【摘要】：在托卡馬克裝置運行中,面向等離子體第一壁(thefirstwall)受到來自芯部等離子體的穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)熱流與粒子流的轟擊,不可避免地發(fā)生等離子體與壁相互作用(Plasma Wall Interaction,PWI)。一方面,PWI過程中會發(fā)生一系列物理與化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)致燃料滯留、器壁侵蝕、雜質(zhì)生成等諸多問題,從而直接影響器壁的壽命并引發(fā)安全問題。另一方面,PWI過程產(chǎn)生的雜質(zhì)或塵埃等通過輻射能量降低等離子體加熱效率同時也稀釋燃料粒子數(shù)密度,使等離子體約束品質(zhì)變壞,對等離子體的高參數(shù)長脈沖(穩(wěn)態(tài))運行產(chǎn)生負面影響。因此,理清PWI物理過程并施以有效控制是托卡馬克核聚變獲得成功的關(guān)鍵問題。激光誘導(dǎo)擊穿光譜(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy,LIBS)技術(shù)被公認(rèn)為一種最有價值的可在托卡馬克運行過程中開展的壁診斷手段。LIBS診斷第一壁表面元素分布對理解PWI過程,揭示PWI機理具有重要意義。針對上述問題,本論文在實驗先進超導(dǎo)托卡馬克裝置EAST(Experimental Advanced SuperconductingTokamak,EAST)上,成功建立了遠程、原位激光誘導(dǎo)擊穿光譜(Remote In Situ Laser-Induced Breakdown Spectroscopy,RISLIBS)第一壁診斷系統(tǒng),在線研究了EAST上PWI過程中,第一壁燃料滯留,雜質(zhì)沉積以及壁處理等關(guān)鍵問題。提出采用超短皮秒(ps)和飛秒(fs)脈沖激光誘導(dǎo)擊穿光譜(ps-LIBS和fs-LIBS)可進一步大幅改善LIBS壁診斷的深度(表面法線方向)分辨能力并降低激光燒蝕對壁的損傷的研究思路。系統(tǒng)深入研究了 ps和fs脈沖激光對高Z鉬壁及鎢壁的燒蝕特性,確定ps-LIBS診斷高Z壁材料的最佳能量密度范圍,主要研究內(nèi)容如下:第二章依據(jù)激光誘導(dǎo)等離子體輻射光的偏振特性,提出并發(fā)展了偏振分辨激光誘導(dǎo)擊穿光譜壓制LIBS連續(xù)光譜輻射背景,提高信號背景比達8倍以上。針對LIBS壁診斷多元素同時分析的目標(biāo),在模擬EAST工作的高真空環(huán)境下,研究了 EAST偏濾器石墨瓦以及高Z金屬鎢壁、鉬壁的納秒激光誘導(dǎo)擊穿光譜(ns-LIBS)時空動力學(xué)演化特性,獲得了針對不同壁元素的LIBS實驗優(yōu)化參數(shù),為在EAST上LIBS診斷系統(tǒng)的優(yōu)化提供依據(jù)。以這些研究為基礎(chǔ),在EAST的H窗口成功建立了國際首套遠程、原位激光誘導(dǎo)擊穿光譜第一壁診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有遠程遙控操控能力、可工作在EAST主等離子體放電炮中及炮間,具有采集速度快、全譜采樣等優(yōu)點、已成為EAST裝置的重要壁診斷手段。第三章,針對未來聚變對壁診斷技術(shù)需滿足近無損(小于ng/pulse),高深度(表面法線方向)分辨率和高靈敏度的目標(biāo)。發(fā)展了皮秒激光誘導(dǎo)擊穿光譜(picosecond Laser-Induced Breakdown Spectroscopy,ps-LIBS)方法。在模擬 EAST 高真空環(huán)境下,研究了皮秒激光燒蝕高Z壁材料的物理特性。發(fā)現(xiàn)皮秒激光燒蝕高Z壁材料隨著激光能量密度增加,呈現(xiàn)三個典型燒蝕區(qū)。在第一燒蝕區(qū)(歸屬為光學(xué)燒蝕區(qū)),隨著激光能量密度增加,ps-LIBS元素特征光譜強度的增加比率大,該燒蝕區(qū)被推薦為ps-LIBS高Z壁診斷的優(yōu)選參數(shù)區(qū)。此外,實驗測定了高Z鎢壁的ps-LIBS形成閾值能量密度為0.3 ±0.1J/cm2,在壁損傷(激光燒蝕質(zhì)量)3ng/pulse,深度分辨率10nm/pulse條件下,獲得了鎢壁的LIBS信號。上述結(jié)果為未來發(fā)展ps-LIBS高深度分辨、近無損傷、在線診斷EAST的PWI過程提供重要數(shù)據(jù)支撐。第四章,為進一步提升LIBS壁診斷的深度分辨本領(lǐng),探索了飛秒激光對高Z壁材料的燒蝕特性。在高真空環(huán)境下,首次觀察到6 fs激光(中心波長790 nm)燒蝕高Z鉬壁呈現(xiàn)出五個典型燒蝕區(qū)。研究分析燒蝕率與激光能量密度關(guān)系,燒蝕坑形貌,激光能量穿透深度等特性,提出第一燒蝕區(qū)(光學(xué)燒蝕區(qū))和第二燒蝕區(qū)(熱電子燒蝕區(qū))是fs-LIBS壁診斷的優(yōu)選工作區(qū);第三燒蝕區(qū)(類熱燒蝕區(qū))熱效應(yīng)明顯,在燒蝕坑內(nèi)部觀察到明顯的液體再凝固粒子;第四燒蝕區(qū)(類相爆炸燒蝕區(qū))熱效應(yīng)更為顯著,在燒蝕坑內(nèi)部區(qū)域觀察到微米量級的液體再凝固粒子;第五燒蝕區(qū)(宏觀空爆炸燒蝕區(qū))激光燒蝕率弱相關(guān)于入射激光能量密度,燒蝕坑直徑2-3倍大于激光照射到靶材的光斑直徑,激光燒蝕從一維Z方向深度燒蝕轉(zhuǎn)變?yōu)槿SXYZ方向宏觀空爆炸燒蝕。第三到第五燒蝕區(qū)具有較強的壁損傷效應(yīng)與熱效應(yīng),不適合LIBS壁診斷應(yīng)用。在高真空條件下,使用6fs脈沖激光,在完全避免激光燒蝕等離子體屏蔽效應(yīng)的條件下,實驗研究了多脈沖飛秒激光燒蝕鉬材料表面反射率(吸收率)的變化特性。發(fā)現(xiàn)靶材表面反射率隨著脈沖燒蝕次數(shù)而改變,進而影響激光燒蝕質(zhì)量移除及LIBS定量分析,表明靶材反射率改變必須納入LIBS定量分析校準(zhǔn)方案中。第五章針對本論文取得的主要成果進行總結(jié),對后續(xù)研究工作開展進行了展望。
【圖文】：

