1、磁約束裝置等離子體與壁的相互作用李建剛2005/03第1頁，共36頁。內(nèi)容基本概念和圖像；基本問題；壁處理；石墨材料；目前該領(lǐng)域的前沿問題穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下的重要問題下一代裝置的新問題。第2頁，共36頁。幾個(gè)較為重要的概念物理濺射：入射粒子+固體原子-自由原子 E=（m1+m2)2 W0 /4m1m2化學(xué)濺射：入射粒子與碳結(jié)合成揮發(fā)分子。主要發(fā)生在碳材料中。如H、O與C結(jié)合成CH或CO等輻射增強(qiáng)升華 (Radiation enhanced sublimation)；T1500C熱升華；再循環(huán)；解吸和起弧.第3頁，共36頁。基本概念PMI過程一方面會造成PFM的損傷；另一方面會給等離子體引入雜質(zhì)，此外還

2、將對燃料粒子的再循環(huán)產(chǎn)生影響。損傷機(jī)制：濺射；蒸發(fā)；解吸；起?。槐成⑸?；反擴(kuò)散；表面起泡；氫在晶界處析出等；中子輻照引起的體損傷等第4頁，共36頁。面對等離子體材料和等離子體間的相互作用非常復(fù)雜第一是器壁（或更一般的面向等離子體物質(zhì)材料）中放出的各種粒子（包括所吸附的工作氣體、雜質(zhì)氣體和組成材料本身的元素）進(jìn)入等離子體約束區(qū)后對等離子體約束特性造成的影響；第二是物質(zhì)材料本身受等離子體中粒子長期作用后的損傷。第5頁，共36頁。壁附近最基本分布圖像邊界氫分布第6頁，共36頁。Plasma configuration and internal structure第7頁，共36頁?；緢D像及過程第8頁

3、，共36頁。邊緣等離子體和其周圍壁的相互作用將對等離子體芯部產(chǎn)生重要的影響邊緣等離子體是熱絕緣層，同時(shí)控制雜質(zhì)進(jìn)入到等離子體芯部；壁受很強(qiáng)的熱負(fù)荷以及來自芯部粒子的轟擊，材料腐蝕及雜質(zhì)產(chǎn)生；氫的再循環(huán)過程的控制及對等離子體密度控制的影響；在熱和粒子作用下材料性能的穩(wěn)定及使用安全性/微觀結(jié)構(gòu)的變化中子輻照后材料活化及變性第9頁，共36頁。等離子體與壁相互作用中的基本問題壁處理：除去雜質(zhì)（Z2，特別是氧）、降底氫的再循環(huán)。面對等離子體的材料低Z（主要是碳、鈹）材料、高Z材料：W、Mo。Erosion and redeposition;氚及灰的滯留和去除；中子輻照第10頁，共36頁。壁處理的目的1、

4、降底雜質(zhì)，特別是氧（重雜質(zhì)含量小于0.02%，輕雜質(zhì)控制在2-3%以下）2、控制再循環(huán)3、屏蔽金屬（來自第一壁）雜質(zhì)4、去除C/D復(fù)合涂層第11頁，共36頁。Role of the wall conditioningTo deplete oxygen and hydrogen on the top surface of the plasma facing walls Discharge Cleaning: O, H from walls to pump Gettering, coating: O,H depleted fresh filmThis might be done with main

5、 discharges themselves but time consuming by low power cw dischargesLacking in O,H makes wide area of walls a good sink of the particles(wall pumping)第12頁，共36頁。Why O must be reduced?Higher density limit due to lower O content第13頁，共36頁。氧雜質(zhì)問題在石墨限制器中，氧起著特殊的作用。當(dāng)高能氧離子先滯留在植入?yún)^(qū)，直到每個(gè)碳原子+約0.25個(gè)氧原子，而后它以CO和CO2的

6、形態(tài)再發(fā)射，其產(chǎn)額接近1。 這些分子不都是以熱能的形式釋放，而顯示有一約0.25eV的快成份。在主等離子體中有較高的穿透幾率，在吸解和電離后，CO和CO2成為等離子體碳雜質(zhì)和氧雜質(zhì)源。 氧離子轟擊碳形成CO和CO2差不多為1的產(chǎn)額及其揮發(fā)性意味著：在碳壁裝置中氧以接近于1的再循環(huán)系數(shù)再循環(huán)。第14頁，共36頁。Why hydrogen recycling must be reducedhigher H factor due to lower recycling 石墨中因多孔而吸附的H2和H2O，CO和CO2氣體以及石墨中因H粒子的化學(xué)濺射而產(chǎn)生的揮發(fā)性CHx等參與再循環(huán)，使得燃料粒子的再循環(huán)有

