托卡马克高Z壁材料超短脉冲激光诱导击穿光谱及激光烧蚀特性研究

发布时间：2020-05-13 07:31

【摘要】：在托卡马克装置运行中,面向等离子体第一壁(thefirstwall)受到来自芯部等离子体的稳态/瞬态热流与粒子流的轰击,不可避免地发生等离子体与壁相互作用(Plasma Wall Interaction,PWI)。一方面,PWI过程中会发生一系列物理与化学反应,导致燃料滞留、器壁侵蚀、杂质生成等诸多问题,从而直接影响器壁的寿命并引发安全问题。另一方面,PWI过程产生的杂质或尘埃等通过辐射能量降低等离子体加热效率同时也稀释燃料粒子数密度,使等离子体约束品质变坏,对等离子体的高参数长脉冲(稳态)运行产生负面影响。因此,理清PWI物理过程并施以有效控制是托卡马克核聚变获得成功的关键问题。激光诱导击穿光谱(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy,LIBS)技术被公认为一种最有价值的可在托卡马克运行过程中开展的壁诊断手段。LIBS诊断第一壁表面元素分布对理解PWI过程,揭示PWI机理具有重要意义。针对上述问题,本论文在实验先进超导托卡马克装置EAST(Experimental Advanced SuperconductingTokamak,EAST)上,成功建立了远程、原位激光诱导击穿光谱(Remote In Situ Laser-Induced Breakdown Spectroscopy,RISLIBS)第一壁诊断系统,在线研究了EAST上PWI过程中,第一壁燃料滞留,杂质沉积以及壁处理等关键问题。提出采用超短皮秒(ps)和飞秒(fs)脉冲激光诱导击穿光谱(ps-LIBS和fs-LIBS)可进一步大幅改善LIBS壁诊断的深度(表面法线方向)分辨能力并降低激光烧蚀对壁的损伤的研究思路。系统深入研究了 ps和fs脉冲激光对高Z钼壁及钨壁的烧蚀特性,确定ps-LIBS诊断高Z壁材料的最佳能量密度范围,主要研究内容如下:第二章依据激光诱导等离子体辐射光的偏振特性,提出并发展了偏振分辨激光诱导击穿光谱压制LIBS连续光谱辐射背景,提高信号背景比达8倍以上。针对LIBS壁诊断多元素同时分析的目标,在模拟EAST工作的高真空环境下,研究了 EAST偏滤器石墨瓦以及高Z金属钨壁、钼壁的纳秒激光诱导击穿光谱(ns-LIBS)时空动力学演化特性,获得了针对不同壁元素的LIBS实验优化参数,为在EAST上LIBS诊断系统的优化提供依据。以这些研究为基础,在EAST的H窗口成功建立了国际首套远程、原位激光诱导击穿光谱第一壁诊断系统。该系统具有远程遥控操控能力、可工作在EAST主等离子体放电炮中及炮间,具有采集速度快、全谱采样等优点、已成为EAST装置的重要壁诊断手段。第三章,针对未来聚变对壁诊断技术需满足近无损(小于ng/pulse),高深度(表面法线方向)分辨率和高灵敏度的目标。发展了皮秒激光诱导击穿光谱(picosecond Laser-Induced Breakdown Spectroscopy,ps-LIBS)方法。在模拟 EAST 高真空环境下,研究了皮秒激光烧蚀高Z壁材料的物理特性。发现皮秒激光烧蚀高Z壁材料随着激光能量密度增加,呈现三个典型烧蚀区。在第一烧蚀区(归属为光学烧蚀区),随着激光能量密度增加,ps-LIBS元素特征光谱强度的增加比率大,该烧蚀区被推荐为ps-LIBS高Z壁诊断的优选参数区。此外,实验测定了高Z钨壁的ps-LIBS形成阈值能量密度为0.3 ±0.1J/cm2,在壁损伤(激光烧蚀质量)3ng/pulse,深度分辨率10nm/pulse条件下,获得了钨壁的LIBS信号。上述结果为未来发展ps-LIBS高深度分辨、近无损伤、在线诊断EAST的PWI过程提供重要数据支撑。第四章,为进一步提升LIBS壁诊断的深度分辨本领,探索了飞秒激光对高Z壁材料的烧蚀特性。在高真空环境下,首次观察到6 fs激光(中心波长790 nm)烧蚀高Z钼壁呈现出五个典型烧蚀区。研究分析烧蚀率与激光能量密度关系,烧蚀坑形貌,激光能量穿透深度等特性,提出第一烧蚀区(光学烧蚀区)和第二烧蚀区(热电子烧蚀区)是fs-LIBS壁诊断的优选工作区;第三烧蚀区(类热烧蚀区)热效应明显,在烧蚀坑内部观察到明显的液体再凝固粒子;第四烧蚀区(类相爆炸烧蚀区)热效应更为显著,在烧蚀坑内部区域观察到微米量级的液体再凝固粒子;第五烧蚀区(宏观空爆炸烧蚀区)激光烧蚀率弱相关于入射激光能量密度,烧蚀坑直径2-3倍大于激光照射到靶材的光斑直径,激光烧蚀从一维Z方向深度烧蚀转变为三维XYZ方向宏观空爆炸烧蚀。第三到第五烧蚀区具有较强的壁损伤效应与热效应,不适合LIBS壁诊断应用。在高真空条件下,使用6fs脉冲激光,在完全避免激光烧蚀等离子体屏蔽效应的条件下,实验研究了多脉冲飞秒激光烧蚀钼材料表面反射率(吸收率)的变化特性。发现靶材表面反射率随着脉冲烧蚀次数而改变,进而影响激光烧蚀质量移除及LIBS定量分析,表明靶材反射率改变必须纳入LIBS定量分析校准方案中。第五章针对本论文取得的主要成果进行总结,对后续研究工作开展进行了展望。
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世界能源

