EAST钨壁条件下锂化壁处理的发展及其实验研究
发布时间：2020-07-18 11:05
【摘要】：高熔点、高热导、低滞留率的高Z金属材料钨已经被EAST及ITER装置确定作为耐高热负荷的偏滤器材料。然而,钨材料在强的等离子体与壁相互作用下,不可避免的将引入高Z钨杂质,钨杂质进入等离子体后容易在高约束等离子体芯部聚集,造成严重的杂质辐射功率损失,因此等离子体对钨杂质的容忍度很低,必须保持在10-5以内。所以,研究如何有效降低钨杂质在等离子体中的含量对EAST和未来聚变装置的高参数长脉冲放电稳定运行具有重要意义。本文深入研究了在EAST钨偏滤器下开展的三种不同类型的锂化壁处理实验。优化和发展了多种形式的锂化壁处理技术,系统地研究了在高Z金属钨壁条件下开展的锂化壁处理对高Z钨等杂质的抑制,对再循环的控制等。分析了各种形式锂化壁处理对钨杂质抑制和对再循环控制的原理,讨论了锂化壁处理的优缺点,对比了三种锂化壁处理方式的优缺点。这些研究为EAST在未来钨偏滤器条件下开展高参数长脉冲稳定放电运行中如何有效控制高Z钨杂质含量和再循环水平,解决高Z杂质聚芯问题和等离子体密度因再循环水平高导致不可控问题,加深了在钨壁条件下对高Z杂质和再循环控制的理解,对未来开展的高参数长脉冲放电稳定运行做出了贡献。优化和发展了多种形式的锂化壁处理技术,包括放电前开展的锂蒸发结合离子回旋放电涂覆的锂化壁处理技术;在放电间隙开展的炮间锂化壁处理技术;在放电中注入锂粉的实时锂化壁处理技术。随着锂化系统的不断升级改造,锂膜在EAST第一壁上的涂覆区域不断增加,现已可以覆盖95%的区域,锂膜在第一壁上的均匀性大大提高,有效提升了锂膜对杂质和再循环的控制能力,延长了锂膜的寿命。炮间锂化壁处理系统成功应用于EAST放电实验中,与等离子体兼容良好。锂粉实时注入技术有效抑制了钨杂质聚芯的问题,并有效降低了偏滤器靶板处的再循环水平,成功抑制ELMs,获得了 ELM-free放电。目前锂化壁处理技术已经成为EAST上常规壁处理技术,为EAST等离子体放电稳定运行提供了良好壁条件基础。钨偏滤器下开展的锂蒸发涂覆壁处理实验结果表明:钨壁下开展的锂化壁处理可以有效抑制高Z钨杂质源及其在等离子体芯部的含量,并且随着锂化次数的不断累积,钨杂质含量逐渐降低。同时锂化壁处理可以有效降低低Z杂质碳、氧的含量。在钨壁下的锂化壁处理同样可以有效控制边界燃料粒子再循环,有效地将氢氘比控制在l0%以内。并且,钨壁下的锂化壁处理为EAST创纪录的超百秒H-模等离子体的获得提供了良好的壁条件。钨偏滤器下开展的放电间隙锂化壁处理实验结果表明:新型设计的炮间锂化壁处理系统与等离子体放电兼容良好,不会影响等离子体放电的正常运行,同时可以实现在放电间隙开展锂化壁处理,为每一炮等离子体放电提供新鲜的锂壁条件,对未来实现长脉冲稳定运行十分重要。同时在未来该系统可以实现在放电中实时锂蒸汽注入实验,用来实时抑制等离子体中的杂质聚芯或ELMs。初步炮间锂化壁处理实验结果表明,炮间锂化壁处理可以有效降低等离子体中杂质含量、再循环水平,提高低杂波加热效率等。钨偏滤器下开展的放电中实时锂粉注入实验结果表明:锂粉实时注入可以有效降低L-/H-模等离子体中钨杂质源的含量,抑制钨杂质在等离子体芯部聚集。锂粉实时注入与长脉冲H-模等离子体运行兼容良好,可以有效抑制钨杂质含量。钨杂质的抑制主要与锂粉注入降低钨偏滤器靶板附近的电子温度有关,通过降低电子温度,进而降低钨材料的溅射产额,最终抑制其向芯部的聚集。锂粉的连续注入还会形成一种类似锂化镀膜壁处理的效果。此外,锂粉实时注入可以有效抑制钨偏滤器处的再循环水平,主要在上钨偏滤器处效果最好,表明锂粉注入后成功随磁力线达到了钨偏滤器主打击点位置。最后,锂粉在钨壁条件下注入成功抑制ELMs,获得了 ELM-free放电,拓宽了之前在石墨壁上实现的ELM-free放电的运行空间,并且H98约束因子提高了 50%,维持在1.2左右。通过以上在钨壁条件下开展的锂化壁处理实验研究,我们发现锂化壁处理可以有效降低高Z钨杂质源的含量,抑制其在等离子体芯部聚集,同时可以有效降低低Z杂质含量,控制再循环和氢氘比,为在钨壁材料下的长脉冲放电稳定运行提供了良好的壁条件基础,同时也为未来聚变装置在钨壁材料下的运行奠定了实验经验的积累,尤其是对高Z钨杂质的控制具有十分重要的参考价值。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TL631.24