7、可能大于1第15頁，共36頁。壁處理的方法烘烤：100-350C，去除裝置中的水。GDC: H2(He),0.2-2kV, 1-5A, E=eV,去除裝置中的去氧、碳等輕雜質(zhì)。TDC: 高頻率的短脈沖等離子體放電，去除裝置中的去氧、碳等輕雜質(zhì)。射頻清洗：在有磁場的情況下，利用離子回旋共振產(chǎn)生等離子體，去除裝置中的去氧、碳等輕雜質(zhì)。第16頁，共36頁。 Plasma productionResonant lays inside VVEnough ESuitable filling pressureASIPPHT-7Te: He 410eVH2 25eVTi :H2: 0.5 2keV,D2: 0

8、.30.5 keVhigh tail up to 30keVne 0.5 3x1017m-3第17頁，共36頁。Particle RemovingASIPPHT-7 The cleaning efficiency is independent to RF frequency Weakly related to BT Pulsed mode is used The optimized RF power is used to remove different particlesH2: 510 kw H2O: 1215kW CO: 1520 kW CO2: 2035 kw The filling p

9、ressure in the range of 0.020.3 Pa is favorable第18頁，共36頁。聚變用面對等離子體材料問題的提出磁約束核聚變堆所面臨的新材料的要求是非常具有挑戰(zhàn)性的聚變研究初期的材料問題大型托卡馬克試驗(yàn)研究的材料問題改善等離子體參數(shù)雜質(zhì)和密度極限問題下一代聚變裝置的材料問題特征：高功率加熱和長脈沖運(yùn)行壁材料和等離子體間的相互作用傳熱問題材料的結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定性問題使用壽命問題第19頁，共36頁。限制器、抽氣限制器、各態(tài)歷經(jīng)偏濾器(磁限制器);偏濾器、抽氣偏濾器；不銹鋼、W、Mo、Graphite、Be、CFC、CFC+高Z（W，Mo，V，為反應(yīng)堆做準(zhǔn)備）；目前的

10、研究認(rèn)為：高Z材料往將來聚變堆方向發(fā)展可能更有前途。 面對等離子體材料的研究現(xiàn)狀第20頁，共36頁。面對等離子體材料的侯選材料及其優(yōu)缺點(diǎn)第21頁，共36頁。 聚變裝置用石墨材料研究進(jìn)展1970s后期，PLT裝置第一次使用石墨限制器起因：PLT采用NBI輔助加熱系統(tǒng)；限制器：起初用W為限制器，但在高功率和低的等離子體密度情形下，獲得了很高的邊緣等離子體溫度和功率密度，引發(fā)W的濺射，輻射損失大；改進(jìn)：用石墨限制器替代了W限制器，結(jié)果獲得了巨大成功。主要原因在于石墨材料屬于低Z材料，輻射損失小；表面過熱時(shí)只會升華，而不熔化。從此，炭材料成為核聚變裝置中限制器和偏濾器設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先考慮的材料第22頁，共3

11、6頁。聚變裝置用石墨材料研究進(jìn)展到80年代中期許多托卡馬克裝置在運(yùn)行時(shí)都采用石墨限制器或偏濾器板與此同時(shí)，實(shí)驗(yàn)室中針對石墨材料的測試和模擬開始廣泛進(jìn)行，旨在闡明石墨與氫等離子體的化學(xué)反應(yīng)炭的化學(xué)腐蝕和RES行為；中子輻照下炭材料的一些性能和結(jié)構(gòu)變化；炭與氫的同位素的共沉積行為；目前炭材料仍然是世界范圍內(nèi)大型托卡馬克的主要面對等離子體材料除了作為限制器和偏濾器，炭材料還在擴(kuò)大其使用范圍，如覆蓋整個(gè)真空壁象TFTR，DIII-D，JT-60U，Tore Supra，ASDEX-U（現(xiàn)在在發(fā)展高Z的W）等采用全炭壁。第23頁，共36頁。第24頁，共36頁。第25頁，共36頁。石墨的化學(xué)濺射第26頁，

12、共36頁。炭材料的化學(xué)腐蝕行為在炭材料表面通常存在一些不飽和的炭原子，它們沒有處于石墨晶體六角網(wǎng)狀體系中，而是處在炭網(wǎng)格的端面處，我們通常稱之為活性點(diǎn)部位這些活性點(diǎn)部位通常容易和轟擊的H+形成炭氫化合物，這些炭氫化合物與炭材料的結(jié)合能較低，容易被濺射出來或熱脫附出來，形成化學(xué)濺射化學(xué)濺射和轟擊粒子的能量，粒子束密度，材料的表面溫度，材料本身的性質(zhì)如晶體結(jié)構(gòu)等有很大關(guān)系，并受到材料中存在雜質(zhì)的影響；炭材料的晶體結(jié)構(gòu)越完整，活性點(diǎn)部位的數(shù)量越少，在低溫下的化學(xué)濺射產(chǎn)額就會降低，因?yàn)榈蜏叵碌闹饕a(chǎn)物是甲烷基，CH3的濺射域值很低，大約為2eV。第27頁，共36頁。炭材料的化學(xué)腐蝕行為隨溫度升高至40

