磁约束装置壁处理及等离子体与壁的相互作用课件

1、磁约束装置等离子体与壁的相互作用李建刚2005/03第1页，共36页。内容基本概念和图像；基本问题；壁处理；石墨材料；目前该领域的前沿问题稳态运行下的重要问题下一代装置的新问题。第2页，共36页。几个较为重要的概念物理溅射：入射粒子+固体原子-自由原子 E=（m1+m2)2 W0 /4m1m2化学溅射：入射粒子与碳结合成挥发分子。主要发生在碳材料中。如H、O与C结合成CH或CO等辐射增强升华 (Radiation enhanced sublimation)；T1500C热升华；再循环；解吸和起弧.第3页，共36页。基本概念PMI过程一方面会造成PFM的损伤；另一方面会给等离子体引入杂质，此外还

2、将对燃料粒子的再循环产生影响。损伤机制：溅射；蒸发；解吸；起弧；背散射；反扩散；表面起泡；氢在晶界处析出等；中子辐照引起的体损伤等第4页，共36页。面对等离子体材料和等离子体间的相互作用非常复杂第一是器壁（或更一般的面向等离子体物质材料）中放出的各种粒子（包括所吸附的工作气体、杂质气体和组成材料本身的元素）进入等离子体约束区后对等离子体约束特性造成的影响；第二是物质材料本身受等离子体中粒子长期作用后的损伤。第5页，共36页。壁附近最基本分布图像边界氢分布第6页，共36页。Plasma configuration and internal structure第7页，共36页。基本图像及过程第8页

3、，共36页。边缘等离子体和其周围壁的相互作用将对等离子体芯部产生重要的影响边缘等离子体是热绝缘层，同时控制杂质进入到等离子体芯部；壁受很强的热负荷以及来自芯部粒子的轰击，材料腐蚀及杂质产生；氢的再循环过程的控制及对等离子体密度控制的影响；在热和粒子作用下材料性能的稳定及使用安全性/微观结构的变化中子辐照后材料活化及变性第9页，共36页。等离子体与壁相互作用中的基本问题壁处理：除去杂质（Z2，特别是氧）、降底氢的再循环。面对等离子体的材料低Z（主要是碳、铍）材料、高Z材料：W、Mo。Erosion and redeposition;氚及灰的滞留和去除；中子辐照第10页，共36页。壁处理的目的1、

4、降底杂质，特别是氧（重杂质含量小于0.02%，轻杂质控制在2-3%以下）2、控制再循环3、屏蔽金属（来自第一壁）杂质4、去除C/D复合涂层第11页，共36页。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页，共36页。Why O must be reduced?Higher density limit due to lower O content第13页，共36页。氧杂质问题在石墨限制器中，氧起着特殊的作用。当高能氧离子先滞留在植入区，直到每个碳原子+约0.25个氧原子，而后它以CO和CO2的

6、形态再发射，其产额接近1。 这些分子不都是以热能的形式释放，而显示有一约0.25eV的快成份。在主等离子体中有较高的穿透几率，在吸解和电离后，CO和CO2成为等离子体碳杂质和氧杂质源。 氧离子轰击碳形成CO和CO2差不多为1的产额及其挥发性意味着：在碳壁装置中氧以接近于1的再循环系数再循环。第14页，共36页。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气体以及石墨中因H粒子的化学溅射而产生的挥发性CHx等参与再循环，使得燃料粒子的再循环有

7、可能大于1第15页，共36页。壁处理的方法烘烤：100-350C，去除装置中的水。GDC: H2(He),0.2-2kV, 1-5A, E=eV,去除装置中的去氧、碳等轻杂质。TDC: 高频率的短脉冲等离子体放电，去除装置中的去氧、碳等轻杂质。射频清洗：在有磁场的情况下，利用离子回旋共振产生等离子体，去除装置中的去氧、碳等轻杂质。第16页，共36页。 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页，共36页。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页，共36页。聚变用面对等离子体材料问题的提出磁约束核聚变堆所面临的新材料的要求是非常具有挑战性的聚变研究初期的材料问题大型托卡马克试验研究的材料问题改善等离子体参数杂质和密度极限问题下一代聚变装置的材料问题特征：高功率加热和长脉冲运行壁材料和等离子体间的相互作用传热问题材料的结构和性能稳定性问题使用寿命问题第19页，共36页。限制器、抽气限制器、各态历经偏滤器(磁限制器);偏滤器、抽气偏滤器；不锈钢、W、Mo、Graphite、Be、CFC、CFC+高Z（W，Mo，V，为反应堆做准备）；目前的

10、研究认为：高Z材料往将来聚变堆方向发展可能更有前途。 面对等离子体材料的研究现状第20页，共36页。面对等离子体材料的侯选材料及其优缺点第21页，共36页。 聚变装置用石墨材料研究进展1970s后期，PLT装置第一次使用石墨限制器起因：PLT采用NBI辅助加热系统；限制器：起初用W为限制器，但在高功率和低的等离子体密度情形下，获得了很高的边缘等离子体温度和功率密度，引发W的溅射，辐射损失大；改进：用石墨限制器替代了W限制器，结果获得了巨大成功。主要原因在于石墨材料属于低Z材料，辐射损失小；表面过热时只会升华，而不熔化。从此，炭材料成为核聚变装置中限制器和偏滤器设计时优先考虑的材料第22页，共3

