HT-7托卡马克全金属壁及锂化条件下辉光放电清洗的研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中科院等离子体物理研究所 作者:毕海林

  辉光放电清洗被广泛应用于聚变装置的壁处理,但是对于未来国际热核实验反应堆全金属壁条件下的实验运行,需要积累更多经验。HT-7 托卡马克从2011 年开始,采用全金属第一壁,包括钼限制器和不锈钢内衬,而且具有抑制杂质和降低再循环功能的锂化,也被HT-7 用为常规的壁处理。研究发现,辉光放电清洗对于锂化金属壁同样具有杂质清除效果。全金属壁条件下,He 辉光对于H,O,C 的清除率分别达到4.2 × 1023,1. 1 × 1022,2. 4 × 1021 atoms /h,锂化条件下,He 辉光的清除率具有相似水平。此外,文章还研究了不同种类气体和壁温对于辉光效果的影响。先进超导托卡马克实验装置( EAST) 不久也会采用钨偏滤器和钼第一壁,因此本文研究的内容对于全金属壁的EAST 也同样具有重要意义。

  聚变装置托卡马克高功率的运行将带来严重的等离子体与壁相互作用,特别是在像国际热核实验反应堆( ITER) 这样的未来超导托卡马克中。为了获得高参数等离子体放电,必须有效地抑制和消除壁上的杂质以及降低氚的再循环。而有效的壁处理就能够减少杂质和降低氢同位素的再循环,因此许多装置都在研究一些壁处理手段,例如烘烤,放电清洗,薄膜沉积等。将第一壁在大约200℃下烘烤能够有效从器璧上释放杂质。辉光放电清洗和离子回旋清洗能够产生高能粒子轰击壁表面,引起电子或离子诱导的杂质释放,因此也被广泛应用于改善壁条件。将低Z 材料以薄膜沉积的形式( 如锂化、硅化、硼化) 涂覆在面向等离子体部件上,也被用于抑制杂质以减少杂质辐射。

  尽管超导托卡马克装置中高强度磁场的存在限制了辉光放电清洗的使用,但在实验运行前期没有环向磁场的情况下,辉光放电清洗和烘烤依旧是最重要的壁处理手段。而且辉光放电清洗也被ITER 考虑作为一项关键的技术应用于真空室暴露于大气之后的壁处理。Tore Supra 中,烘烤、D2辉光和He 辉光是被作为标准的壁处理程序来运用,有12 个主动冷却辉光电极放置在真空室中。而且在D2辉光之后,可用He 辉光来减少器壁中氘的浓度。KSTAR 中,在利用He 辉光的硼化过程中,从碳硼烷中脱离的残余H 原子,使得在接下来的等离子放电中密度难以控制。而用D2辉光代替He 辉光之后的硼化过程中,硼膜中大约30% ~ 40%的H 原子被D 原子所替代,从而有效减少了氢的水平。JT-60 中氚移除的实验显示,由于H2辉光中的化学过程,H2辉光比He 辉光有更高的氢同位素( 氚和氘) 释放率。在TEXTOR 和Tore Supra 中,同位素置换效率的对比结果显示,相对于离子回旋清洗,辉光放电清洗具有高出5-10 倍的清除率。这是因为离子回旋清洗有很高的再电离几率,导致解吸的杂质又会再沉积到器壁上。

  锂化也是一种重要的壁处理方法,在NSTX 和TFTR 等装置上,分别有很多的研究。锂是一种低原子序数的金属,它的高比热性质和很强的杂质吸附能力,使锂也成为一种潜在的面向等离子体材料。用He 辉光作用于事先暴露于氢的锂膜的实验表明,He 辉光能够有效降低锂膜中氢的饱和度。先进超导托卡马克实验装置( EAST) 中,锂化之后的等离子体放电中,总的杂质辐射被有效抑制,电子温度也明显提高。然而,随着等离子体放电的运行,锂膜会逐渐被氢的同位素和其它杂质所污染,因此,在HT-7 和EAST 中,每天清晨都会蒸发新鲜的锂到器壁上。HT-7 中,为了减少器壁上存留的杂质,在进行新的锂化之前,通常会用He 辉光来解吸被污染的锂膜中的杂质。

  尽管辉光放电清洗被广泛应用于聚变装置,大部分都是在碳壁条件下,而ITER 将使用铍和钨作为第一壁材料,因此研究ITER 相关壁条件下的辉光放电清洗仍旧十分必要。HT-7 第一壁材料是不锈钢和钼,钼和钨具有相似的性质。锂化在HT-7中是一种常用的壁处理方法,第一壁通常被锂膜所覆盖。锂和铍也具有一些相似的性质,如低的原子序数和吸氧性,所以在壁材料的角度,HT-7 是一种ITER 相似的装置。因此在HT-7 中,全金属壁以及锂化条件下辉光放电清洗的研究,对于未来ITER中辉光放电清洗的运行具有十分重要的意义。在2012 年HT-7 秋季实验中,我们系统研究了全金属壁以及锂化条件下的辉光放电清洗。本文介绍了辉光放电清洗的具体过程,随着持续的辉光放电清洗,真空中不同气体的分压变化,He 辉光和D2辉光的清除率,器壁温度对清除率的影响,以及有无锂化情况下的对比。