13、0K，炭材料的熱化學(xué)腐蝕開始變得明顯，此時(shí)的主要產(chǎn)物是CH4，還有一些大分子；CH4分子在高溫下獲得能量后從炭材料中脫出來。隨溫度進(jìn)一步升高至600K以上，轟擊粒子間互相結(jié)合成為H2，從而使化學(xué)腐蝕在一定程度上有所降低，這也是導(dǎo)致炭材料在800K出現(xiàn)濺射峰值的主要原因。如果炭材料中存在著一些雜質(zhì)原子，這些雜質(zhì)原子往往改變了石墨晶體中炭原子間的電子結(jié)構(gòu)，如B原子，屏蔽了一些活性點(diǎn)部位，可大幅度降低化學(xué)腐蝕；雜質(zhì)還可起到催化脫出氫的作用，從另一方面降低了化學(xué)濺射。第28頁，共36頁。石墨材料的發(fā)展：摻雜及功能鍍層低化學(xué)濺射，抗RES，高熱通量炭基復(fù)合材料成為目前的研究重點(diǎn)炭材料內(nèi)部改性（添加B，S

14、i，Ti，V，Zr，Ni，W或其炭化物等）；表面涂層（B4C，SiC，TiC，W等）；高導(dǎo)熱率石墨和CFC復(fù)合材料；石墨（CFC材料）和銅熱沉的連接技術(shù)及其性能評價(jià)。第29頁，共36頁。摻雜石墨的抗RES行為抑制輻照升華現(xiàn)象的發(fā)生，主要是在炭材料中引入一些摻雜元素，如硼，硅，鈦；這些元素能夠在炭原子擴(kuò)散至表面以前將這種晶隙間炭原子俘獲生成一種穩(wěn)定的炭化物，從而有效地降低了炭原子的有效擴(kuò)散系數(shù)，則可降低RES。研究發(fā)現(xiàn)RES依賴于摻雜成分，摻雜濃度，摻雜石墨的微觀結(jié)構(gòu)。RES隨著摻雜組元濃度的增加而降低；Si摻雜石墨和Ti摻雜石墨的抗RES行為要好于硼化石墨。對不同種類和組成的摻雜石墨考察后發(fā)現(xiàn)

15、，含13.8%B的硼化石墨及含5.0%Ti的摻鈦石墨具有最好的抗RES性能：在1800K，與純石墨相比，這兩種石墨的RES產(chǎn)額分別降低2倍和4倍；與熱解石墨相比，RES產(chǎn)額降低3倍到5倍。摻雜石墨的RES行為還與摻雜粒子的大小有很大關(guān)系，USB15的RES濺射值要比GB20的還要小，主要原因就是B4C粒子很細(xì)（粒徑小于1微米）。啟示：對于偏濾器或限制器材料，可以考慮主要是Si，Ti摻雜。原因主要是兩方面：Si，Ti摻雜石墨可以獲得比較高的熱導(dǎo)率；另一方面就是偏濾器或限制器運(yùn)行溫度較高，炭的腐蝕主要取決于RES。第30頁，共36頁。目前該領(lǐng)域的前沿問題Understanding the effe

16、ct of ELMs/disruptions on divertor and first wall structures,Tritium retention & the processes that determine it,Improve understanding of SOL plasma interaction with the main chamber,Better prescription of perpendicular transport coefficients and boundary conditions for input to BPX modeling.Medium-

17、TermSOL transport (parallel and drift) & influence on C transport, High-Z materials - operational experience,Improve our understanding of processes that determine the core impurity level,The impact of the simultaneous use of different materials (e.g. tritium retention).第31頁，共36頁。PSI: High Priority R

18、esearch Areas: recommendations for 2004/2005Fueling comparison across machinesMaterial migrationemphasis on C13 injection experiments and flow measurementsRole of divertor geometry in affecting performance (expt and theory)DustModel of movement + summary of existing knowledgeTritium removalupdate pr

19、imarily on flash lamp results,new results on T codeposition on tile sidesHT-7 ASIPP第32頁，共36頁。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下的重要問題氫的分布、滯留，特別是在壁飽和條件下的行為；再循環(huán)的作用、對高約束性能的影響、控制；雜質(zhì)對長脈沖特別是高約束等離子體的影響；第一壁材料的腐蝕及再沉積；材料的輻照損傷。第33頁，共36頁。下一代聚變裝置中等離子體與表面的相互作用在下一代裝置中（像ITER）的運(yùn)行條件和環(huán)境：放電脈沖時(shí)間和工作循環(huán)比起目前的聚變裝置將大大延長，高熱負(fù)荷以及更為強(qiáng)烈的等離子體破裂。第34頁，共36頁。High en

20、ergy content (several hundreds MJ vs. few MJ in current device) and power flowMore intense disruptions and disruption-related damage effects;Require an effective reliable way to disperse the power to the divertor surfaces.Long pulse duration (few hundreds s vs. fews in current devices) require active cooling of PFCs and vessel structure and technique to pumping He ash ;Require effective control of plasma purity and PMIs to achieve high plasma performance.High duty factor (3%10%) or pulse repetition rateShort ti