磁约束核聚变托卡马克等离子体与壁相互作用研究进展 - 副本(2)

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10~20MW/m和10~10/m!s的热和<100eV的低能离子流;

ITER第一壁(除偏滤器以外的PFC部分)

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所承受的来自SOL区域的电荷交换(CX)中性粒子的通量和能量分别估计为10/m!s量级和100~500eV;从芯部等离子体中逃逸的高能CX中性原子撞击到第一壁上,这些粒子的通量和能量达到10/m!s和10keV

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的数量级。虽然这些中性原子的通量远远低于偏滤器离子流,但是仍然可以引起第一壁材料的溅射和损伤。同时,由于边界局域模和湍流的作用以及其它不稳定性因素(如垂直位移和破裂等),会把更强的瞬态能流和粒子流经由SOL投向PFM(如破裂时GW/m量级的毫秒长能流)

[13]

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,而

。这些稳态和瞬态的高热负荷和强粒子流轰击以

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电子与处于激发态的杂质原子、离子的碰撞电离数据也

。W作为极有潜力的候选壁材料,其中性

原子及1~6价电离的能级和光谱数据有比较详细的研究,27~73价W离子的能级和光谱数据,结合实验和理论计算也有比较详细的研究,但是从7~26价的W离子,没有相关的能级及光谱数据存在,尚为空白

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及之后的H/He的扩散和滞留,加上中子(10/m!s)辐照效应,不仅损伤PFM、缩短其使用寿命和带来装置安全问题,而且产生杂质和灰尘进入边界甚至芯部等离子体,降低了等离子体品质并增加了等离子体稳定控制的难度

[14]

。

。

在以上辐照效应中,偏滤器部分PFM受到的影响最大,巨大的H/He通量不仅溅射刻蚀表面原子,而且大量进入基体的H/He对结构也产生重大影响。例如,对于W材料,使其发生了捕获聚集、长大起泡甚至形成表面纳米丝状结构

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经常用于等离子体边界冷却的中Z惰性气体元素的各电离态光谱及能级数据状况也不乐观。比如Ar,其中性原子和1,

2价离子的数据比较全面,但是更高一些电

离态的数据显得相当零碎。

SOL层流涉及边界输运、杂质输运与屏蔽以及PFM刻蚀等一系列问题。对其行为及其驱动机制的理论和模拟研究将有助于分析ITER等装置中等离子体参量如粒子和能流在第一壁和内外偏滤器区域的分布,了解杂质在SOL区的流动与沉积(材料迁徙过程),以及控制芯部等离子体的杂质水平。目前,已经提出了一些驱动SOL层流的机制,但是还无法定量模拟实验中所观测到的强大边界粒子流

[10-11]

,降低了PFM表面热导率,

增大了表面熔化蒸发的可能性。对于第一壁,CX中性原子轰击对壁造成一定损伤并产生溅射杂质,且由于第一壁离芯部更近,可能造成芯部污染。瞬态强流主要造成表面熔化蒸发,产生杂质和灰尘

[14]

。而中子辐照是

一种累积效应,在PFM中造成损伤缺陷。对于ITER运行前期和EAST装置而言,中子辐照效应极低,可以忽略不计。另外,由于具有较大的质量和多重电离带来的鞘层加速倍增效应,导致等离子体中的杂质粒子造成比H更严重的PFM损伤和后果。

国际上对等离子体辐照效应的实验研究主要集中在实验室以中低束流(<10/m!s)中高能( 100eV)离

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。另外,国际上对于与上述大型边界等

离子体模拟衔接,以其等离子体分布计算结果为背景环境的SOL/PFM局域溅射刻蚀、离化输运和再沉积过程的模拟研究也已经结合实验开展多年,并取得了一定进展,如应用开发中的EDDY和ERO程序。这些模拟研究充分考虑到了燃料、灰分、杂质在PFM表面和SOL等离子体中的复杂的物理化学和分子原子过程,如吸附扩散、物理溅射、化学刻蚀、脱附释放、分解离化、SOL输运等,成功地解释了一些托卡马克实验现象

[12]

子束,或高束流(>10/m!s)低能(<100eV)等离子

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体束照射PFM

[17-23]

