高参数等离子体运行降低壁杂质及减少壁滞留的方法提供参考，也对研究等离子体参数对等离子体排灰气成分分析有着参考价值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言(磁约束聚变的发展)

1．1．1 仿星器(Stellarator)

1．1．2 托卡马克(Tokamak)

1．1．3 其他磁约束聚变装置

1．2 超导托卡马克

1．2．1 EAST超导磁体系统

1．2．2 EAST真空室及偏滤器

1．2．3 加热系统

1．2．4 加料系统

1．2．5 诊断系统

1．2．6 EAST的一些主要进展

1．3 EAST真空及壁处理系统介绍

1．4 本文研究内容和意义

第二章 杂质与壁材料对等离子体性能的影响

2．1 杂质对等离子体性能的影响

2．1．1 杂质对等离子体性能的负面影响

2．1．2 杂质对等离子体性能的积极作用

2．2 不同第一壁材料对等离子体性能的影响

2．2．1 低Z材料对等离子体性能的影响

2．2．2 高Z材料对等离子体性能的影响

2．2．3 中等原子质量材料对等离子体性能的影响

2．3 本章小结

第三章 壁处理对等离子体性能的影响

3．1 烘烤

3．1．1 烘烤

3．1．2 烘烤在EAST上的应用

3．2 清洗放电

3．2．1 辉光放电清洗

3．2．2 离子回旋放电清洗

3．3 涂层

3．3．1 涂层技术

3．3．2 硼化、硅化在EAST上的应用

3．3．3 锂化在EAST上的应用

3．4 本章小结

第四章 破裂对EAST第一壁的影响

4．1 EAST排气分析的一般性介绍

4．1．1 分析方法

4．1．2 典型的壁排气

4．2 破裂放电对EAST第一壁的影响

4．2．1 破裂放电对燃料的影响

4．2．2 破裂放电对杂质的影响

4．3 本章小结

第五章 总结

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果