（等离子体物理专业论文）ht7稳态运行条件下第一壁热负荷的研究.pdf

摘要 摘要 随着磁约束聚变实验装置实验参数的提高、放电时间的延长和能量的增加， 等离子体与第一壁材料的相互作用将会越来越强烈，从而导致第一壁上热负荷的 增加，所以对聚变装置第一壁进行温度测量并估算热负荷将为安全运行提供重要 的依据。目前托卡马克第一壁热负荷多是通过模拟和红外测温诊断结果计算得 到。 红外测温诊断可以直接观测大面积表面温度分布，因此它己作为重要的诊断 在j e t ，t o r es u p r a ，a s d e xu p g r a d e 等装置上应用。在h t - 7 上通过红外测温 诊断系统，实时观测装置中部分限制器瓦片、内衬及低杂波天线，获得了一定的 实验结果，得到了大致的热负荷分布并为安全运行提供了一定的依据。在长脉冲 放电中，高场侧环向限制器最高温度超过了1 0 0 0 ，热点的高温导致了碳杂质 浓度升高。最终导致等离子体熄灭。观测到了限制器温度同等离子体水平位移和 低杂波注入能量的关系。得到的实验结果与其它诊断结果可以相互验证。活动限 制器在不同位置时的表面温度显示了等离子体与活动限制器表面相互作用的强 度。根据测得的表面温度通过a n s y s 计算得到了活动限制器表面热负荷分布。 在e a s t 的初步实验中通过红外热像仪观测到了破裂给高场靶板带来的高热负 荷、高场靶板温度与等离子体位移的关系和偏滤器内靶板的温度分布。 总之，本文为将来e a s t 第一壁热负荷的研究奠定了一定的基础，红外测温 诊断也将成为研究e a s t 第一壁热负荷的重要手段。 关键词：热负荷，红外测温，长脉冲放电，热点 a b s t r a c t a b s t r a c t s h ib o ( m a jo r ：p l a s m ap h y s i c s ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gx i a o - d o n g t h el o n gd i s c h a r g ea n dh i g hp a r a m e t e r si nf u t u r ef u s i o nd e v i c e sw i l li n c r e a s et h e h e a tl o a do nt h ef i r s tw a l lt h a tw i l lg i v er i s et op l a s m a - m a t e r i a li n t e r a c t i o ne f f e c t s m e a s u r e m e n to ft h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no ft h ef i r s tw a l la n dc a l c u l a t i n gt h e g e n e r a lh e a tl o a dw i l lg i v ei m p o r t a n tg i s to nt h em a c h i n es a f eo p e r a t i o n p r e s e n t l y ， h e a tl o a di sm a i n l yc a l c u l a t e dt h r o u g hs i m u l a t i o na n di r ( i n f r a r e d ) m e a s u r e m e n t i rc a m e r a ，a sa ni m p o r t a n td i a g n o s t i c s ，c a l lm e a s u r et h es u r f a c et e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o no ft h ef i r s tw a l la n dh a sb e e nu s e da tj e t 、t o r es u p r a 、a s d e xu p g r a d e t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tb yt h ei rd i a g n o s t i c sw a sp e r f o r m e do nh t 7t o k a m a k ， o b s e r v i n gt e m p e r a t u r eo fl i m i t e r s 、l i n e ra n dl h w ( l o wh y b r i dw a v e ) a n t e n n a w eg o t s o m ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so nt h es u r f a c et e m p e r a t u r ea n dt h eg e n e r a lh e a tl o a d d u r i n gl o n gp u l s ed i s c h