11、6页。聚变装置用石墨材料研究进展到80年代中期许多托卡马克装置在运行时都采用石墨限制器或偏滤器板与此同时，实验室中针对石墨材料的测试和模拟开始广泛进行，旨在阐明石墨与氢等离子体的化学反应炭的化学腐蚀和RES行为；中子辐照下炭材料的一些性能和结构变化；炭与氢的同位素的共沉积行为；目前炭材料仍然是世界范围内大型托卡马克的主要面对等离子体材料除了作为限制器和偏滤器，炭材料还在扩大其使用范围，如覆盖整个真空壁象TFTR，DIII-D，JT-60U，Tore Supra，ASDEX-U（现在在发展高Z的W）等采用全炭壁。第23页，共36页。第24页，共36页。第25页，共36页。石墨的化学溅射第26页，

12、共36页。炭材料的化学腐蚀行为在炭材料表面通常存在一些不饱和的炭原子，它们没有处于石墨晶体六角网状体系中，而是处在炭网格的端面处，我们通常称之为活性点部位这些活性点部位通常容易和轰击的H+形成炭氢化合物，这些炭氢化合物与炭材料的结合能较低，容易被溅射出来或热脱附出来，形成化学溅射化学溅射和轰击粒子的能量，粒子束密度，材料的表面温度，材料本身的性质如晶体结构等有很大关系，并受到材料中存在杂质的影响；炭材料的晶体结构越完整，活性点部位的数量越少，在低温下的化学溅射产额就会降低，因为低温下的主要产物是甲烷基，CH3的溅射域值很低，大约为2eV。第27页，共36页。炭材料的化学腐蚀行为随温度升高至40

13、0K，炭材料的热化学腐蚀开始变得明显，此时的主要产物是CH4，还有一些大分子；CH4分子在高温下获得能量后从炭材料中脱出来。随温度进一步升高至600K以上，轰击粒子间互相结合成为H2，从而使化学腐蚀在一定程度上有所降低，这也是导致炭材料在800K出现溅射峰值的主要原因。如果炭材料中存在着一些杂质原子，这些杂质原子往往改变了石墨晶体中炭原子间的电子结构，如B原子，屏蔽了一些活性点部位，可大幅度降低化学腐蚀；杂质还可起到催化脱出氢的作用，从另一方面降低了化学溅射。第28页，共36页。石墨材料的发展：掺杂及功能镀层低化学溅射，抗RES，高热通量炭基复合材料成为目前的研究重点炭材料内部改性（添加B，S

14、i，Ti，V，Zr，Ni，W或其炭化物等）；表面涂层（B4C，SiC，TiC，W等）；高导热率石墨和CFC复合材料；石墨（CFC材料）和铜热沉的连接技术及其性能评价。第29页，共36页。掺杂石墨的抗RES行为抑制辐照升华现象的发生，主要是在炭材料中引入一些掺杂元素，如硼，硅，钛；这些元素能够在炭原子扩散至表面以前将这种晶隙间炭原子俘获生成一种稳定的炭化物，从而有效地降低了炭原子的有效扩散系数，则可降低RES。研究发现RES依赖于掺杂成分，掺杂浓度，掺杂石墨的微观结构。RES随着掺杂组元浓度的增加而降低；Si掺杂石墨和Ti掺杂石墨的抗RES行为要好于硼化石墨。对不同种类和组成的掺杂石墨考察后发现

15、，含13.8%B的硼化石墨及含5.0%Ti的掺钛石墨具有最好的抗RES性能：在1800K，与纯石墨相比，这两种石墨的RES产额分别降低2倍和4倍；与热解石墨相比，RES产额降低3倍到5倍。掺杂石墨的RES行为还与掺杂粒子的大小有很大关系，USB15的RES溅射值要比GB20的还要小，主要原因就是B4C粒子很细（粒径小于1微米）。启示：对于偏滤器或限制器材料，可以考虑主要是Si，Ti掺杂。原因主要是两方面：Si，Ti掺杂石墨可以获得比较高的热导率；另一方面就是偏滤器或限制器运行温度较高，炭的腐蚀主要取决于RES。第30页，共36页。目前该领域的前沿问题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页，共36页。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页，共36页。稳态运行下的重要问题氢的分布、滞留，特别是在壁饱和条件下的行为；再循环的作用、对高约束性能的影响、控制；杂质对长脉冲特别是高约束等离子体的影响；第一壁材料的腐蚀及再沉积；材料的辐照损伤。第33页，共36页。下一代聚变装置中等离子体与表面的相互作用在下一代装置中（像ITER）的运行条件和环境：放电脉冲时间和工作循环比起目前的聚变装置将大大延长，高热负荷以及更为强烈的等离子体破裂。第34页，共36页。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