直线等离子体装置中氩等离子体热负荷特性研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)四川大学原子核科学技术研究所 作者:欧 巍

  利用自建的单阴极直流弧光放电直线等离子体装置研究了氩等离子体的稳态热负荷特性,拟为研究等离子体性质、及其与壁材料相互作用提供一定的参考。研究表明,实验中产生的氩等离子体热负荷可达0.5MW/m2,能持续稳定放电5h以上;氩等离子体热负荷与输入功率成正比,热效率随输入功率的增加而增大;等离子体热负荷强烈依赖于磁场和气体流量,磁场越强、流量越高热负荷越大;同时,增加气体流量或增强磁场,均可显著提高等离子体热效率。通过测量相同条件下距离阳极等离子体喷口215和430mm处的热负荷发现,两处热负荷相差2倍,表明在轴向上热负荷与距离成反比。

  在未来聚变堆中,高热负荷(极端情况下高达1GW/m2)与壁材料相互作用,除了因开裂和变形影响部件的力学性能外,还会造成壁材料熔化、蒸发以及增强辐照升华效应,产生杂质,研究表明杂质的产生将严重恶化堆芯等离子体放电性能,降低正常运行周期。

  多年来,各国相继建立了不同的热负荷装置,模拟聚变堆中等离子体边界处的低温高密度等离子体环境,研究高热负荷与壁材料相互作用,这些装置产生热负荷的方法包括电子束、离子束、等离子体及红外等加热等。荷兰的Pilot-PSI及Magnum-PSI、美国的PISCES 及日本名古屋大学的NAGDIS等利用直线等离子体装置研究高热负荷与壁材料相互作用。荷兰的Magnum-PSI在1.3T的强磁场、放电电流为250A 的条件下可产生12MW/m2 的稳态热负荷,其上的瞬态热负荷也可达到1GW/m2,这为利用直线等离子体装置研究热负荷性质、模拟聚变堆中壁材料和等离子体相互作用提供了可能。在Pilot-PSI和Magnum-PSI基础上,Temmerman等研究了氢、氦等离子体的热负荷特性,给出了等离子体热负荷的径向分布,表明等离子体束的热负荷在径向上呈高斯分布,且等离子体热负荷随放电电流和磁场的增大而增大,表现出了很大的依赖关系;Ezumi等在直线装置NAGDIS上测量了等离子体轰击到靶板上的平均热负荷随压强的变化,表明在放电电流为100A,外加磁场为0.25T时,压强从1.3×102 增加到7.0×102Pa时,热负荷从11减小到1.1kW/m2

  为了研究等离子体与壁材料相互作用,本课题组研制了低温高密度直线等离子体装置。为了了解装置中等离子体所携带的热负荷特性,本文通过测量不同输出功率下氩等离子体在不同磁场、不同流量时的热负荷,研究了氩等离子体的热负荷特性,详细介绍了磁场、气体流量和输出功率对氩等离子体热负荷的影响,并分析了等离子体中热效率的变化及不同位置处热负荷的差异。

  1、实验装置及方法

  图1为本课题组研制的单阴极直线弧光放电等离子体装置,包括等离子体源、等离子体输运腔室、水冷系统、磁场线圈、真空系统及热负荷测试仪等。等离子体源采用单阴极直流级联弧光放电,输入功率最高可达80kW,产生的等离子体效率高,等离子体束稳定。

直线等离子体装置示意图

图1 直线等离子体装置示意图

  3、结论

  通过对直线等离子体装置中氩等离子体热负荷特性的研究,分析了等离子体热负荷和热效率与输入功率、磁场和流量的关系,得出以下结论:

  (1)在流量和磁场一定时,随着输入功率的增大,热负荷呈线性逐渐增大,热效率也逐渐提高;

  (2)流量越多、磁场越强,等离子体的热负荷越大,热效率也越高;

  (3)不同位置处热负荷强度不同,离源越近热负荷越高,在相同条件下距离阳极喷口215和430mm处的热负荷可相差2倍;

  (4)在等离子体装置中,腔室压强和输入功率与流量有关,流量越大,压强越高,输入功率也越大。

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