a r g e s ，t e m p e r a t u r eo ft h eh o ts p o to nb e l tl i m i t e re x c e e d e d i0 0 0 c h i g ht e m p e r a t u r e _ l e dc a r b o nb l o o ma n dt h e ni n d u c e dp l a s m ac o l l a p s e s u r f a c et e m p e r a t u r eo fl i m i t e r sw a sc o r r e l a t e dw i t hp l a s m ah o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n t a n dl h wp o w e re x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n do t h e rd i a g n o s t i c sc a nb ev a l i d a t e dw i t h e a c ho t h e rt e m p e r a t u r eo ft h em o v a b l el i m i t e ra td i f f e r e n tp o s i t i o n ss h o w e dt h e d e g r e eo fp l a s m a s u r f a c ei n t e r a c t i o n h e a tf l u xd e n s i t yc o u l db eo b t a i n e dt h r o u g h a n s y sw i t ht e m p e r a t u r em e a s u r e db yi r - c a m e r a w i t ht h ei r c a m e r a ，t h eh i g hh e a t l o a da tp l a s m ac o l l a p s e 、t h ec o r r e l a t i o nb e t w e e n d i s p l a c e m e n ta n dt e m p e r a t u r eo ft h e h i g hf i e l ds i d ea n dt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no ni n n e rd i v e r t o rw e r eo b s e r v e do n e a s t i naw o r d ，t h i st h e s i se s t a b l i s h e df o u n d a t i o nf o rt h eh e a tl o a dr e s e a r c ho nt h ef i r s t w a l lo fe a s t , a n dt h ei rd i a g n o s t i c sw i l lb ea ni m p o r t a n tm e t h o df o rh e a tl o a d r e s e a r c ho fe as t k e yw o r d s ：h e a tl o a d ，t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tb yi rd i a g n o s t i c s ，l o n gp u l s e d i s c h a r g e ，h o ts p o t i i i 声兀j 】 声明 冬入呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究t 作所取得的成 果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果 i 包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工 作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知 识产权归属于培养单位。 本人签名：【必 曰期： 第一章序论 第一章绪论 1 1 前言 传统的煤、石油、天然气等石化能源，是古代生物遗体在长期的与氧隔离的 地质条件下形成的，这种有限的资源经不起现代工业的巨大消耗。由于石油危机 引起的世界性经济危机，显示了以石油为主要能源的现代经济的脆弱性。历史发 展已经而且越来越清楚地表明，现代经济只有建立在以核能为主要支柱的基础上， 才有坚实的发展基础。取之不尽的核能源，将使人类摆脱能源危机 1 。 半个世纪以来，世界上许多国家一直在从事核聚变研究工作，主要是由于聚 变反应堆所使用的燃料容易得到，而且取之不尽。据估计，地球上有海水1 0 2 1 千克， 每千克海水含氘o 0 3 克，共含氘3x1 0 1 6 千克，以目前全世界能源消耗年平均2 x 1 0 2 0 焦耳计算，地球上的氘够用3x1 0 旧年之久 2 。