如水能、風(fēng)能、太陽能、潮汐能、地?zé)崮艿瓤稍偕鍧嵞茉匆驯婚_發(fā)使用，但這些能源逡逑易受自然環(huán)境條件和季節(jié)的制約，只能在一定條件下開發(fā)使用，同時遠距離傳輸效率低、逡逑大面積推廣成本高。如圖１．１所示為當(dāng)前世界能源結(jié)構(gòu)，在過去的２５年中，化石類能源逡逑仍為全球主要消耗能源，石油依然是全球最大的單一消耗能源，占總能源消費的三分之逡逑一，而可再生能源，水電能的消費只占人類總能源消耗的一小部分［２】。這就需要開發(fā)更逡逑為高效的能源以改變現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)。逡逑核能的應(yīng)用是２０世紀(jì)人類最偉大的科技成就之一，核能具有發(fā)電量大、清潔、高逡逑效、無污染、資源消耗小、供應(yīng)能力強、無溫室氣體排放且不易受自然環(huán)境條件限制等逡逑優(yōu)點。當(dāng)前核能的利用是通過重質(zhì)元素核裂變實現(xiàn)的，據(jù)估計，ｌｋｇ核裂變?nèi)剂希玻常担杖义喜苛炎兒筢尫懦龅哪芰肯喈?dāng)于５０００噸標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒所釋放出的能量。根據(jù)國際原子逡逑能機構(gòu)（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ邋Ａｔｏｍｉｃ邋Ｅｎｅｒｇｙ邋Ａｇｅｎｃｙ，ＩＡＥＡ）邋２０１８邋年邋２邋月公布的數(shù)據(jù)，全球的逡逑４５１個核電站，分布在３０個國家，，年發(fā)電總量２，４７８ＴＷｈ，其中中國擁有３６個核電站，逡逑年發(fā)電量１９８ＴＷｈ，核能占中國能源消耗的３．６％［３］。然而，核裂變能不可避免的缺點是逡逑－１邋－逡逑

