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)

罗斯、日本、韩国、印度和中国七方在巴黎正式签署协议,启动全超导磁约束国际热核实验堆(InternationalThermonuclearExpermientalReactor,

ITER)建设

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击以及之后的氢/氦(H/He)的扩散和滞留,加上高能聚变中子辐照,不仅损伤PFM、影响PFM的结构和性能、缩短其使用寿命和带来装置安全问题,而且产生的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。而灰尘的化学活性、活化放射性和放射性氚滞留等因素则带来了一系列的安全问题。高速灰尘对PFM尤其是诊断用第一镜的损伤也将成为一个严重问题。

ITER下属的国际托卡马克物理活动组织(ITPA)的刮削层/偏滤器(SOL/Div)工作组专门负责甄别ITER最关心的PWI问题并协调国际范围的联合攻关。2008年底,

ITER国际组和SOL/Div工作组联合提出了ITER的PWI/边界物理紧急研究计划。PWI问题直接决定了ITER的装置运行安全性、壁材料部件研发进程和未来壁的使用寿命。研究结果对未来聚变示范电站(DEMO)和商业堆的设计、制造和运行将产生重要影响。本文对PWI国内外研究情况进行了详细的总结和评述。

,项

目耗资120亿美元,将于2018年在法国Cadarache建成,预计可以产生500MW的能量。ITER计划是目前世界上仅次于国际空间站的又一项国际大科学工程项目,是人类开发洁净新能源的一次大胆尝试。这一计划将集成当今国际上受控磁约束核聚变的主要科学和技术成果,是人类受控核聚变研究走向实用的关键一步。ITER计划是中国有史以来参加的规模最大的国际科技合作项目。

在国内,中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所(以下简称等离子体所)在20世纪90年代,建成了HT-7超导托卡马克,是世界上少数几个超导装置之一。2006年,等离子体所又独立建成了世界上第一个具有非圆截面的全超导托卡马克(ExpermientalAdvancedSuperconductingTokamak,

EAST)

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,是当今

世界上最先进的磁约束热核聚变研究装置之一。目前,EAST正在开展与ITER相关的各项工程和物理研究,如长脉冲(稳态)等离子体的稳定控制、等离子体驱动和加热、偏滤器物理、先进壁材料和部件研发及其与托卡马克等离子体相互作用等。核工业西南物理研究院(以下简称西物院)是国内最早开展核聚变研究的研究单位,在高温等离子体物理研究方面取得了令人瞩目的成绩。最近其建成的HL-2A装置已经成功地进行了偏滤器位形放电并获得了高约束等离子体。目前,西物院正在全面展开对HL-2A的升级改造工作。

磁约束托卡马克是目前最有可能实现受控热核聚变的方法。磁约束聚变能的实现面临两大瓶颈问题:高参数稳态等离子体物理问题和托卡马克装置及未来反应堆关键材料问题。其中,关键材料问题的解决在很大程度上取决于我们对等离子体与壁材料相互作用(Plasma WallInteractions,PWI)过程和机理的深入理解。PWI现象主要发生在托卡马克磁场最外封闭磁面(LastClosedFluxSurface,LCFS)以外的边界等离子体(又称为刮削层,Scrapped OffLayer,SOL)和直接接触SOL的面对等离子体材料(Plasma FacingMaterials,PFM)区域内。因此,弄清SOL中的各种物理过程和机理并施以有效的控制,是未来在ITER上实现高参数、长脉冲运行的重要环节之一。在SOL区,大量来自芯部等离子体的稳态能流和粒子流经过复杂的SOL层流输运到PFM上。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2 面对等离子体材料的选择和国内外研究

现状

2 1 面对等离子体材料的选择

PWI主要发生在SOL等离子体和PFM组成的区域内,直接作用于PFM表面并通过表面进入基体。因此,PFM的选材对于PWI的具体过程有决定性的影响。目前尚无任何PFM可以同时满足与等离子体相容性好、耐高热负荷、耐高通量低能离子和中性粒子辐照、耐高通量高能中子辐照射等

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苛刻要求。迄今研究最多的

PFM是碳(C)、铍(Be)和钨(W)。C的优点是低Z、热力学性能好、不熔化、升华温度高;缺点是高的溅射刻蚀率、与氚共堆积滞留、中子辐照脆化等。Be的优点是低Z、吸氧能力强、H同位素(包括氘和氚,以下如无特殊说明均用H表示)滞留较小;缺点是低熔点、高溅射和毒性等。W材料以其高熔点、低溅射、不与H发生化学反应、H滞留极低等特性被视为未来托卡马克/聚变堆中最可能全面使用的PFM

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,其缺点是存在

高Z杂质辐射、高热负荷下再结晶脆化甚至熔化/蒸发的问题。鉴于W在未来壁材料中的重要地位,针对其最主要的辐射问题,德国在ASDEX U托卡马克上开展了系统的W壁物理实验,结果表明,W杂质向芯部等离子体的传输过程受到多种辅助加热手段的有效抑制

[5]

。据此ITER已确定了一条从Be/C/W到Be/W最

[3,6]

后变成全W PFM的路线。EAST也确定了约3年后

逐步从现在的全C到C/W的过渡,最后变成全W PFMITER

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