此外聚变堆还有一些吸引人的 特点 3 4 ： 1 很少产生像裂变堆所固有的那些放射性废物。 2 没有核爆炸的危险。因为聚变堆要产生能量，就要求堆芯等离子体的一些 参数满足平衡条件，这个条件一旦破坏，聚变反应就会自动停止。 3 不存在余热问题。裂变反应堆中，如果冷却剂的循环受到破坏，既使反 应堆停堆，由于放射性衰变产生的余热也足以使反应堆烧毁。虽然放射性产物在 聚变反应停止后还能释放能量，但放射性产物在聚变堆中的量很少，所有不会产 生余热问题。 4 在发生破坏性事故或自然灾害的情况下，对生物体的危害低。聚变反应堆 中只含有少量的聚变燃料，燃料氘是稳定同位素，氚虽然是放射性的，但它在自然 界中几乎不存在，只能通过在堆增殖层中由中子和锂的核反应制得，并且氚的毒 性较低，即使发生事故逸出，也不会造成很大的危险。 聚变能量是通过轻原子核( 氢的同位氘和氚) 发生聚变核反应释放出来的。如 果两个可聚变核有足够的能量克服其相互间的静电斥力，使它们能接近到足以使 短程吸引的核力产生作用，这样核聚变反应就会发生，生成一个复合核。然后它分 裂成总质量比原始燃料核轻，能量比初始燃料核高的反应产物。受控核聚变的困 难在于，若使两个轻核接近并聚合在一起，必须克服两核间的库仑斥力。常温下。 两轻核的反应截面是非常小的，只有在几亿度高温下才能有可观的反应率。要使 h t - 7 稳念运行条件下第一肇热负荷的研究 聚变反应稳定地进行，则须将聚变燃料加热到足够高的温度，并稳定地将其约束 住。燃料被加热到聚变反应可以进行的高温时，早已呈等离子体态。冈此，氘( 氚) 等离子体的约束和加热就成了聚变研究的中心课题 2 。 目前，实现受控核聚变的途径有惯性约束和磁约束。惯性约束是用强激光或 带电粒子束( 称作“驱动器”) 打在一个由d - t 等热核材料组成的靶丸上，在极短的 时间内把靶丸表面电离和消融，产生包围靶丸的等离子体。当等离子体膨胀飞散 时，产生极大的向心聚爆的压力，降d t 材料压缩到极高的密度( 1 0 0 0 1 0 0 0 0 倍 固体密度) 和极高的温度，点燃热核反应 4 。磁约束倾向于以准稳态过程实现氘 氚聚变燃烧，在真空容器中将氘氚燃料用特殊的加热方法加热到聚变反应温区( 1 亿度以上) 以点燃氘氚反应，利用特殊设计的磁场位形将高温等离子体约束在真 空容器内，使释能反应长期持续下去 5 。 随着聚变实验参数的提高、时间的延长和能量的增加，等离子体与第一壁材 料的相互作用将会越来越强烈，从而导致第一壁上热负荷的增加，所以开展对聚 变装置的第一壁温度测量和热负荷特性的研究将为未来聚变实验装置的安全运 行、第一壁材料的优化选择和结构设计、改善等离子体性能提供重要的依据。对 于未来稳态运行的聚变堆而言，第一壁热负荷的研究是一个重要的课题。 1 2 托卡马克装置中第一壁热负荷产生机理及研究现状 在托卡马克装置放电过程中，第一壁材料特别是限制器和偏滤器区域会受到 强烈的热负荷作用。这些热负荷有两种：稳定状态热负荷和瞬时热负荷。辐射带 来的能量沉积往往是均匀的，而垂直不稳定性( v d e s ) 、破裂、边界局域模不稳 定性( e l m s ) 等都会造成能量沉积在第一壁上的局部区域 6 。 在未来热核聚变反应堆中，等离子体会产生强烈的1 4 m e v 中子流，这些中子 的照射会降低第一壁材料的基本物理特性。除了等离子体稳态热沉积之外。沉积 能量密度达到几十兆焦每平方米的瞬时热脉冲造成壁材料的消融是下一步聚变 装置需要考虑的重要问题。最严重的瞬时事故是等离子体破裂，相当大的一部分 等离子体能量沉积在了偏滤器打击点附近的局部区域，这些事故的时间为毫秒量 级，热冲击导致了材料烧蚀、开裂、蒸发、表面熔化等问题而严重影响了材料的 寿命 7 ，8 。图l 显示了等离子体在国际热核聚变实验堆( i t e r ) 第一壁材料上产 2 旃一兹序论 生的热负荷，主要是e l m s 、破裂和垂直不稳定性造成的。 1 0 3 1 1 泸11 0 3 d u r a t i o n ，s t si nl t e r ： 10 0 0 图1 1 等离子体在i t e r 第一壁材料上产生的热负荷。n 为预期的频率 7 。 1 2 1 等离子体与壁相互作用 在托卡马克装置中，等离子体并非处于与真空室完全隔离的状态。等离子体 与真空室第一壁及限制器偏滤器表面材料之间会发生多种相互作用，产生杂质。 放电后温度升高会使器壁将吸附在表面的结合能较低的水分子、一氧化碳杂质释 放出来：在一定的热负荷条件下以及来自等离子体中的高能粒子的轰击下，器壁 上会发生溅射和蒸发。从器壁进入等离子体的非工作中性粒子与等离子体相互作 用后激发和电离，会损失大量等离子体的能量 9 。 等离子体与壁的主要物理过程 6 ，9 ： 1 解f | 及附。通常情况下，固体表面有一层来自周同环境的吸附气体。这些被 i l 及附的气体的结合能各彳i 相同，从0 3 电子伏( 物理u 及附) 到3 电子伏( 化学吸附) 。 对于结合能低的吸附气体，只要受热便会释放出来，叫做热解吸附。对于结合较 紧密的原子、分子( 结合能大于2 5 电子伏) 。只有在受到入射离子、中性粒子、 电子和光子照射、轰击下才能产生解吸附现象。由光子和电子引起的解吸率较低， 尤其是光子最低。