逡逑其核反應(yīng)截面如圖１．２所示。逡逑１０邋２７逡逑１0？邐°邋／邐／＼邋Ｉ逡逑／邋ｄａ＾＼逡逑�。哄澹礤义稀海义希保姡玻姡担姡保埃澹玻埃姡担埃澹保埃埃玻埃埃姡担埃埃保埃埃埃义希茫澹睿簦澹蝈澹铮驽澹停幔螅箦澹牛睿澹颍纾澹耄澹郑惧义蠄D１．邋２幾種聚變反應(yīng)的反應(yīng)截面［１２］逡逑Ｆｉｇ．１．２邋Ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎ邋ｆｏｒ邋ｓｅｖｅｒａｌ邋ｆｕｓｉｏｎ邋ｒｅａｃｔｉｏｎｓ１＇２１．逡逑聚變反應(yīng)需要維持上億度的高溫提高核燃料的動能，增加核燃料碰撞反應(yīng)截面。通逡逑常，獲得聚變反應(yīng)必須滿足聚變?nèi)胤e：等離子體溫度、密度和約束時間要滿足：逡逑７邋■邋ｎ邋？邋ｒ邋＞邋１０２１邋ｋｅＶ－ｓ／ｍ３邐（１．５）逡逑聚變才可以維持自持燃燒。以Ｄ－Ｔ聚變?yōu)槔�，根�?jù)圖１．２給出的最大核反應(yīng)截面對應(yīng)的逡逑溫度，估算Ｄ－Ｔ聚變在聚變過程中等離子體密度與約束時間的乘積要滿足勞森判據(jù)逡逑（Ｌａｗｓｏｎ邋ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ）邋：邋ｎ邋？邋Ｔ邋２邋１０２Ｑ邋ｓ／ｍ３，聚變才能自持燃燒。此外，相比核裂變，核聚逡逑變具有以下優(yōu)點：（１）相同質(zhì)量的反應(yīng)物質(zhì)，聚變釋放能量高。以地球上最容易實現(xiàn)的逡逑Ｄ－Ｔ核聚變反應(yīng)為例（圖１．３）邋（Ｄ邋＋邋Ｔ）邋—邋４Ｈｅ（３．５ＭｅＶ）邋＋邋ｎ（］４．１ＭｅＶ），單位質(zhì)量的逡逑Ｄ－Ｔ核聚變反應(yīng)所釋放的能量為１７．６邋ＭｅＶ
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TL631.24

【參考文獻】

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1 劉平;海然;吳鼎;肖青梅;孫麗影;丁洪斌;;The Enhanced Effect of Optical Emission from Laser Induced Breakdown Spectroscopy of an Al-Li Alloy in the Presence of Magnetic Field Confinement[J];Plasma Science and Technology;2015年08期

2 趙棟燁;納扎;海然;吳鼎;丁洪斌;;Diagnostics of First Wall Materials in a Magnetically Confined Fusion Device by Polarization-Resolved Laser-Induced Breakdown Spectroscopy[J];Plasma Science and Technology;2014年02期

3 呂廣宏;羅廣南;李建剛;;磁約束核聚變托卡馬克等離子體與壁相互作用研究進展[J];中國材料進展;2010年07期

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1 肖青梅;托卡馬克類ITER第一壁材料激光燒蝕光譜和質(zhì)譜研究[D];大連理工大學(xué);2014年

2 喬賓;超強激光等離子體相互作用中準(zhǔn)靜態(tài)磁場和電場及相對論電子的加速研究[D];中國工程物理研究院;2006年

本文編號：2661614