【摘要】：高熔點、高熱導、低滯留率的高Z金屬材料鎢已經(jīng)被EAST及ITER裝置確定作為耐高熱負荷的偏濾器材料。然而,鎢材料在強的等離子體與壁相互作用下,不可避免的將引入高Z鎢雜質(zhì),鎢雜質(zhì)進入等離子體后容易在高約束等離子體芯部聚集,造成嚴重的雜質(zhì)輻射功率損失,因此等離子體對鎢雜質(zhì)的容忍度很低,必須保持在10-5以內(nèi)。所以,研究如何有效降低鎢雜質(zhì)在等離子體中的含量對EAST和未來聚變裝置的高參數(shù)長脈沖放電穩(wěn)定運行具有重要意義。本文深入研究了在EAST鎢偏濾器下開展的三種不同類型的鋰化壁處理實驗。優(yōu)化和發(fā)展了多種形式的鋰化壁處理技術,系統(tǒng)地研究了在高Z金屬鎢壁條件下開展的鋰化壁處理對高Z鎢等雜質(zhì)的抑制,對再循環(huán)的控制等。分析了各種形式鋰化壁處理對鎢雜質(zhì)抑制和對再循環(huán)控制的原理,討論了鋰化壁處理的優(yōu)缺點,對比了三種鋰化壁處理方式的優(yōu)缺點。這些研究為EAST在未來鎢偏濾器條件下開展高參數(shù)長脈沖穩(wěn)定放電運行中如何有效控制高Z鎢雜質(zhì)含量和再循環(huán)水平,解決高Z雜質(zhì)聚芯問題和等離子體密度因再循環(huán)水平高導致不可控問題,加深了在鎢壁條件下對高Z雜質(zhì)和再循環(huán)控制的理解,對未來開展的高參數(shù)長脈沖放電穩(wěn)定運行做出了貢獻。優(yōu)化和發(fā)展了多種形式的鋰化壁處理技術,包括放電前開展的鋰蒸發(fā)結合離子回旋放電涂覆的鋰化壁處理技術;在放電間隙開展的炮間鋰化壁處理技術;在放電中注入鋰粉的實時鋰化壁處理技術。隨著鋰化系統(tǒng)的不斷升級改造,鋰膜在EAST第一壁上的涂覆區(qū)域不斷增加,現(xiàn)已可以覆蓋95%的區(qū)域,鋰膜在第一壁上的均勻性大大提高,有效提升了鋰膜對雜質(zhì)和再循環(huán)的控制能力,延長了鋰膜的壽命。炮間鋰化壁處理系統(tǒng)成功應用于EAST放電實驗中,與等離子體兼容良好。鋰粉實時注入技術有效抑制了鎢雜質(zhì)聚芯的問題,并有效降低了偏濾器靶板處的再循環(huán)水平,成功抑制ELMs,獲得了 ELM-free放電。目前鋰化壁處理技術已經(jīng)成為EAST上常規(guī)壁處理技術,為EAST等離子體放電穩(wěn)定運行提供了良好壁條件基礎。鎢偏濾器下開展的鋰蒸發(fā)涂覆壁處理實驗結果表明:鎢壁下開展的鋰化壁處理可以有效抑制高Z鎢雜質(zhì)源及其在等離子體芯部的含量,并且隨著鋰化次數(shù)的不斷累積,鎢雜質(zhì)含量逐漸降低。同時鋰化壁處理可以有效降低低Z雜質(zhì)碳、氧的含量。在鎢壁下的鋰化壁處理同樣可以有效控制邊界燃料粒子再循環(huán),有效地將氫氘比控制在l0%以內(nèi)。并且,鎢壁下的鋰化壁處理為EAST創(chuàng)紀錄的超百秒H-模等離子體的獲得提供了良好的壁條件。