入射离子和中性粒子引起的解吸率基本相同，它们的解吸机制 n1_c、s乏参一砸c口l1mioq h t 7 稳态运行条件下第一甓热负荷的研究 主要是动量转换。在托卡马克中，由于真空室器壁吸附了各种气体，各种解吸附 过程使得等离子体中含有较高的杂质浓度这些杂质可以在装置放电之前用烘烤 或是放电清洗的方法解决。 2 溅射。溅射即是由于离子或原子的作用使固体表面原子脱离。入射离子 和中性粒子通过碰撞将它们的能量转移给固体表面的原子，如果固体表面的原子 由此获得的能量大于表面结合能。那么该原子就会发射到等离子体的边界区域中 去。在相同的离子轰击下溅射率是随着器壁材料的原子序数增加而激剧下降。如 果溅射是杂质的主要来源的话，那么真空室器壁采用高z 材料为好。因为这些材 料溅射率低。但是高z 杂质离子的辐射能量损失严重。 3 单极弧。真空中两个电极之间电势足够大就会产生电孤，使得阴极材料离 子化，对阴极点腐蚀。往往发生在尖端或边缘。托卡马克装置中的边界鞘层对离子 起到了加速作用，离子穿过鞘层撞击到器壁上时的能量是很大的，如果鞘层电位 较大，器壁与等离子体之间便会产生电弧，引起尖端烧蚀和大量电子发射和蒸发。 4 蒸发和热震。由于到达真空室器壁的能量是不均匀的，高能带电粒子撞击 限制器偏滤器，单极弧将大量的能量传给壁的某个区域，反常等离子体破裂导致 在极短的时间内将等离子体的能量转移给器壁，常常也只发生在一部分的内表面， 结果便有大量的能量流向器壁，引起器壁材料的蒸发。当第一壁表面温度升高太 快时，便会发生热震，引起表面的破裂和削落。 5 起泡和爆皮。当大能量的离子轰击材料时将会在材料的几微米深处引起 气体的沉积。如果由于入射粒子引起的气体不溶于表面材料，那么气体便会凝结 成小气泡。当这种大能量的粒子轰击所产生的影响累积到一定程度时，在表面就 可以看到起泡现象。由于气泡的形成在表面内建立起横向应力，这种横向应力的 释放便会在几微米厚的表面层内产生起皮现象，最后气泡破裂，引起爆皮。 6 杂质返流。在大部分托卡马克中，放电脉冲长度要比粒子约束时间大，因 此，几乎每个离子在放电过程中都要经历几次撞击到真空室壁然后返回到等离子 体中的过程，这个过程即是杂质的返流。当等离子体中的离子或是中心粒子到达 器壁时，它将跟固体原子发生一系列的碰撞，它也许经过一次或多次碰撞后发生 背散射返回到等离子体中，也有可能进入器壁被慢化并捕获，这些被捕获的原子 还可以通过扩散重新返回到等离子体中。 4 第一章序论 等离子体与壁相互作用，产生的杂质及再循环将会严重影响等离子体性能。 根据杂质产生的机制，可以将杂质分为两类：解吸杂质和烧蚀杂质。解吸杂质包括 碳、氮、氧和水，占比例最大的是氧：烧蚀杂质来自真空室器壁和限制器偏滤器， 如铁、镍、钛等。部分杂质电离后进入等离子体不断与热等离子体作用达到更高 的电离态。只要电离不完全，这些杂质离子即使密度较低，它的线辐射也会在一定 程度上导致辐射能量损失的增加：而完全电离的杂质离子会增加韧致辐射损失。 高z 杂质离子导致的能量损失比低z 杂质更大，因此，托卡马克中允许的高z 杂质浓 度很低( 比如钨为1 0 珥) ，中z 杂质浓度可允许到1 0 一，而低z 杂质比如氧和碳可达到 百分之几。 1 2 2 沉积到第一壁的热负荷给托卡马克带来的问题 ( 1 ) 辐射 聚变装置中到达第一壁上的剧烈辐射几乎会影响所有材料的性质。世界上都 在努力设计一种能够抵抗辐射后性能下降的材料。中子辐射对金属的影响有两种 基本的机制，即通过嬗变反应产生的杂质和由于弹性和非弹性中子碰撞动量交换 从晶格中物理碰撞出的原子。 辐射对材料产生的影响： a 辐射变硬和变脆：变硬是指屈服应力增加最终导致抗张强度成为快中子 流和辐射温度的函数。变脆是指塑性形变量降低。低温( 完全融化温度的一半) 辐射导致了屈服应力大幅增加和延展性的降低。高温辐射导致总的延展性降低， 但屈服点不升高。经过高温辐射后机械特性的变化是随材料而变化的。铁素体钢 可以通过高温退火恢复其未经辐射时的特性，而奥氏钢受辐射后延展性大幅降低 并且高温退火也无法恢复。不同之处似乎取决于嬗变产生的氦原子的行为。在奥 氏钢中，氦向起泡的晶界转移，在应力作用下，这些泡最终会连起而导致破裂。 而在铁素体钢中就不会发生这种氦的转移。 b 热电特性：在等离子体与壁作用相关温度下金属热电性质的改变是很小 的。对于非金属，情况就大不相同。比如在绝缘体中，辐射可以通过改变带间隙 结构或是激发电子到空能带提高电导率。由光子过程主导的材料( 比如s i c ) 的 热传导率同样会降低 1 0 。 h t 7 稳态运行条件下第一肇热负荷的研究 ( 2 ) 辅助加热 6 o 仑 暑 每 窖 芦 焉 ； 1 i m e ( s e e ) 图1 2j t - 6 0 u 上离子回旋频段波( i c r f ) 和中性束协同加热对热沉积的作用 快离子波纹损失造成的第一壁热负荷是托卡马克聚变反应堆中需要解决的 一个问题。由于中性束注入和离子回旋加热产生的芯部快离子会在速度减慢前输 运到边界，这些离子会把它的能量沉积到真空室壁上。刮削层( s o l ) 中快离子 的量在很大程度上取决于中性束注入的位形 1 l ，1 2 。 