磁约束核聚变装置等离子体与壁相互作用研究简述
发布时间：2021-10-02 00:28
可控聚变能具有安全、清洁、燃料丰富等优点,是解决人类未来能源问题的主要选择之一.在磁约束核聚变装置中,来自高温等离子体的强热流、强粒子流与直接面对等离子体的器壁之间产生的强烈相互作用,不仅会导致第一壁损伤,产生杂质,污染等离子体,引起等离子体能量辐射损失与等离子体约束性能降低,同时滞留在壁上的燃料粒子再循环直接影响等离子体密度控制.稳态控制等离子体与壁相互作用对于实现长脉冲高参数的等离子体至关重要,其主要研究内容包括面对等离子体壁材料的选择及其表面处理以控制燃料粒子再循环与杂质产生,控制来自等离子体的强粒子流和热流以减少壁材料损伤,以及发展高效冷却结构以快速移除沉积在壁上的高热负载等.经过数十年发展,特别在我国EAST超导托卡马克上,研究了石墨、钨、铍、钼等壁材料与结构,发展了壁表面清洗与涂覆改性技术,提出了多种控制等离子体热流的先进方法,初步开展了流动液态金属壁的研究,取得了重要进展,有效控制等离子体与壁相互作用,促进了长脉冲高参数等离子体的实现与性能提高.针对具有更高热负荷、更长脉冲以及高能量中子辐照等特点的长时间不间断运行的未来聚变堆,等离子体与壁相互作用稳态控制仍然面临严峻挑战...
【文章来源】：中国科学技术大学学报. 2020,50(09)北大核心CSCD
【文章页数】：25 页
【部分图文】：
EAST新杂质注入设备及硼粉注入控制ELM控制的效果
随着托卡马克磁约束聚变装置的不断升级,等离子体与第一壁材料的相互作用逐渐变强,尤其在未来聚变堆装置中,第一壁材料将长时间直接面对等离子体,承受高热负荷冲击、等离子体辐照以及14 MeV中子辐照,如图1所示.由此引起壁材料的损伤及腐蚀加剧,严重影响聚变装置的运行安全,第一壁材料是制约受控聚变发展的“瓶颈”之一[3-4].在第一壁材料选择方面,主要考虑以下几个方面:①杂质的产生,避免冷却及稀释等离子体,需要优先考虑低物理或化学溅射及低Z轫致辐射的材料.②等离子体沉积热量的移除,避免温度积累,减少材料腐蚀,需要优先考虑热性能好、熔点温度高的材料.③氚滞留及再循环,这与等离子体密度控制、氚自持燃烧、未来聚变堆发电的经济性密切相关.另外,氚具有放射性,其通过同位素交换损伤有机物,通过衰变释放的β粒子引起的材料化学键的断裂等,直接影响未来聚变堆装置及人员的安全.④材料腐蚀、灰尘产生、中子辐照损伤等影响第一壁寿命与等离子体性能.D-T聚变反应产生的高能中子及伽马射线也将对有机材料产生损伤及引起金属材料的活化.
金属钨(W)材料具有高熔点、高热导、低热膨胀系数、低溅射率,以及低燃料粒子滞留量等优异性能,被认为是未来聚变装置中最有前景的面对等离子体材料(PFM),ITER已经确定纯钨作为偏滤器材料.图2展示了各大装置中钨第一壁的结构或模型件.目前,EAST已通过升级改造,实现了ITER-like结构的上钨偏滤器,取得了丰硕的实验成果,包括创世界纪录的百秒高约束模(H-mode)等离子体、电子温度达到一亿摄氏度的高温等离子体等具有里程碑意义的创新成果,其下偏滤器也将于近年升级为钨偏滤器,拟实现全金属壁运行,为未来ITER运行提供坚实的物理支持.德国的ASDEX-Upgrade(AUG)[16-17] 和欧盟的JET[18]装置也实现了全钨壁或钨偏滤器的运行.JET实验表明,实验后钨偏滤器主体没发现明显的损伤,在ITER类似热负载下,钨表面的腐蚀深度低于2 μm.同时,钨壁下灰尘的生成量比碳壁下低两个量级,燃料粒子氘滞留降低20倍.2016年,DIII-D装置在下偏滤器的不同极向位置沿环向安装了两道同位素组分不同钨环,用以研究钨杂质的输运和迁移的相关物理[19-20].法国的WEST装置目前已经完成了ITER-like下钨偏滤器面对等离子体单元的测试与实验;下一步将完成全W/Cu monoblock结构升级,主要测试具有ITER类似的热负载及长脉冲等离子体放电条件下的W/Cu monoblock工作状况,以支持ITER钨壁的战略目标[21].但是,钨材料也存在明显的缺点:钨作为PFM不可避免地受到来自等离子体高粒子流和热流的轰击,引起氘滞留、表面起泡、熔化再结晶、强度和韧性降低、抗热冲击能力降低等.另外,钨作为高Z金属,等离子体对其容忍的含量很低(<50 ppm)、产生的重杂质易在等离子体芯部聚集,不仅会导致等离子体能量的损失,还易引起等离子体不稳定,甚至破裂[22].另外,在未来聚变堆高能中子辐照时,钨会产生铼(Re)、钽(Ta)、锇(Os)等嬗变元素,同时发生辐照肿胀、韧脆转变温度(DBTT)升高,辐照诱导偏析(RIS)等效应.这些都严重影响钨材料在未来聚变堆中的应用.为提高钨基材料的服役(力学性能及抗热冲击)性能,国内外科研院所通过添加纳米氧化物颗粒(La2O3,Y2O3),碳化物颗粒(TiC,ZrC),以及添加W纤维增强/韧的W复合材料,有效提高了W材料的断裂韧性和热冲击性能[23-28].另外,通过合金化,如添加Re元素,能有效提高W材料的抗中子辐照性能.
