展ITER相关的PWI物理和工程研究的最重要装置之一。在ITER以后的堆型设计中,全W PFM概念已经成为共识
[4]
PFM上,主要是输运到偏滤器的靶板上。偏滤器是专门设计的用于承受托卡马克当中最强大的稳态热和粒子流的特殊面对等离子体部件(Plasma FacingComponents,PFC)。研究表明
2
[3-6]
。
2 2 国外研究现状
(1)边界等离子体的基本物理过程 边界等离子体的基本物理过程主要包括燃料粒子、PFM杂质和注入杂质的基本原子分子过程,
SOL层流及杂质输运,以及PFM
溅射刻蚀和迁移再沉积等,这些都是当今聚变界热门的研究领域。其中,主要原子过程的相关研究包括电子与H和杂质离子(原子)的碰撞激发、碰撞电离;电子和杂质离子碰撞激发的自电离、双电子共振复合过程;电子与H和CxHy分子、轻元素的氢化合物如BeH和BH的碰撞激发、电离、解离、激发解离和电离解离,以及离子与中性原子和分子电荷交换碰撞过程等。其中,CxHy分子、轻元素氢化合物分子以及它们的离子与电子的碰撞解离激发、解离电离几乎没有实验数据极其缺乏
[8]
[7]
:
22
ITER偏滤器靶板区域要承受高达
24
2
10~20MW/m和10~10/m!s的热和<100eV的低能离子流;
ITER第一壁(除偏滤器以外的PFC部分)
20
2
所承受的来自SOL区域的电荷交换(CX)中性粒子的通量和能量分别估计为10/m!s量级和100~500eV;从芯部等离子体中逃逸的高能CX中性原子撞击到第一壁上,这些粒子的通量和能量达到10/m!s和10keV
18
2
的数量级。虽然这些中性原子的通量远远低于偏滤器离子流,但是仍然可以引起第一壁材料的溅射和损伤。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流经由SOL投向PFM(如破裂时GW/m量级的毫秒长能流)
[13]
2
,而
。这些稳态和瞬态的高热负荷和强粒子流轰击以
18
2
电子与处于激发态的杂质原子、离子的碰撞电离数据也
。W作为极有潜力的候选壁材料,其中性
原子及1~6价电离的能级和光谱数据有比较详细的研究,27~73价W离子的能级和光谱数据,结合实验和理论计算也有比较详细的研究,但是从7~26价的W离子,没有相关的能级及光谱数据存在,尚为空白
[9]
及之后的H/He的扩散和滞留,加上中子(10/m!s)辐照效应,不仅损伤PFM、缩短其使用寿命和带来装置安全问题,而且产生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
[14]
。
。
在以上辐照效应中,偏滤器部分PFM受到的影响最大,巨大的H/He通量不仅溅射刻蚀表面原子,而且大量进入基体的H/He对结构也产生重大影响。例如,对于W材料,使其发生了捕获聚集、长大起泡甚至形成表面纳米丝状结构
[15~16]
经常用于等离子体边界冷却的中Z惰性气体元素的各电离态光谱及能级数据状况也不乐观。比如Ar,其中性原子和1,
2价离子的数据比较全面,但是更高一些电
离态的数据显得相当零碎。
SOL层流涉及边界输运、杂质输运与屏蔽以及PFM刻蚀等一系列问题。对其行为及其驱动机制的理论和模拟研究将有助于分析ITER等装置中等离子体参量如粒子和能流在第一壁和内外偏滤器区域的分布,了解杂质在SOL区的流动与沉积(材料迁徙过程),以及控制芯部等离子体的杂质水平。目前,已经提出了一些驱动SOL层流的机制,但是还无法定量模拟实验中所观测到的强大边界粒子流
[10-11]
,降低了PFM表面热导率,
增大了表面熔化蒸发的可能性。对于第一壁,CX中性原子轰击对壁造成一定损伤并产生溅射杂质,且由于第一壁离芯部更近,可能造成芯部污染。瞬态强流主要造成表面熔化蒸发,产生杂质和灰尘
[14]
。而中子辐照是
一种累积效应,在PFM中造成损伤缺陷。对于ITER运行前期和EAST装置而言,中子辐照效应极低,可以忽略不计。另外,由于具有较大的质量和多重电离带来的鞘层加速倍增效应,导致等离子体中的杂质粒子造成比H更严重的PFM损伤和后果。
国际上对等离子体辐照效应的实验研究主要集中在实验室以中低束流(<10/m!s)中高能( 100eV)离
20
2
。另外,国际上对于与上述大型边界等
离子体模拟衔接,以其等离子体分布计算结果为背景环境的SOL/PFM局域溅射刻蚀、离化输运和再沉积过程的模拟研究也已经结合实验开展多年,并取得了一定进展,如应用开发中的EDDY和ERO程序。这些模拟研究充分考虑到了燃料、灰分、杂质在PFM表面和SOL等离子体中的复杂的物理化学和分子原子过程,如吸附扩散、物理溅射、化学刻蚀、脱附释放、分解离化、SOL输运等,成功地解释了一些托卡马克实验现象
[12]
子束,或高束流(>10/m!s)低能(<100eV)等离子
22
2
体束照射PFM
[17-23]
,尤多以后者来模拟ITER的偏滤器
等离子体环境。到目前为止,实验研究尚不能清楚解释在入射离子能量不足以在材料中直接产生缺陷的条件下,W中新缺陷的产生和演变过程,比如氘粒子入射能量小于209eV时。该过程很难在实验中直接观察,。
(2)等离子体辐照下表面损伤和结构效应 来自芯部等
百度搜索“77cn”或“免费范文网”即可找到本站免费阅读全部范文。收藏本站方便下次阅读，免费范文网，提供经典小说教育文库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(3)在线全文阅读。
相关推荐：