,尤多以后者来模拟ITER的偏滤器

等离子体环境。到目前为止,实验研究尚不能清楚解释在入射离子能量不足以在材料中直接产生缺陷的条件下,W中新缺陷的产生和演变过程,比如氘粒子入射能量小于209eV时。该过程很难在实验中直接观察,。

(2)等离子体辐照下表面损伤和结构效应 来自芯部等

的方法。国际上这方面的工作尚处于起步阶段。(3)杂质与灰尘 杂质来源于受到等离子体辐照的表面及浅层范围内,热脱附、溅射刻蚀、熔化蒸发等过程都是产生杂质的可能原因

[24-25]

技术。目前实时硼化主要有2类方法:放电时充入硼烷和利用等离子体轰击固态含硼材料。日本在CHS和LHD装置上研究了不同位置充硼烷气体对杂质、氢循环的影响的研究

[40]

[40]

。托卡马克等离子体中的。含硼石墨在聚变装置中的表现也被广泛

杂质和灰尘,尤其是高Z元素杂质或灰尘,将造成强烈的辐射能量损失,降低芯部等离子体的温度,增加等离子体稳定控制的难度

[26-29]

,但石墨由于其强烈的化学溅射和氚滞留已

被认为不适合作为未来聚变材料。美国GA公司最近提出硼钨混合材料的概念并进行了试制,近期将在DIII D装置上进行测试工作

[41]

。灰尘是大颗粒的杂质,由

杂质原子聚集,熔化液滴,及杂质输运、再沉积、剥落等过程产生。虽然在现有的装置中因为量小而没有引起关注,但是灰尘滞留已经被认为是与ITER装置安全和运行直接相关的问题,成为当前PWI研究中的一个热点。其化学活性、活化放射性和放射性氚滞留等因素带来了一系列的安全问题,如漏水和漏气事故情况下的反应爆炸和放射性灰尘污染。最近还观察到大灰尘颗粒进入芯部导致放电终止。目前,国际上对灰尘的研究工作刚刚起步,研究内容主要包括:灰尘产生的可能机理

[14]

。在壁清洗方面,国际上还有

一些新方法正处于研发阶段。例如,在离子回旋共振清洗及辉光放电清洗过程中以氮气或氨气代替氧作为工作气体除去C沉积层

[42-43]

,激光法清除沉积层

[44]

等。这

些方法只在少量装置上进行过实验,结果并不具代表性,其实际作用仍须更深入和广泛的研究。

(5)璧状态原位监测 在稳态和瞬态的高热负荷和强粒子流轰击下,PFM表面形貌、成分以及H/He滞留发生实时变化。要实现托卡马克高参数、长脉冲运行势必面临许多安全和运行的限制,需要通过对PFM的全面原位监测和控制来实现。描述等离子体和壁相互作用的新型先进诊断手段已处在实验室研究阶段,有些正被目前的托卡马克装置所验证,可作为ITER等大型装置的参考

[45]

;灰尘的监测和收集及后续分析

[32]

[30-31]

;灰尘的去

除方法;相关的模拟方法

[30]

等。

[30-32]

目前,灰尘的研究数据大部分来源于灰尘收集和对这些灰尘的分析以及相关的监测

。这些灰尘的尺

寸范围从nm到 m量级,形状非常不规则,增加了实验处理的难度。目前灰尘的监测方法有:光散射或者光湮灭,其可提供尺寸和密度信息但是不能够给出和安全相关的量化数据;静电光栅等能够提供灰尘沉积的局域测量。到目前为止,还无法从局域测量得出全局的灰尘存量,因此上述技术都还不能用作灰尘的量化监测。(4)壁调整处理 壁调整处理(WallConditioning)是优化等离子体与壁材料相互作用的重要手段之一,它可以改变第一壁材料的表面性质,降低氧及其他杂质含量,控制氢同位素滞留,对于等离子体运行有极大影响。在国际上,当前唯一全钨壁的托卡马克装置ASDEX U对一系列常规壁处理手段进行了尝试,并取得了有一定参考价值的结果。包括辉光放电清洗引起的He滞留对放电的影响、氘/氦离子回旋共振清洗的效果、硼化和 …… 此处隐藏：3639字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……