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(4)

的方法。国际上这方面的工作尚处于起步阶段。(3)杂质与灰尘 杂质来源于受到等离子体辐照的表面及浅层范围内,热脱附、溅射刻蚀、熔化蒸发等过程都是产生杂质的可能原因

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技术。目前实时硼化主要有2类方法:放电时充入硼烷和利用等离子体轰击固态含硼材料。日本在CHS和LHD装置上研究了不同位置充硼烷气体对杂质、氢循环的影响的研究

[40]

[40]

。托卡马克等离子体中的。含硼石墨在聚变装置中的表现也被广泛

杂质和灰尘,尤其是高Z元素杂质或灰尘,将造成强烈的辐射能量损失,降低芯部等离子体的温度,增加等离子体稳定控制的难度

[26-29]

,但石墨由于其强烈的化学溅射和氚滞留已

被认为不适合作为未来聚变材料。美国GA公司最近提出硼钨混合材料的概念并进行了试制,近期将在DIII D装置上进行测试工作

[41]

。灰尘是大颗粒的杂质,由

杂质原子聚集,熔化液滴,及杂质输运、再沉积、剥落等过程产生。虽然在现有的装置中因为量小而没有引起关注,但是灰尘滞留已经被认为是与ITER装置安全和运行直接相关的问题,成为当前PWI研究中的一个热点。其化学活性、活化放射性和放射性氚滞留等因素带来了一系列的安全问题,如漏水和漏气事故情况下的反应爆炸和放射性灰尘污染。最近还观察到大灰尘颗粒进入芯部导致放电终止。目前,国际上对灰尘的研究工作刚刚起步,研究内容主要包括:灰尘产生的可能机理

[14]

。在壁清洗方面,国际上还有

一些新方法正处于研发阶段。例如,在离子回旋共振清洗及辉光放电清洗过程中以氮气或氨气代替氧作为工作气体除去C沉积层

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,激光法清除沉积层

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等。这

些方法只在少量装置上进行过实验,结果并不具代表性,其实际作用仍须更深入和广泛的研究。

(5)璧状态原位监测 在稳态和瞬态的高热负荷和强粒子流轰击下,PFM表面形貌、成分以及H/He滞留发生实时变化。要实现托卡马克高参数、长脉冲运行势必面临许多安全和运行的限制,需要通过对PFM的全面原位监测和控制来实现。描述等离子体和壁相互作用的新型先进诊断手段已处在实验室研究阶段,有些正被目前的托卡马克装置所验证,可作为ITER等大型装置的参考

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;灰尘的监测和收集及后续分析

[32]

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;灰尘的去

除方法;相关的模拟方法

[30]

等。

[30-32]

目前,灰尘的研究数据大部分来源于灰尘收集和对这些灰尘的分析以及相关的监测

。这些灰尘的尺

寸范围从nm到 m量级,形状非常不规则,增加了实验处理的难度。目前灰尘的监测方法有:光散射或者光湮灭,其可提供尺寸和密度信息但是不能够给出和安全相关的量化数据;静电光栅等能够提供灰尘沉积的局域测量。到目前为止,还无法从局域测量得出全局的灰尘存量,因此上述技术都还不能用作灰尘的量化监测。(4)壁调整处理 壁调整处理(WallConditioning)是优化等离子体与壁材料相互作用的重要手段之一,它可以改变第一壁材料的表面性质,降低氧及其他杂质含量,控制氢同位素滞留,对于等离子体运行有极大影响。在国际上,当前唯一全钨壁的托卡马克装置ASDEX U对一系列常规壁处理手段进行了尝试,并取得了有一定参考价值的结果。包括辉光放电清洗引起的He滞留对放电的影响、氘/氦离子回旋共振清洗的效果、硼化和硅化的使用及其沉积层的寿命、碳钨共存条件下碳的沉积与氧化移除等

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。目前,用于研究材料刻蚀、迁移、再沉积机制

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的新颖手段主要基于原位和高时间分辨率的方法。

材料表面刻蚀形貌的检测对于PWI研究和控制意义重大,实验仪器主要有散斑干涉仪(SpeckleInterferome try),目前还需要进一步完善并在托卡马克装置上验证。对于共沉积层化学成分变化和H滞留含量的原位监测主要是通过激光诱导击穿光谱(LaserInducedBreak downSpectroscopy)实现的,这项技术是基于物质等离子体发光来探测物质成分的分析方法。利用此方法在实验室内对ToreSupra和TEXTOR的沉积层做了首例相关分析,H、C及杂质的谱线清楚的得到表征,表明此诊断手段在分析再沉积层和壁处理效果很有潜力,但目前还没获得定量的测量结果。2 3 国内研究现状

2006年,中科院等离子体物理研究所主办了两年一次的PWI方面最重要的国际会议 The17thInternation alConferenceonPlasma SurfaceInteractionsinControlledFusionDevices 。2008年,北京航空航天大学主办了固体辐照效应计算机模拟方面的国际会议 The9thInterna tionalConferenceonComputationalSmiulationofRadiationEffectinSolids 。两次会议均首次在中国召开,表明了中国在这两个领域的研究取得了长足进展,也有力地推动了我国PWI及相关研究工作的进一步展开。但是,PWI。在全钼壁托卡马克装置AlcatorC

Mod上,硼化的作用被重点研究。实验结果表明,硼化对芯部等离子体能量、点火阶段等离子体参数、氘滞留量、氢氘比都有极大影响

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。由于这两个装置都是

短脉冲放电,而ASDEX U的W为CFC上的微米量级薄膜层,其研究结果对ITER和EAST的适用性有待进一步研究。

鉴于硼化在全金属第一壁条件下对放电效果的影响(RealTmie

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