鎢偏濾器下開展的放電間隙鋰化壁處理實驗結果表明:新型設計的炮間鋰化壁處理系統(tǒng)與等離子體放電兼容良好,不會影響等離子體放電的正常運行,同時可以實現(xiàn)在放電間隙開展鋰化壁處理,為每一炮等離子體放電提供新鮮的鋰壁條件,對未來實現(xiàn)長脈沖穩(wěn)定運行十分重要。同時在未來該系統(tǒng)可以實現(xiàn)在放電中實時鋰蒸汽注入實驗,用來實時抑制等離子體中的雜質(zhì)聚芯或ELMs。初步炮間鋰化壁處理實驗結果表明,炮間鋰化壁處理可以有效降低等離子體中雜質(zhì)含量、再循環(huán)水平,提高低雜波加熱效率等。鎢偏濾器下開展的放電中實時鋰粉注入實驗結果表明:鋰粉實時注入可以有效降低L-/H-模等離子體中鎢雜質(zhì)源的含量,抑制鎢雜質(zhì)在等離子體芯部聚集。鋰粉實時注入與長脈沖H-模等離子體運行兼容良好,可以有效抑制鎢雜質(zhì)含量。鎢雜質(zhì)的抑制主要與鋰粉注入降低鎢偏濾器靶板附近的電子溫度有關,通過降低電子溫度,進而降低鎢材料的濺射產(chǎn)額,最終抑制其向芯部的聚集。鋰粉的連續(xù)注入還會形成一種類似鋰化鍍膜壁處理的效果。此外,鋰粉實時注入可以有效抑制鎢偏濾器處的再循環(huán)水平,主要在上鎢偏濾器處效果最好,表明鋰粉注入后成功隨磁力線達到了鎢偏濾器主打擊點位置。最后,鋰粉在鎢壁條件下注入成功抑制ELMs,獲得了 ELM-free放電,拓寬了之前在石墨壁上實現(xiàn)的ELM-free放電的運行空間,并且H98約束因子提高了 50%,維持在1.2左右。通過以上在鎢壁條件下開展的鋰化壁處理實驗研究,我們發(fā)現(xiàn)鋰化壁處理可以有效降低高Z鎢雜質(zhì)源的含量,抑制其在等離子體芯部聚集,同時可以有效降低低Z雜質(zhì)含量,控制再循環(huán)和氫氘比,為在鎢壁材料下的長脈沖放電穩(wěn)定運行提供了良好的壁條件基礎,同時也為未來聚變裝置在鎢壁材料下的運行奠定了實驗經(jīng)驗的積累,尤其是對高Z鎢雜質(zhì)的控制具有十分重要的參考價值。
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TL631.24
【圖文】：

逡逑圖１．１氖（Ｄ）－氖（Ｔ）反應示意圖及ｎｘＴｔ＾邋Ｔ的關系逡逑１．２托卡馬克逡逑核聚變反應中等離子體的溫度極高，當帶電粒子的動能達到１０邋ｋｅＶ時，相逡逑當于１億攝氏度，目前世界上還沒有一種材料能夠承受的如此高的溫度，因此逡逑需要采用特殊的辦法約束高溫等離子體。目前己知的約束方法主要包括引力約逡逑束、慣性約束和磁約束。太陽及其它恒星等星體是靠引力約束等離子體實現(xiàn)核逡逑聚變。而在實驗室中則是通過人工的方法約束等離子體，主要有慣性約束（Ｉｎｅｒｔｉａｌ逡逑Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ邋Ｆｕｓｉｏｎ）和磁約束（Ｍａｇｎｅｔｉｃ邋Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ邋Ｆｕｓｉｏｎ）兩種方式。