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(5)

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学中,缺乏组织性和深入的基础研究。

中国材料进展第29卷

近年来,北京航空航天大学开展了较多的计算模拟工作

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无论是从实验还是理论上,国内对PWI的研究起步都比较晚。实验上,等离子所EAST装置在SOL区已安装5个可以测量SOL层流的马赫探针,同时开始对相关驱动机制展开模拟研究

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,研究包括H/He在W单晶的行为、W晶界

中H/He的作用、杂质C和O的效应等,取得了较多成果。在H与W的相互作用方面,提出了H在W中起泡的微观物理机制,即只要通过空位或空位型缺陷提供足够大的空间进而提供一个合适的电子密度,H便可以克服较低的能垒扩散进入这些空间,饱和内表面后形成H2分子

[57]

。而国内对SOL环境下

的材料刻蚀、杂质输运以及再沉积等问题相关的理论和模拟研究工作开展较少。大连理工大学开发了一个能够描述多物理化学场耦合、多空间尺度(主等离子体区、壁表面的鞘层区)变化的混合理论模型,并自主研制出相应的二维模拟程序,如流体力学模拟程序、PIC/Monte Carlo模拟程序及混合模拟程序。东华大学应用B2和B2 5(SOLPS5 0中主要模拟程序)对托卡马克边界等离子体进行了模拟,并对托卡马克边界层和偏滤器进行了较深入的研究,掌握了SOLPS5 0核心模拟技术,最近和国际同行合作对ITER托卡马克启动时边界等离子体和杂质输运做了初步地三维数值模拟研究。四川大学提出的带电粒子输运双群模型已用于离子在表面的反射和溅射系数的计算,并向中国原子分子数据联合体和国际原子能机构提供了有价值的计算数据。

在托卡马克原子分子过程研究方面,Trap)装置是一种很好的研究手段

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。这些H2分子将是氢泡的初步成核。这个

机制可以推广到其它轻元素如C、O等,也可以类推到其它金属和合金的情况。

国内的灰尘研究开展的很少,断断续续进行过静电光栅拦截灰尘的初步试验。最近,EAST刚刚开始进行扫灰尘和数灰尘的基础工作。

等离子体所和西物院多年来在各自的装置上开展了石墨壁条件下的常规壁处理的研究和日常工作,包括了内部部件烘烤、PFM表面辉光放电清洗、离子/电子回旋共振放电清洗、可控破裂放电清洗、硼化、锂化、硅化、C沉积层的氧化移除等

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,积累了丰富的壁处

理技术和经验。等离子体所规划在3~5年内对EAST的壁材料进行升级,高Z的钨材料将逐步替换当前使用的石墨材料。目前,部分和全W PFM条件下的壁处理技术的研究必须得到足够的重视。而国内对壁的原位监测技术研究很少,急需展开。

2005年建成

的上海复旦大学电子束离子阱(EBIT ElectronBeamIon

。目前已经研究了

许多对等离子体研究非常有价值的物理过程。复旦大学现代物理所还开发了全信息带电粒子动量谱仪技术,用于低能电子与原子分子相互作用实验中散射电子、自由电子、及反冲离子的多重复合测量,获得各个反应产物的末态动量,再现反应过程。EBIT装置电子能量正在向低能端扩展,同时在建低能EBIT装置(电子能量低至50eV),可用于研究等离子体对壁材料的腐蚀。

聚变等离子体环境下,在H或He引起的钨基PFM起泡以及表面形貌奇异变化研究方面,由于高束流低能量的离子束/等离子体束设备的缺乏,国内实验室难以做到10/m以上的照射通量,还没有独立开展高通量辐照下W材料的实验室研究工作的报道。对等离子体作用下聚变材料的计算模拟工作也刚刚展开,而在托卡马克上使用W的研究工作还处于起步阶段。北京科技大学以及西物院开展了W/Cu复合材料小样品制备的研究

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2

3 展 望

尽管国内外对PWI问题已经做了不少研究工作,但是从大的方面来说,仍然存在许多问题需要解决。根据当前的研究进展和现状可以看出,PWI还存在如下问题亟待解决:

(1)边界等离子体的原子分子过程数据尚不完善,粒子输运和再沉积的行为并不完全清楚;

(2)等离子体辐照下PFM的表面损伤、杂质产生和结构效应问题,这些与PFM的寿命直接相关,强磁场、热冲击条件下PFM的行为也有待进一步研究。

(3)灰尘产生的机理及安全分析,灰尘对材料的损伤程度,灰尘监测和清除问题;

(4)尽管在全金属壁调整处理方面国际上有一些新方法正处于研发阶段,但是这些方法只进行过少量实验,其实际应用有待进行更深入和广泛的研究。

(5)托卡马克高参数长脉冲运行面临许多安全和运行的限制,需要通过对壁状态的全面原位监测和控制来达成,因此发展壁监测技术迫在眉睫。

针对国家聚变大科学工程和ITER对PWI相关数据,PW,工作主要集中在粉末冶金功能梯度材料方面;

西物院与日本方面合作,开展了一些电子束照射的高热负荷影响下的W材料性能研究;等离子体所已经开展了在HT-7超导托卡马克中放入W材料小样品的探索性研究,并正在为EAST研究开发大面积、毫米量级厚W涂层Cu基面对等离子体部件,还展开了相关材料[51-52]

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