如图1 2 所示，柬注入同时壁温开始增长，i c r f 加热开始后温度增长的斜 率变大。 i c r f 引起的快离子损失会导致热点的产生。尽管i c r f 加热导致的对 热点的能量损失只有总的i c r f 加热能量的百分之几，但是第一壁上的局部热沉 积也足以对第一壁材料造成破坏。 ( 3 ) 位移不稳定性 等离子体位置的不稳定会不可避免地对第一壁材料造成损伤，导致了大量的 等离子体能量沉积在小部分区域。等离子体与壁相互作用产生的杂质进入等离子 体还会造成等离子体迅速破裂。 ( 4 ) 等离子体破裂 除了稳态运行时产生的热负荷，瞬时热脉冲带来的几十兆焦每平方米的能量 沉积是下一步聚变装置需要考虑的重要问题。瞬时问题中最严重的是等离子体的 6 般卑：! ! - j 耳目1 二t 啵裂号救谴节：一l 砒l q 哒刮数。兆n 舛p l i ) 蔓 阿1 绒 枷7 j 川内逸些“e 城撞 倘j 苍措髯或燃制搽良i m 萎。，n - 击导敢了晓癌、p 裂、蠢 发。丧 i l j 络也等州题而严嚷撂响丁材和】f i 0 好布，时f t e r 米浇之发生的坝享 要r 匕位移事件大一个数最级，艇时间的破裂现象台在血叫嚣离于坪研耕。p f m ) 丧_ | 产生尢的热梯艘，造成强兀的热压这可能台产生几百微米或是生深的裂纹。 在循环等离子体操作中偏滤器承受能量负荷而；l 起的壁材抖疲劳也是一个重要 的匐题：7 ：。 热中性粒子和离子 起的物理溅射、化学溅射、述逸电于和破裂引起的局部 热沉积导致的蒸发产生了腐蚀、起泡和爆皮是决定第一壁寿命曲附加原因。未枭 的等高子体控制技术可以降低等离子体破裂以降低第一壁的危害 i 3 。 ( ；) e l m s 对来米的聚变装置来说涉厦的模式为边界局域h 模( e l m yh 模) e l m s 1 i 被认为是i t e r 可能的运行模式。在这种模式下由于e l m s 导致的石墨瓦片升 毕仍然是限制i t e r 偏滤器寿命的主要原因! l 朝。 ( 6 ) 其岂 能量低于j 兆电子伏的a 粒子在第一壁腐蚀中起到了重要的作用。由于波纹 损失导致的八射n 粒子的入射角较大，它比普通入射粒子的溅射产物太3 到8 倍。 到选壁上的n 粒子足以引起起泡。在稳态运行中( 典型为2 年) n 粒子在壁表向上 沉积几百纳米在起泡的情况下影响更为严重。一旦第一壁材料形成起泡将会 降低壁表州的热转移能力造成壁熔化它也可以导致壁材料爆皮 1 3 。 凹i - ) = 维红外相自【监测i c r f 天迂、保护限制器 h t - 7 饱卷j 呈行条件下第一啭热负荷的听宄 i23 热负荷研究现状 由于沉积征第一壁上的热负荷给第一壁材抖和装置运行带来了许多问题，许 多托卡弓克装置上部在进行着训算和如何减轻第一壁热负荷的研究。 1a s d e x u p g r a d e 【15 c r f 无线 图i - 4e l m s 间隔中( 左) 和发生典型e l m s 时( 右) 真空皇壁的热负荷 在a s d e xu p g r a d e 上，高时间分辨率条件下测量真空室壁热负荷的主要诊 断方法就是通过一个二维的红外相机系统。a s d e xu p g r a d e 第一壁上的热流是 通过高分辨率红外相机监测并通过二维热流计算c o d e t h e o d o r 获得的。图1 3 所示为通过红外相机观测到的i c r f 天线和保护限制器( 通过反射镜观测) 。 图1 - 4 所示为通过计算得到的e l m s 间隔中( 左) 和发生典型e l m s 时真空室 壁的热负荷。e l m s 闻隔中最高热负荷只有i m w m 2 ，而发生e l m s 时最高热负荷 逃到了1 0 m w m 2 。 2t o r es u p r a 【1 6 1 在t o r es u p r a 上通过红外相机诊断监测得到t p l ( t o r o i d a lp u m p e dl i m i t e r ) j - 热沉积的二维空司分布。通过一个流面平均热输运模型进行实验分析结果显示 沉积_ 臼= t p l 上的大部分热量是由于垂直磁场输运导致的。通过一个类似于 m o n 睁c a r l o 的方法模拟t p l 上的热沉积类型。 3j e t i7 几川川嗣剧 第一章序论 ；回 ： i： 回j r i i - ： ： l j ；州一 f l 圣 图卜5j e t 上e l m s 时外靶板上的热负荷和温度 图卜5 为发生e l m s 时j e t 夕t 靶板上的热负荷和温度。从图中可以看到， 红 外相机观测到的e l m s 持续时间_ ci r e l m 为0 2 5 毫秒时，热负荷达到了 1 8 0 m w m 2 ；而e l m s 持续时间为o 6 5 毫秒时，外靶板的热负荷只有约4 0 m w m 2 。 可见，在能量释放相同的条件下，发生e l m s 的时间越短，给偏滤器靶板带来的 热负荷越大。并且外靶板上温度最高时热负荷达到最高。 4 i t e r 【1 8 】 如果i t e r 运行在q = 1 0 的条件下，并且聚变功率。= 5 0 0 m w ，p a + p i 。= 1 5 0 m w ，不考虑其它作用时，这些能量将会扩散过最外磁面然后沿磁力线 迅速到达偏滤器靶板。