【图文】：
逡逑图１．１氖（Ｄ）－氖（Ｔ）反应示意图及ｎｘＴｔ＾邋Ｔ的关系逡逑１．２托卡马克逡逑核聚变反应中等离子体的温度极高，当带电粒子的动能达到１０邋ｋｅＶ时，相逡逑当于１亿摄氏度，目前世界上还没有一种材料能够承受的如此高的温度，因此逡逑需要采用特殊的办法约束高温等离子体。目前己知的约束方法主要包括引力约逡逑束、惯性约束和磁约束。太阳及其它恒星等星体是靠引力约束等离子体实现核逡逑聚变。而在实验室中则是通过人工的方法约束等离子体，主要有惯性约束（Ｉｎｅｒｔｉａｌ逡逑Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ邋Ｆｕｓｉｏｎ）和磁约束（Ｍａｇｎｅｔｉｃ邋Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ邋Ｆｕｓｉｏｎ）两种方式。惯性约束逡逑是指利用强激光束、电子束或离子束从四周同时照射到一个尺寸极小的氘氚燃逡逑料靶丸上，使靶弹丸在极短的时间内达到极高温高密度的状态，利用等离子体逡逑的惯性还来不及飞散之前产生足够多的聚合反应从而达到劳逊判据［６］。磁约束逡逑是指利用磁场将高温等离子体约束在一定区域内，使之达到劳逊判据，从而发逡逑生聚变反应。目前国际上的磁约束装置主要分为反场箍缩、仿星器、磁镜和托逡逑卡马克，从目前运行状态来看托卡马克是最有可能实现聚变点火的装置［７］。逡逑托卡马克（Ｔｏｋａｍａｋ）取名来自于俄语中的ｔｏｒｏｉｄａｌｎａｙａ（环形）、ｋａｍｅｒａ（真空室）、逡逑ｍａｇｎｉｔｎｙｍｉ（磁场）和ｋｏｔｕｓｈｋａｍｉ（线圈），即“带有磁场线圈的环形真空容器”。托卡逡逑马克是由苏联科学家阿齐莫维奇等人于二十世纪五十年代在莫斯科的库尔恰托逡逑夫研究所最早发明的。图１．２所示为典型的托卡马克磁场线圈示意图
逡逑图１．邋３邋Ｌ－模及Ｈ－模压强分布及边界输运垒崩塌示意图逡逑１．３等离子体与壁相互作用逡逑１．３．１等离子体与壁相互作用简述逡逑托卡马克中等离子体具有极高温度，因此需要采取必要的措施将其与真空室逡逑壁隔开，因此在托卡马克中对应着两种磁场位形：限制器位形和偏滤器位形［２１］。逡逑限制器是用一个突出的固体材料接触到等离子体，从而闭合磁面被打破，限制逡逑器与等离子体的接触面形成最后闭合磁面，如图１．４左侧所示。限制器位形下，逡逑等离子体与限制器没有完全隔离，反而直接接触。偏滤器位形是利用偏滤器线逡逑圈电流产生一个极向磁场，从而破坏封闭的闭合磁面，在偏滤器区域形成一个逡逑极向磁场为零的Ｘ点，穿过Ｘ点的磁面就是最后闭合磁面，如图１．４右侧所示。逡逑偏滤器位形下
互作用的过程十分复杂，主要由等离子体密度、温度、粒子流和功率流等确定，逡逑并在限制器和偏滤器区域作用最强，当然在遇到破裂放电时，第一壁上的作用逡逑也十分强烈。图１．５展示了在偏滤器位形下，等离子体与第一壁相互作用示意图，逡逑包含了多种机制，主要有：背散射［２２］、植入、吸附与解吸［２３］、沉积与共沉逡逑积、物理溅射［２４］、化学溅射［２５］、辐射增强升华［２６］及非正常放电造成的腐逡逑蚀，等等。由此可见，等离子体与壁相互作用十分复杂，其基本过程可以分为逡逑两方面。一方面是来自等离子体的粒子流和热流对第一壁的轰击，造成第一壁逡逑材料损伤：如溅射、起泡等，缩短第一壁材料使用寿命。另一方面是第一壁与逡逑等离子体相互作用后释放出的各种粒子（吸附的燃料气体、杂质气体和壁材料逡逑本身粒子），这些粒子进入等离子体后对等离子体性能造成影响，特别是杂质进逡逑入等离子体后，会污染等离子体，同时杂质的存在会辐射大量能量，冷却等离逡逑子体。因此等离子体与壁相互作用的研究具有十分重要的意义，是磁约束聚变逡逑研究的一个重要分支［２７］。逡逑第艰逡逑（ＳＯＵ逡逑一r溃保簧仙馈ⅲ掊义仙稿澹危澹龋剩炱藉义贤饬彦甯盅