如水能、风能、太阳能、潮汐能、地热能等可再生清洁能源已被开发使用，但这些能源逡逑易受自然环境条件和季节的制约，只能在一定条件下开发使用，同时远距离传输效率低、逡逑大面积推广成本高。如图１．１所示为当前世界能源结构，在过去的２５年中，化石类能源逡逑仍为全球主要消耗能源，石油依然是全球最大的单一消耗能源，占总能源消费的三分之逡逑一，而可再生能源，水电能的消费只占人类总能源消耗的一小部分［２】。这就需要开发更逡逑为高效的能源以改变现有的能源结构。逡逑核能的应用是２０世纪人类最伟大的科技成就之一，核能具有发电量大、清洁、高逡逑效、无污染、资源消耗小、供应能力强、无温室气体排放且不易受自然环境条件限制等逡逑优点。当前核能的利用是通过重质元素核裂变实现的，据估计，ｌｋｇ核裂变燃料２３５Ｕ全逡逑部裂变后释放出的能量相当于５０００吨标准煤完全燃烧所释放出的能量。根据国际原子逡逑能机构（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ邋Ａｔｏｍｉｃ邋Ｅｎｅｒｇｙ邋Ａｇｅｎｃｙ，ＩＡＥＡ）邋２０１８邋年邋２邋月公布的数据，全球的逡逑４５１个核电站，分布在３０个国家，，年发电总量２，４７８ＴＷｈ，其中中国拥有３６个核电站，逡逑年发电量１９８ＴＷｈ，核能占中国能源消耗的３．６％［３］。然而，核裂变能不可避免的缺点是逡逑－１邋－逡逑

聚变反应,反应截面,核聚变反应,核反应截面

逡逑其核反应截面如图１．２所示。逡逑１０邋２７逡逑１0？逦°邋／逦／＼邋Ｉ逡逑／邋ｄａ＾＼逡逑！：邋ｍ逡逑…／／／：／逡逑１．逦２．逦５．逦１０．邋２０．逦５０．邋１００．２００．逦５００．１０００．逡逑Ｃｅｎｔｅｒ邋ｏｆ邋Ｍａｓｓ邋Ｅｎｅｒｇｙ邋ｋｅＶ＞逡逑图１．邋２几种聚变反应的反应截面［１２］逡逑Ｆｉｇ．１．２邋Ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎ邋ｆｏｒ邋ｓｅｖｅｒａｌ邋ｆｕｓｉｏｎ邋ｒｅａｃｔｉｏｎｓ１＇２１．逡逑聚变反应需要维持上亿度的高温提高核燃料的动能，增加核燃料碰撞反应截面。通逡逑常，获得聚变反应必须满足聚变三重积：等离子体温度、密度和约束时间要满足：逡逑７邋■邋ｎ邋？邋ｒ邋＞邋１０２１邋ｋｅＶ－ｓ／ｍ３逦（１．５）逡逑聚变才可以维持自持燃烧。以Ｄ－Ｔ聚变为例，根据图１．２给出的最大核反应截面对应的逡逑温度，估算Ｄ－Ｔ聚变在聚变过程中等离子体密度与约束时间的乘积要满足劳森判据逡逑（Ｌａｗｓｏｎ邋ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ）邋：邋ｎ邋？邋Ｔ邋２邋１０２Ｑ邋ｓ／ｍ３，聚变才能自持燃烧。此外，相比核裂变，核聚逡逑变具有以下优点：（１）相同质量的反应物质，聚变释放能量高。以地球上最容易实现的逡逑Ｄ－Ｔ核聚变反应为例（图１．３）邋（Ｄ邋＋邋Ｔ）邋—邋４Ｈｅ（３．５ＭｅＶ）邋＋邋ｎ（］４．１ＭｅＶ），单位质量的逡逑Ｄ－Ｔ核聚变反应所释放的能量为１７．６邋ＭｅＶ
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TL631.24

【参考文献】