慣性約束逡逑是指利用強激光束、電子束或離子束從四周同時照射到一個尺寸極小的氘氚燃逡逑料靶丸上，使靶彈丸在極短的時間內(nèi)達到極高溫高密度的狀態(tài)，利用等離子體逡逑的慣性還來不及飛散之前產(chǎn)生足夠多的聚合反應從而達到勞遜判據(jù)［６］。磁約束逡逑是指利用磁場將高溫等離子體約束在一定區(qū)域內(nèi)，使之達到勞遜判據(jù)，從而發(fā)逡逑生聚變反應。目前國際上的磁約束裝置主要分為反場箍縮、仿星器、磁鏡和托逡逑卡馬克，從目前運行狀態(tài)來看托卡馬克是最有可能實現(xiàn)聚變點火的裝置［７］。逡逑托卡馬克（Ｔｏｋａｍａｋ）取名來自于俄語中的ｔｏｒｏｉｄａｌｎａｙａ（環(huán)形）、ｋａｍｅｒａ（真空室）、逡逑ｍａｇｎｉｔｎｙｍｉ（磁場）和ｋｏｔｕｓｈｋａｍｉ（線圈），即“帶有磁場線圈的環(huán)形真空容器”。托卡逡逑馬克是由蘇聯(lián)科學家阿齊莫維奇等人于二十世紀五十年代在莫斯科的庫爾恰托逡逑夫研究所最早發(fā)明的。圖１．２所示為典型的托卡馬克磁場線圈示意圖

逡逑圖１．邋３邋Ｌ－模及Ｈ－模壓強分布及邊界輸運壘崩塌示意圖逡逑１．３等離子體與壁相互作用逡逑１．３．１等離子體與壁相互作用簡述逡逑托卡馬克中等離子體具有極高溫度，因此需要采取必要的措施將其與真空室逡逑壁隔開，因此在托卡馬克中對應著兩種磁場位形：限制器位形和偏濾器位形［２１］。逡逑限制器是用一個突出的固體材料接觸到等離子體，從而閉合磁面被打破，限制逡逑器與等離子體的接觸面形成最后閉合磁面，如圖１．４左側(cè)所示。限制器位形下，逡逑等離子體與限制器沒有完全隔離，反而直接接觸。偏濾器位形是利用偏濾器線逡逑圈電流產(chǎn)生一個極向磁場，從而破壞封閉的閉合磁面，在偏濾器區(qū)域形成一個逡逑極向磁場為零的Ｘ點，穿過Ｘ點的磁面就是最后閉合磁面，如圖１．４右側(cè)所示。逡逑偏濾器位形下

互作用的過程十分復雜，主要由等離子體密度、溫度、粒子流和功率流等確定，逡逑并在限制器和偏濾器區(qū)域作用最強，當然在遇到破裂放電時，第一壁上的作用逡逑也十分強烈。圖１．５展示了在偏濾器位形下，等離子體與第一壁相互作用示意圖，逡逑包含了多種機制，主要有：背散射［２２］、植入、吸附與解吸［２３］、沉積與共沉逡逑積、物理濺射［２４］、化學濺射［２５］、輻射增強升華［２６］及非正常放電造成的腐逡逑蝕，等等。由此可見，等離子體與壁相互作用十分復雜，其基本過程可以分為逡逑兩方面。一方面是來自等離子體的粒子流和熱流對第一壁的轟擊，造成第一壁逡逑材料損傷：如濺射、起泡等，縮短第一壁材料使用壽命。另一方面是第一壁與逡逑等離子體相互作用后釋放出的各種粒子（吸附的燃料氣體、雜質(zhì)氣體和壁材料逡逑本身粒子），這些粒子進入等離子體后對等離子體性能造成影響，特別是雜質(zhì)進逡逑入等離子體后，會污染等離子體，同時雜質(zhì)的存在會輻射大量能量，冷卻等離逡逑子體。因此等離子體與壁相互作用的研究具有十分重要的意義，是磁約束聚變逡逑研究的一個重要分支［２７］。逡逑第艱逡逑（ＳＯＵ逡逑一r潰�；上绅仮＾辶x仙稿澹危澹齲剩炱藉義賢飭彥甯盅

本文編號：2760807