本文编号：2760807
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TL631.24
【图文】：
逡逑图１．１氖（Ｄ）－氖（Ｔ）反应示意图及ｎｘＴｔ＾邋Ｔ的关系逡逑１．２托卡马克逡逑核聚变反应中等离子体的温度极高，当带电粒子的动能达到１０邋ｋｅＶ时，相逡逑当于１亿摄氏度，目前世界上还没有一种材料能够承受的如此高的温度，因此逡逑需要采用特殊的办法约束高温等离子体。目前己知的约束方法主要包括引力约逡逑束、惯性约束和磁约束。太阳及其它恒星等星体是靠引力约束等离子体实现核逡逑聚变。而在实验室中则是通过人工的方法约束等离子体，主要有惯性约束（Ｉｎｅｒｔｉａｌ逡逑Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ邋Ｆｕｓｉｏｎ）和磁约束（Ｍａｇｎｅｔｉｃ邋Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ邋Ｆｕｓｉｏｎ）两种方式。惯性约束逡逑是指利用强激光束、电子束或离子束从四周同时照射到一个尺寸极小的氘氚燃逡逑料靶丸上，使靶弹丸在极短的时间内达到极高温高密度的状态，利用等离子体逡逑的惯性还来不及飞散之前产生足够多的聚合反应从而达到劳逊判据［６］。磁约束逡逑是指利用磁场将高温等离子体约束在一定区域内，使之达到劳逊判据，从而发逡逑生聚变反应。目前国际上的磁约束装置主要分为反场箍缩、仿星器、磁镜和托逡逑卡马克，从目前运行状态来看托卡马克是最有可能实现聚变点火的装置［７］。逡逑托卡马克（Ｔｏｋａｍａｋ）取名来自于俄语中的ｔｏｒｏｉｄａｌｎａｙａ（环形）、ｋａｍｅｒａ（真空室）、逡逑ｍａｇｎｉｔｎｙｍｉ（磁场）和ｋｏｔｕｓｈｋａｍｉ（线圈），即“带有磁场线圈的环形真空容器”。托卡逡逑马克是由苏联科学家阿齐莫维奇等人于二十世纪五十年代在莫斯科的库尔恰托逡逑夫研究所最早发明的。图１．２所示为典型的托卡马克磁场线圈示意图
逡逑图１．邋３邋Ｌ－模及Ｈ－模压强分布及边界输运垒崩塌示意图逡逑１．３等离子体与壁相互作用逡逑１．３．１等离子体与壁相互作用简述逡逑托卡马克中等离子体具有极高温度，因此需要采取必要的措施将其与真空室逡逑壁隔开，因此在托卡马克中对应着两种磁场位形：限制器位形和偏滤器位形［２１］。逡逑限制器是用一个突出的固体材料接触到等离子体，从而闭合磁面被打破，限制逡逑器与等离子体的接触面形成最后闭合磁面，如图１．４左侧所示。限制器位形下，逡逑等离子体与限制器没有完全隔离，反而直接接触。偏滤器位形是利用偏滤器线逡逑圈电流产生一个极向磁场，从而破坏封闭的闭合磁面，在偏滤器区域形成一个逡逑极向磁场为零的Ｘ点，穿过Ｘ点的磁面就是最后闭合磁面，如图１．４右侧所示。逡逑偏滤器位形下
互作用的过程十分复杂，主要由等离子体密度、温度、粒子流和功率流等确定，逡逑并在限制器和偏滤器区域作用最强，当然在遇到破裂放电时，第一壁上的作用逡逑也十分强烈。图１．５展示了在偏滤器位形下，等离子体与第一壁相互作用示意图，逡逑包含了多种机制，主要有：背散射［２２］、植入、吸附与解吸［２３］、沉积与共沉逡逑积、物理溅射［２４］、化学溅射［２５］、辐射增强升华［２６］及非正常放电造成的腐逡逑蚀，等等。由此可见，等离子体与壁相互作用十分复杂，其基本过程可以分为逡逑两方面。一方面是来自等离子体的粒子流和热流对第一壁的轰击，造成第一壁逡逑材料损伤：如溅射、起泡等，缩短第一壁材料使用寿命。另一方面是第一壁与逡逑等离子体相互作用后释放出的各种粒子（吸附的燃料气体、杂质气体和壁材料逡逑本身粒子），这些粒子进入等离子体后对等离子体性能造成影响，特别是杂质进逡逑入等离子体后，会污染等离子体，同时杂质的存在会辐射大量能量，冷却等离逡逑子体。因此等离子体与壁相互作用的研究具有十分重要的意义，是磁约束聚变逡逑研究的一个重要分支［２７］。逡逑第艰逡逑（ＳＯＵ逡逑一r溃保簧仙馈ⅲ掊义仙稿澹危澹龋剩炱藉义贤饬彦甯盅
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