EAST全超导托卡马克装置清洗及涂覆壁处理技术发展与应用

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

  在托卡马克装置中,壁处理技术是提高高温等离子体性能的一个关键手段,主要用于抑制等离子体杂质,降低粒子边界再循环,控制氢同位素比例,提高等离子体品质,保证高参数、长脉冲等离子体运行。

  从 2006 年 EAST 全超导托卡马克装置建成并开始运行以来,发展了不同先进壁处理技术,为等离子体提供了良好的器壁环境,为EAST装置取得的系列进展创造了基本条件。这些壁处理技术主要包括器壁清洗技术(烘烤、如磁场不兼容的直流辉光放电清洗、能在强磁场环境中工作的离子回旋放电清洗等),以及硼化、硅化、锂化涂覆壁处理技术。

  在全碳壁条件下,通过长时间烘烤(250oC)和直流辉光放电清洗,EAST装置等离子体放电真空室真空可以达到2x10-6Pa。利用离子回旋放电清洗可以在强磁场条件下工作的特点,放电间隙离子回旋清洗可以快速清除滞留在器壁的氢同位素,改善粒子再循环。由于同位素交换,采用氘离子回旋清洗更有利于清除器壁中氢,降低氢在等离子体中比例。

  氧化壁处理可以有效清除碳-氘在器壁的沉积层,释放氢同位素,是未来聚变装置清除 T 的主要潜在手段。2006 年 EAST 装置建成运行后,利用直流辉光放电或者离子回旋放电,对面对等离子体的器壁表面涂覆一种适合等离子体放电的几百纳米薄膜,如硼化(C2B10H12+He/D2)、硅化(10%SiH4, SiD4+90%He)壁处理。实验证明硼化可以有效降低等离子体中杂质水平,提高等离子体参数。然而,由于所使用的材料富含氢同位素,硼化、硅化壁处理后等离子体边界再循环较高,并且等离子体中氢的含量难以降低到 25%以下,限制了等离子体参数的提高。为了进一步研究降低边界再循环和等离子体中氢含量,在 EAST装置开展了锂化壁处理。由于锂的活泼的化学性能,锂可以与 C,O,H 等反应,生成非常稳定的化合物,从而有效降低等离子中杂质及氢含量,同时也降低等离子体边界再循环。

  由于边界粒子再循环降低等因素,通过多次锂化壁处理,等离子体参数明显提高。尤其是降低等离子体从低约束模转换到高约束状态的能量阈值,为高约束模等离子体获得提供了条件。另外,等离子体中H/(H+D)降低到10%以下,为离子回旋少数离子模式加热提供条件。提供锂化,EAST装置不仅顺利实现了高约束模等离子体放电,并且获得了长脉冲高约束模放电。另外,等离子体放电脉冲达到约 400 s。

  总之,在 EAST装置上壁处理技术得到了明显发展,多项技术已经处于国际领先,促进了EAST装置高温等离子体参数的提高。

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