这些能量沉积到偏滤器靶板上的实际面积是由刮削层的宽 度决定的，由一个经验模型推断得到这个面积最小为2 m 2 。根据这些条件可以得 至j j l t e r 偏滤器靶板上的热流为7 5 m w m 2 ，可与太阳表面辐射的热流相比。但是 目前的第一壁材料，在有水冷的情况下也只能承受1 0 2 0 m w m 2 的热流。更大 的热流会导致材料的破坏和等离子体不能承受的污染。预期由于杂质的辐射将会 使i t e r 第一壁大部分面积上的热流降低7 5 ，使偏滤器靶板上的热负荷降低到 可以承受的程度。如果等离子体中的固有杂质( 比如碳) 不能有效降低第一壁热负 荷，将会在i t e r 等离子体中注入杂质。一个理想的方案是注入杂质在最外闭合 磁面内部紧邻最外闭合磁面产生一个辐射层。尽管如此，由于对芯部约束不能造 成较严重影响，辐射掉的能量是受限制的。通过详细的模拟，预计偏滤器靶板的 热负荷将会降4 氏n 4 , 于1 0m w m 2 。 9 一olitr鲁；0v e，)三；苎si皿 瑚 旧 o 一毫、兰jjt5艮 i 7 也忐运行条件下* 一热鲍苛阱咒 5 减轻蒴一站热负荷的研究 i “m e r 。r c c c s 7 r 图l 一6 t o r es u p r a 第一壁材料和水冷结构【1 9 】 水冷是带走第一壁热量、减轻第壁热负荷的有效途径埔过热沉中的水冷 管道将热量带走。图卜6 所示为t o r es u p r a 上的水冷结构。 另一种目前研究较多的方式是r l 模( r a d i a t i v e i m p r o v e d m o d e ) 。托卡马克放 电中的固有杂质即c ，o ，和高z 金属，被认为是维持高参数持续放电的有害杂质 然而在某些条件下。人为地注入杂质产生边界辐射层却起到了改善约束、减少第 一壁材料热负荷的作用，这是聚变反应中的一个重要的方案。在等离子体中注入 杂质( n e ，a 订得到p d 模。这是一种吸引人的未来等离子体聚变点火方式的运行构 想。殳i 模最先在t e x t o r - 9 4 上得到，在d 卜d 、j e t 等装置上的不同条件下的 杂质注入实验显示了r i 模的特性。它可以改善约束同时得到高辐射，高约束， 高密度在等离子体边缘形成一个冷辐射层，降低第一壁的热负荷 2 0 。 在t e x t o r 9 4 实验数据表明在r i 模条件下i t g ( t o r o i d a ll o nt e m p e r a m r e g r a d i e n t ) 小稳定性在等离子体小半径上很大程度消失了，这主要是由于与l 模相 比密度曲线n ( 订的剧烈增长和离子有效电荷的增加引起的i 2 1 。r i 模既不依赖于 磁场结构，也小依赖于等离子体加热方法，与其他改进的约束模式相比邑有许多 优势：i 它可以维持极限密度2 注入杂质在边界的巨大热辐射减轻了第一壁材 料的热负荷：3 它能和h 模兼容，在这种模式下甚垒能提高h 模的陆能 2 2 。 r 尸攀黑薯“”! “矿一j ， 一一一一一一i 1 t o l 仁= 二= = = ：= = 二= = ，：= = = = = = = 。习 f。_1：!：。，一l 匿i7 t e x t o r 上的r l 模丈验：2 3 ；4 霹甄羽! 梆，m ”蕊斓 ! o 二二二u 塞函 图1 - 8a s d e xu p 口a d e 上的r i 模实验 2 4 圉1 ，衙示为稳定条件下t e x t o r 上的r i 模实验如( 等离子体电流) = 3 5 0 k a ， b t ( 场强瞳) ；22 5 t ，n p ( 电子密度) 一05 x 1 0 “，m 。- p i n ( 汴- x 功率) = 23 m w ， t r i m “j t e 1 0 0 。从日中可以看出注入n e 后密度接近格林密度极限- 并提高了h 模 的肚能h 模增强网于6 埘在注 n e 后接近于【， 目1 8 鳓a s d e xu p g m d e 上的r i 模实验，实验条件：p = l m a b t - 20 t ， n p q 。1 0 3 ”m3 一p 坩，= 45 m w ，p i c r j 2 0 m w 。左二幅图分别为输入能量、充气流 量偏滤器温度，右圜：州虬w ( 等离子体密度与格林极密度的比值) rh 9 8 ( h h t - 7 稳态运行条件下第一肇热负荷的研究 模增强因子) ，z 州( 有效电荷数) ，1 3n ( 比压) 。可以看到，在注入a r 杂质后偏 滤器上的温度明显下降，等离子体密度与格林极限密度的比值有所增加。 杂质注入放电中约束提高、第一壁的热通量降低在很多装置上都观察到了， 它将成为未来磁约束聚变装置运行中的一个重要模式。 1 2 4 面对等离子体材料的选择 在托卡马克装置放电过程中，第一壁材料上( 特别是限制器和偏滤器区域) 的高热负荷，对材料性能和制造过程有很高的要求。在稳态运行中，偏滤器承受 的能量负荷从5 兆瓦到接近2 0 兆瓦每平方米而导致的壁材料疲劳是一个重要的问 题：由于等离子体破裂导致的能量沉积可达到数十兆瓦每平方米，破坏腐蚀偏滤 器：e l m s 和v d e s 也导致了大量的等离子体能量沉积在小部分区域 7 。