实验系统

  HT-7 是一个具有超导环向线圈以及限制器位形的中型托卡马克装置,它的大半径R = 1. 22 m,小半径a = 0. 27 m。通常装置运行时,等离子电流Ip= 100 ~ 225 kA,中心电子温度Te = 0. 5 ~ 3. 0 keV,环向磁场BT = 1. 5 ~ 2 T,中心等离子体密度ne = ( 1~ 6) × 1019 m - 3。第一壁面积为12 m2,包括不锈钢内衬和1. 88 m2 的钼限制器。装置真空抽气采用三台大型分子泵和三台低温泵本底真空度能够达到7 × 10 -6 Pa。

  HT-7 的辉光系统包括两个环向对称的钼电极,如图1 所示。每个电极有独立的供电系统,最大电压为1000 V,最高电流为3 A。为了获得稳定设置的工作气压,使用具有反馈控制的压电阀来控制充气流量。实验中,通常采用He 气或者D2气作为工作气体,压强一般设置在0. 1 ~ 10 Pa。辉光时,低温泵与内真空隔离,只有两台分子泵工作。对于He和D2,两台分子泵总的有效抽速为2.01 m3 /s。

  由于辉光放电清洗时的工作气压超过了残余气体分析仪( RGA200) 的量程( 小于1 × 10-2 Pa) ,实验中采用了差分抽气系统让残余气体分析仪工作。差分抽气系统由单独的一个小型分子泵和独立的真空室组成,独立的真空室通过一个小流导管( 流导为0. 1 L /s) 和装置内真空室相连。通过安装在差分抽气系统上的残余气体分析仪,辉光期间不同气体的分压强能够被实时采集。此外,作者也通过热电偶温度计实时测量了装置第一壁的温度。锂化实验则在这轮实验的最后几天进行。

实验结果和讨论

辉光放电清洗的过程

  2012 秋季实验中,通常在每个夜晚进行一次4~ 8 h 的辉光来进行壁处理。整轮实验中,总共进行了34 次,共204 h 的He 辉光,以及5 次,共24. 5h 的D2辉光。辉光击穿时,每个电极的电压通常设置在1000 V,气压设置在1 ~ 10 Pa。辉光击穿后,将电流设置为2 A,工作气压设置为0. 8 ~ 1 Pa,此时差分抽气系统的真空度约为( 2 ~ 8) × 10 - 4 Pa。由于压电阀反馈控制的延时反应,气体分压在前几分钟内会有一些波动,但是很快就能稳定保持在设定值。

HT-7 装置中,辉光放电清洗系统的示意图

图1 HT-7 装置中,辉光放电清洗系统的示意图

  实验期间,研究了每一次辉光过程中不同成分气体分压的变化。如图2 所示,在第7 次辉光时,使用的是0. 8 Pa 的D2气,第8 次辉光时,使用的是1Pa 的He 气。在实验之前,装置内真空压强为1. 7× 10 -5 Pa,差分抽气系统压强为8. 5 × 10 -6 Pa。辉光启动后,H2( M2) ,HD ( M3) ,H2O ( M18) 和CO( M28) 的分压明显增加,但是其他成分变化不是很明显。分压的显著增加,意味着杂质成分从器壁表面的强烈释放,说明了辉光清洗的对壁处理的有效性。为了进一步的分析,通过差分抽气系统中各种气体成分的分压,计算出装置中各种气体成分的分压,计算的结果将在后面的小节中用到。

D2辉光和He 辉光过程中,不同气体分压的变化

图2 D2辉光和He 辉光过程中,不同气体分压的变化

结论

  本文讨论了HT-7 托卡马克装置中,全金属壁以及锂化条件下的辉光放电清洗。文章首先介绍了聚变装置中常用的壁处理方法,接着分别介绍了国内外辉光放电清洗和锂化的研究进展,然后阐述了本文研究的内容对于未来ITER 金属壁条件下壁处理的意义。在研究结果中,先是详细介绍了HT-7中的辉光系统,然后分别介绍了具体研究内容。

  启动辉光时,H2,H2O,和CO 分压的明显增加,说明了杂质从壁上的强烈释放,显示了辉光清洗的有效性。对比历次辉光清洗过程,H2O 和CO 的分压逐渐降低到相对稳定的值,说明通过辉光清洗,壁条件得到有效改善。通过比较He 辉光和D2辉光的清除率,发现D2辉光对于H 具有更高的清除率,而He 辉光对于C 和O 具有更高的清除率。

  此外,还比较了不同壁温下He 辉光的清除率,结果显示,更高的壁温能够提高He 辉光对于C 和O 的清除率。文章最后讨论了锂化过程中,锂膜中化合物的形成,并对比了有无锂化状态下,He 辉光过程中不同气体的分压和不同杂质的清除率。对比结果表明两种状态下具有相似的辉光清洗效果,但是锂膜对杂质具有强烈吸收效果,因此锂化结合辉光放电清洗对于壁处理会更有效。

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