EAST放电真空室真空运行的几个关键问题的实验研究

发布时间：2020-08-15 22:06

【摘要】：聚变能是一种取之不尽的清洁能源,磁约束核聚变是其主要的研究形式,而托克马克是当前最有前景的实现方式。在托卡马克放电真空室运行的过程中,来自于第一壁的杂质会导致能量辐射并降低等离子体品质,过高的杂质浓度还会引起等离子体启动困难、等离子体破裂等严重问题,营造超高真空环境可以降低杂质对等离子体的影响。同时由于托卡马克运行要求,需要将大量未反应的具有放射性的燃料抽离真空室,考虑到经济效益与环境影响,必须将排灰气中的燃料气体分离、提纯、回收并且再次利用。本论文针对以上关键问题,在EAST超导托卡马克装置上深入开展了清除杂质、提高极限真空、分析排灰气成分的实验研究。本论文深入分析了 2015年下半年EAST物理实验前的真空处理过程。在完成装置真空预处理之后,对真空室进行了 745小时约200度烘烤,同时交替进行了 158.5小时的He辉光和52.5小时D2辉光壁处理,真空室的极限真空由壁处理前的1.1×10-4Pa提高到1.8×10-6Pa。在此期间共清除水131.6g、H231.4g,其中单独烘烤期间对水的清除量达到86.62 g,占到总清除水量的65.82%,辉光期间清除的氢气达到30.2 g,占到总清除氢的96.18%。研究还发现烘烤对H的清除效率为(7.2～94.0)×1014atom/m2.s,He辉光为(1.8～5.2)×1017atom/m2.s,D2辉光为(4.1～13.0)×1017 atom/m2.s。对壁处理的探索与总结有利于提高壁处理效率,缩短实验准备时间,并为未来超导托卡马克装置的超高真空的运行提供参考。锂化是EAST常规的壁处理方法,但在锂化壁条件下内真空室的水泄漏会引起锂涂层脱落和杂质爆发等严重问题。EAST 2016年冬季实验期间,真空室锂化壁条件下发生了一次水泄漏,通过真空快速监测及检漏,及时将泄漏的水路排水并抽真空,在水泄漏发生后5小时内完成故障处理。通过对后续的等离子体放电运行及壁处理等数据的分析发现,锂化壁条件下水泄漏后产生的主要杂质成分是氢和氧,进而导致等离子体辐射升高、密度难以维持等严重问题。7.5小时的He-ICRF放电清洗(20kW,0.05Pa)和1.5小时的锂化涂层壁处理(～15g)能够有效地恢复真空和壁条件(共清除了0.192gH2),壁处理之后真空室的杂质成分基本恢复到水泄漏之前的水平,等离子体运行也逐渐恢复正常。该研究结果为未来托克马克类似事件的处理提供了重要的参考。为了深入研究真空系统排出的燃料气体成分,用于燃料气体的回收利用,本论文介绍了一套可用于定量分析EAST托卡马克排灰气所需要的排灰气成分分析系统的设计和搭建,该系统具备流导连续可调、能够在(105-10-3 Pa)范围内正常工作。利用该系统研究了 EAST排灰气的气体成分,结果显示EAST正常等离子体的一天放电中,外置低温泵所吸附的总气体量约为1372.1Pa.m3,其中氢及其同位素占91.5%;实验还发现外置低温泵回温再生到69K时,再生气体中只有燃料气体H+D释放,而其他杂质的解吸主要发生在150K之后。因此在此基础上提出一个利用低温冷凝的方法将排灰气中燃料气体提纯并收集的初步方案。该研究结果对进一步实现燃料气体提纯和回收提供了一种简单、可行的方法。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TL631.24

【参考文献】