这就要 求必须选择合适的材料作为第一壁材料。 二十世纪六十年代，为了降低碳和氧杂质的含量，最初的托卡马克真空室壁 材料为不锈钢。不锈钢壁托卡马克得到了较干净的等离子体并且低z 元素在芯部 完全电离，一但仍然有无法接受的碳、氧和金属杂质。金属污染不可避免地与第一 壁和限制器材料有关。二十世纪七十年代后期，随着辅助加热的使用( 最初为中 性束注入) ，p l t 首次使用了石墨限制器。使用中性束注入后，在高功率和相对 较低的等离子体密度条件下，获得了很高的边缘等离子体温度和功率密度，造成 了石墨的溅射和芯部辐射。另外，即使在过高的温度下，石墨表面也只会升华而 不会熔化。因此，石墨成为聚变装置中首选的限制器和偏滤器材料。到二十世纪 八十年代中期，许多托卡马克都采用石墨作为限制器或偏滤器材料。同时，为了 研究出石墨和氢等离子体间的化学反应，实验室开始了对石墨的测试和模拟。实 验室结果指出，在化学溅射产额约为0 1 c d + 时石墨会被氢离子腐蚀，高温下的 r e s ( r a d i a t i o ne n h a n c e ds u b l i m a t i o n ) 也说明了石墨的高腐蚀率。尽管如此，石 景仍然是世界上大型托卡马克的主要面向等离子体材料。 根据托卡马克运行的经验，目前第一壁材料主要为石墨，主要因为它耐热冲 击性高，可以承受突发事故而不会熔化，从而避免了表面的不规则。j e t 中用铍 作第一壁和偏滤器( m k i ) 材料是一个显著的例外。钨在a s d e x u p g r a d e 上的使 用和铝在a l c a t o r c m o d 上的使用，证明了高z 材料可以应用于偏滤器聚变装置。 1 2 第一章序论 表卜li t e r 第一壁候选材料的优缺点： c f c b ew 优点 良好的抗热冲击和良好的吸氧能力- 低物理溅射产物，溅 抗热疲劳性能射阈值高 低z ，杂质污染等离 在极高的温度下不子体的危险性低，低辐 氢等离子体中无化学 会熔化( 但会升华) 并射能量损失溅射 保持形状不变 热传导率高 高熔点，高热导 低z ，低辐射能量损 失相关托卡马克研究低的氚贮存 经验 已有良好的焊接技可通过原位等离子体 术 可通过原位等离子喷涂修复 体喷涂修复 大量托卡马克使用已有良好的焊接技术 经验已有良好的焊接技 术 在目前的托卡马克 中，c 辐射起到了有利低活性 的作用，因为它通过辐 射冷却偏滤器等离子 体降低靶板热负荷 缺点化学腐蚀导致腐蚀 熔点低，耐破裂能力高辐射能量损失导致 寿命降低 低，破裂时融化层流失对等离子体污染限制低 化学腐蚀导致氘和高物理溅射产物氧杂质导致化学腐蚀 腐蚀的碳共同沉积 有毒，需要安全的处破裂热负荷导致熔 破裂时由于变脆破理技术 化，熔化层流失 坏导致高腐蚀 耐氧化性差 1 5 0 0 时变脆 受中子辐射后物理 和化学性质在很大程厚b e 0 层的性质未 要求等离子体边界温 度上变坏知 度低以降低溅射 中子辐射导致变脆辐射损耗量高 h t - 7 稳念运行条件下第一肇热负荷的研究 下一步聚变反应堆第一壁材料的选择，是聚变等离子体环境的单一特点带来 的多种要求的组合。影响材料选择的因素主要是等离子体性能( 减少等离子体中 杂质污染和辐射损失) ，机械结构，材料寿命( 可以承受热应力，可接受的腐蚀) ， 安全性( 降低氚和辐射杂质量) 。从这些方面来说，腐蚀沉积和氚滞留是影响下一 步聚变装置第一壁材料选择的主要因素。 在i t e r 设计中，铍是第一壁首选的候选材料，钨是偏滤器( 除了打击点附 近) 的首选材料，c f c ( c a r b o nf i b e rc o m p o n e n t ) 是打击点附近候选材料。这三种 候选材料都有相关的优缺点，并且它们的使用取决于特殊的要求。偏滤器垂直靶 板打击点附近材料选择c f c ，主要是由于它良好的能量处理能力和耐热冲击能 力；在极高的温度下也不会熔化( 但会升华) 并保持形状不变。在这部分区域， 使用铍会导致寿命短，使用钨在高能量沉积瞬时事件中由于蒸发会污染等离子 体。另外，如果全部用钨，则需要考虑破裂和e l m s 导致的熔化层的形成和性质， 表面彳i 规则的形成还可能导致稳定放电过程中的热点。由于低物理溅射和物理溅 射临界能量高，钨被用在能量低氢中子通量大的区域，在这个区域c f c 和铍的 使用会导致高溅射和过短的寿命 2 5 3 0 。 1 3 研究稳态条件下第一壁热负荷的意义 等离子体中产生的能量都会经过一系列过程( 辐射、热传导、热对流等) 最终 沉积到第一壁材料表面。在某些情况下，比如等离子体破裂时，热流和脉冲长度可 以达到一定程度使材料表面温度超出了熔化甚至蒸发温度。在循环等离子体操作 中壁材料疲劳是一个重要的问题。热冲击导致了烧蚀，开裂，蒸发，表面熔化等问 题而严重影响了材料的寿命。 对磁约束聚变研究来说，未来聚变堆需要解决的主要问题之一是实现稳态运 行。随着聚变实验的参数的提高、时间的延长和能量的增加，等离子体与第一壁 材料的相互作用将会越来越强烈，从而导致第一壁上热负荷的增加。