【参考文献】：
期刊论文
[1]EAST锂化系统的优化及其对等离子体性能的影响[J]. 徐伟,孙震,左桂忠,孟献才,黄明,钱玉忠,胡建生. 真空科学与技术学报. 2018(04)
[2]机械合金化制备TiC/W纳米晶复合粉体的烧结特性[J]. 陈勇,吴玉程,于福文,陈俊凌. 机械工程材料. 2007(07)
[3]HL-1M装置内壁锂化实验进展[J]. 王明旭,张年满,王志文,王恩耀,严东海,崔成河,梁雁. 真空与低温. 2001(01)
本文编号：3417640
【文章来源】：中国科学技术大学学报. 2020,50(09)北大核心CSCD
【文章页数】：25 页
【部分图文】：
EAST新杂质注入设备及硼粉注入控制ELM控制的效果
随着托卡马克磁约束聚变装置的不断升级,等离子体与第一壁材料的相互作用逐渐变强,尤其在未来聚变堆装置中,第一壁材料将长时间直接面对等离子体,承受高热负荷冲击、等离子体辐照以及14 MeV中子辐照,如图1所示.由此引起壁材料的损伤及腐蚀加剧,严重影响聚变装置的运行安全,第一壁材料是制约受控聚变发展的“瓶颈”之一[3-4].在第一壁材料选择方面,主要考虑以下几个方面:①杂质的产生,避免冷却及稀释等离子体,需要优先考虑低物理或化学溅射及低Z轫致辐射的材料.②等离子体沉积热量的移除,避免温度积累,减少材料腐蚀,需要优先考虑热性能好、熔点温度高的材料.③氚滞留及再循环,这与等离子体密度控制、氚自持燃烧、未来聚变堆发电的经济性密切相关.另外,氚具有放射性,其通过同位素交换损伤有机物,通过衰变释放的β粒子引起的材料化学键的断裂等,直接影响未来聚变堆装置及人员的安全.④材料腐蚀、灰尘产生、中子辐照损伤等影响第一壁寿命与等离子体性能.D-T聚变反应产生的高能中子及伽马射线也将对有机材料产生损伤及引起金属材料的活化.
金属钨(W)材料具有高熔点、高热导、低热膨胀系数、低溅射率,以及低燃料粒子滞留量等优异性能,被认为是未来聚变装置中最有前景的面对等离子体材料(PFM),ITER已经确定纯钨作为偏滤器材料.图2展示了各大装置中钨第一壁的结构或模型件.目前,EAST已通过升级改造,实现了ITER-like结构的上钨偏滤器,取得了丰硕的实验成果,包括创世界纪录的百秒高约束模(H-mode)等离子体、电子温度达到一亿摄氏度的高温等离子体等具有里程碑意义的创新成果,其下偏滤器也将于近年升级为钨偏滤器,拟实现全金属壁运行,为未来ITER运行提供坚实的物理支持.德国的ASDEX-Upgrade(AUG)[16-17] 和欧盟的JET[18]装置也实现了全钨壁或钨偏滤器的运行.JET实验表明,实验后钨偏滤器主体没发现明显的损伤,在ITER类似热负载下,钨表面的腐蚀深度低于2 μm.同时,钨壁下灰尘的生成量比碳壁下低两个量级,燃料粒子氘滞留降低20倍.2016年,DIII-D装置在下偏滤器的不同极向位置沿环向安装了两道同位素组分不同钨环,用以研究钨杂质的输运和迁移的相关物理[19-20].法国的WEST装置目前已经完成了ITER-like下钨偏滤器面对等离子体单元的测试与实验;下一步将完成全W/Cu monoblock结构升级,主要测试具有ITER类似的热负载及长脉冲等离子体放电条件下的W/Cu monoblock工作状况,以支持ITER钨壁的战略目标[21].但是,钨材料也存在明显的缺点:钨作为PFM不可避免地受到来自等离子体高粒子流和热流的轰击,引起氘滞留、表面起泡、熔化再结晶、强度和韧性降低、抗热冲击能力降低等.另外,钨作为高Z金属,等离子体对其容忍的含量很低(<50 ppm)、产生的重杂质易在等离子体芯部聚集,不仅会导致等离子体能量的损失,还易引起等离子体不稳定,甚至破裂[22].另外,在未来聚变堆高能中子辐照时,钨会产生铼(Re)、钽(Ta)、锇(Os)等嬗变元素,同时发生辐照肿胀、韧脆转变温度(DBTT)升高,辐照诱导偏析(RIS)等效应.这些都严重影响钨材料在未来聚变堆中的应用.为提高钨基材料的服役(力学性能及抗热冲击)性能,国内外科研院所通过添加纳米氧化物颗粒(La2O3,Y2O3),碳化物颗粒(TiC,ZrC),以及添加W纤维增强/韧的W复合材料,有效提高了W材料的断裂韧性和热冲击性能[23-28].另外,通过合金化,如添加Re元素,能有效提高W材料的抗中子辐照性能.
【参考文献】：
期刊论文
[1]EAST锂化系统的优化及其对等离子体性能的影响[J]. 徐伟,孙震,左桂忠,孟献才,黄明,钱玉忠,胡建生. 真空科学与技术学报. 2018(04)
[2]机械合金化制备TiC/W纳米晶复合粉体的烧结特性[J]. 陈勇,吴玉程,于福文,陈俊凌. 机械工程材料. 2007(07)
[3]HL-1M装置内壁锂化实验进展[J]. 王明旭,张年满,王志文,王恩耀,严东海,崔成河,梁雁. 真空与低温. 2001(01)
本文编号：3417640
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