可控聚變能具有安全、清潔、燃料豐富等優(yōu)點(diǎn),是解決人類未來能源問題的主要選擇之一.在磁約束核聚變裝置中,來自高溫等離子體的強(qiáng)熱流、強(qiáng)粒子流與直接面對等離子體的器壁之間產(chǎn)生的強(qiáng)烈相互作用,不僅會導(dǎo)致第一壁損傷,產(chǎn)生雜質(zhì),污染等離子體,引起等離子體能量輻射損失與等離子體約束性能降低,同時滯留在壁上的燃料粒子再循環(huán)直接影響等離子體密度控制.穩(wěn)態(tài)控制等離子體與壁相互作用對于實(shí)現(xiàn)長脈沖高參數(shù)的等離子體至關(guān)重要,其主要研究內(nèi)容包括面對等離子體壁材料的選擇及其表面處理以控制燃料粒子再循環(huán)與雜質(zhì)產(chǎn)生,控制來自等離子體的強(qiáng)粒子流和熱流以減少壁材料損傷,以及發(fā)展高效冷卻結(jié)構(gòu)以快速移除沉積在壁上的高熱負(fù)載等.經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展,特別在我國EAST超導(dǎo)托卡馬克上,研究了石墨、鎢、鈹、鉬等壁材料與結(jié)構(gòu),發(fā)展了壁表面清洗與涂覆改性技術(shù),提出了多種控制等離子體熱流的先進(jìn)方法,初步開展了流動液態(tài)金屬壁的研究,取得了重要進(jìn)展,有效控制等離子體與壁相互作用,促進(jìn)了長脈沖高參數(shù)等離子體的實(shí)現(xiàn)與性能提高.針對具有更高熱負(fù)荷、更長脈沖以及高能量中子輻照等特點(diǎn)的長時間不間斷運(yùn)行的未來聚變堆,等離子體與壁相互作用穩(wěn)態(tài)控制仍然面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)... 

【文章來源】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報. 2020,50(09)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：25 頁

【部分圖文】：

EAST新雜質(zhì)注入設(shè)備及硼粉注入控制ELM控制的效果

隨著托卡馬克磁約束聚變裝置的不斷升級,等離子體與第一壁材料的相互作用逐漸變強(qiáng),尤其在未來聚變堆裝置中,第一壁材料將長時間直接面對等離子體,承受高熱負(fù)荷沖擊、等離子體輻照以及14 MeV中子輻照,如圖1所示.由此引起壁材料的損傷及腐蝕加劇,嚴(yán)重影響聚變裝置的運(yùn)行安全,第一壁材料是制約受控聚變發(fā)展的“瓶頸”之一[3-4].在第一壁材料選擇方面,主要考慮以下幾個方面:①雜質(zhì)的產(chǎn)生,避免冷卻及稀釋等離子體,需要優(yōu)先考慮低物理或化學(xué)濺射及低Z軔致輻射的材料.②等離子體沉積熱量的移除,避免溫度積累,減少材料腐蝕,需要優(yōu)先考慮熱性能好、熔點(diǎn)溫度高的材料.③氚滯留及再循環(huán),這與等離子體密度控制、氚自持燃燒、未來聚變堆發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性密切相關(guān).另外,氚具有放射性,其通過同位素交換損傷有機(jī)物,通過衰變釋放的β粒子引起的材料化學(xué)鍵的斷裂等,直接影響未來聚變堆裝置及人員的安全.④材料腐蝕、灰塵產(chǎn)生、中子輻照損傷等影響第一壁壽命與等離子體性能.D-T聚變反應(yīng)產(chǎn)生的高能中子及伽馬射線也將對有機(jī)材料產(chǎn)生損傷及引起金屬材料的活化.

金屬鎢(W)材料具有高熔點(diǎn)、高熱導(dǎo)、低熱膨脹系數(shù)、低濺射率,以及低燃料粒子滯留量等優(yōu)異性能,被認(rèn)為是未來聚變裝置中最有前景的面對等離子體材料(PFM),ITER已經(jīng)確定純鎢作為偏濾器材料.圖2展示了各大裝置中鎢第一壁的結(jié)構(gòu)或模型件.目前,EAST已通過升級改造,實(shí)現(xiàn)了ITER-like結(jié)構(gòu)的上鎢偏濾器,取得了豐碩的實(shí)驗成果,包括創(chuàng)世界紀(jì)錄的百秒高約束模(H-mode)等離子體、電子溫度達(dá)到一億攝氏度的高溫等離子體等具有里程碑意義的創(chuàng)新成果,其下偏濾器也將于近年升級為鎢偏濾器,擬實(shí)現(xiàn)全金屬壁運(yùn)行,為未來ITER運(yùn)行提供堅實(shí)的物理支持.德國的ASDEX-Upgrade(AUG)[16-17] 和歐盟的JET[18]裝置也實(shí)現(xiàn)了全鎢壁或鎢偏濾器的運(yùn)行.JET實(shí)驗表明,實(shí)驗后鎢偏濾器主體沒發(fā)現(xiàn)明顯的損傷,在ITER類似熱負(fù)載下,鎢表面的腐蝕深度低于2 μm.同時,鎢壁下灰塵的生成量比碳壁下低兩個量級,燃料粒子氘滯留降低20倍.2016年,DIII-D裝置在下偏濾器的不同極向位置沿環(huán)向安裝了兩道同位素組分不同鎢環(huán),用以研究鎢雜質(zhì)的輸運(yùn)和遷移的相關(guān)物理[19-20].法國的WEST裝置目前已經(jīng)完成了ITER-like下鎢偏濾器面對等離子體單元的測試與實(shí)驗;下一步將完成全W/Cu monoblock結(jié)構(gòu)升級,主要測試具有ITER類似的熱負(fù)載及長脈沖等離子體放電條件下的W/Cu monoblock工作狀況,以支持ITER鎢壁的戰(zhàn)略目標(biāo)[21].但是,鎢材料也存在明顯的缺點(diǎn):鎢作為PFM不可避免地受到來自等離子體高粒子流和熱流的轟擊,引起氘滯留、表面起泡、熔化再結(jié)晶、強(qiáng)度和韌性降低、抗熱沖擊能力降低等.另外,鎢作為高Z金屬,等離子體對其容忍的含量很低(<50 ppm)、產(chǎn)生的重雜質(zhì)易在等離子體芯部聚集,不僅會導(dǎo)致等離子體能量的損失,還易引起等離子體不穩(wěn)定,甚至破裂[22].另外,在未來聚變堆高能中子輻照時,鎢會產(chǎn)生錸(Re)、鉭(Ta)、鋨(Os)等嬗變元素,同時發(fā)生輻照腫脹、韌脆轉(zhuǎn)變溫度(DBTT)升高,輻照誘導(dǎo)偏析(RIS)等效應(yīng).這些都嚴(yán)重影響鎢材料在未來聚變堆中的應(yīng)用.為提高鎢基材料的服役(力學(xué)性能及抗熱沖擊)性能,國內(nèi)外科研院所通過添加納米氧化物顆粒(La2O3,Y2O3),碳化物顆粒(TiC,ZrC),以及添加W纖維增強(qiáng)/韌的W復(fù)合材料,有效提高了W材料的斷裂韌性和熱沖擊性能[23-28].另外,通過合金化,如添加Re元素,能有效提高W材料的抗中子輻照性能.

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]EAST鋰化系統(tǒng)的優(yōu)化及其對等離子體性能的影響[J]. 徐偉,孫震,左桂忠,孟獻(xiàn)才,黃明,錢玉忠,胡建生.  真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報. 2018(04)
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本文編號：3417640