目前的托卡 马克以及将来的聚变装置如i t e r 受到偏滤器靶板和第一壁上能量沉积控制的限 制，所以开展对聚变装置的第一壁温度测量和热负荷特性的研究将为未来聚变实 验装置的安全运行、第一壁材料的优化选择和结构设计、改善等离子体性能提供 重要的依据 3 1 。 1 4 菊一审序沦 i 4 本论文研究的主要内容和意义 通过h t _ 7 上的红外测温诊断系统，主要获得了以下结果： 1 实时观测装置中部分限制器瓦片、内衬及低杂波天线的温度变化，根据 测得的温度判断局部过热点的位置，反馈信息并及时控制等离子体位移以得到较 长脉冲的放电，为装置的安全运行提供实时信息。 2 对高场侧环向限制器进行温度测量和分析，主要在长脉冲放电条件下进 行了测量。研究长脉冲运行条件下高场侧环向限制器表面温度与水平位移和低杂 波注入能量的关系。 3 对装在上部的活动限制器进行温度测量和分析，测量了活动限制器在不 同位置时的表面温度分布，通过计算得到了限制器表面大致热负荷分布。 4 在e a s t 的初步实验中观测高场靶板和偏滤器内靶板的温度分布，研究 高场靶板温度与等离子体位移的关系。 本论文意义： 本文通过红外测温系统实时地测量和分析h t - 7 准稳态运行条件下第一壁温 度的分布，研究限制器表面的热负荷及其影响，并与其它诊断研究相互验证，为 h t 7 装置的安全运行和改善等离子体的性能提供了一定的实验依据，也将为未 来的聚变装置e a s t 、i t e r 的第一壁热负荷研究积累相关的经验。 h 17l 志屠行基”。蒋一# 鸪鲍衍1 研z 第二章热负荷的计算 2 i 热负荷的计算方法 延长第一壁和偏滤嚣靶阪的寄命是托卡马克设汁和运行中的关键r 日题之。 进行热负赫的l _ _ 算和研艽将为束来粱变实验装置第壁材料的优化选择和结构 设汁、魏善等离于体| 生能提供重要的依据。 3 2 。e 前托卡马克第一壁热负荷多 是通过模拟f 主要是通过磁流体力学和传热学或相互影响的因素) 和实验测量结 粜r i 算得到，下面就介绍几种方法a l a s c o t 3 2 3 4 】 ；厂习! 广两 到i圜 。拦墨二= = ：兰io 堙兰：= 二 ( aj 讪斟m p l a f l e rr ； 州。出r m i d p l a r * rr 。【m m l ；jj1 j 5 ：0 ( b ) o u d d rr 。m 】 cr i e r m l mrr m l 圈2 1j e t 上模拟靶扳离子负荷曲线( s h o t5 0 4 0 i t - 5 4 s f a ) 离子电荷数z = i 抽) 离子电荷数z = 2 。 h 模运行条件下由于反常输运在等离子体边界区域部分地得到了控制，使 得m o t t t ec a r l oc o d ea s c o t 非常适合做边界研究。在1 e t 上，通过a s c o t 研究 丁由于高子质量和电荷数h ；同给离子负荷带来的影响。图2 - 1 所示为j e t 上通过 a s c o t 模拟的靶扳离子负荷曲线( s h o t5 0 4 0 l ，t - 5 4 s ) ，说明了离子质量和电荷数 对离子负荷曲线的影响：在其他参数相同的条件下与氘f a = 2 ，z = 1 ) 相比氨 ( a = 4 z = 2 ) 由于低热速度和离于一离子间高碰撞频率使得轨道损失有效地降低 j 从而降低了靶扳的离子负荷。 = 章热负荷的计算 ! k l 3 b 一1 d k l 3 b 一2 d ，a b a q u s 1 4 i 1 5 0 0 ；o o 。 s 0 0 1 图2 2 在a b a q u s 中输入一个15g w m 2 持续时间为3 0us 的方脉冲 ( a ) 计算得到的温度演化( b ) k l 3 b i d 重新计算得到的能量密度 在j 盯上通过特殊设计的红外相机对e l m s 给偏滤器带来的热负荷进行了 测量。相机接收波长范围为3 5um 空间分辨率是每象索8 或4 m m 相机采样 频率可达到3 m h z ，一般情况下测量高温时暴光时间设为2ps ，这些特点在e l m 快测量中得到了充分应用。 在j e t 中发现由红外相机测量结果算得的能流在偏滤器上面积分后结果 超出了测量的每次e l m 能量损失的4 倍。造成这个差别的最可能原因是瓦片表 面沉积了灰二e 或再沉积的碳，它们与壁材料之间没有良好的热接触导致测得的温 度比预计高。在通过k l 3 b i d 和k l 3 b 一2 d ( 分别是一维和二维模型温度与材料 性质相关) 进行能量汁算时，只考虑了c f c 的热特性，计算中还假设纤维和石墨 矩阵在表血性质相同但观测到的纤维和矩阵的腐蚀方式是不同的。最终在大部 分装置中观测到了沉积在第一壁材料上的沉积层。在m k i i 运行结束后在偏滤 器瓦片上发现了碳的再沉积层。内靶板水平瓦片上的沉积较厚正是在e l m 时观 测到最高温度处a 然而，由于沉积层的热性质是来知的并且随时间变化，在计算沉 积能量时考虑到沉积崖是非常困难的。通过红外热像仪测量h t - 7 限制器的温度 一，_；ocao h t 7 稳态运行条件下第一带热负茼的研亢 时，由于表面腐蚀沉积等原冈改变目标物体的发射率同样会给我们的测量带来误 差。 。 为了研究忽略沉积层而只考虑第一壁材料性质给沉积功率汁算