等離子體對ITER裝置內(nèi)狹縫材料的清洗研究

蔣見昊

（成都大學(xué) 機械工程學(xué)院，四川 成都 610106）

為了減少鎢材料在高粒子流和高能流作用下產(chǎn)生裂紋的效應(yīng)，國際托卡馬克裝置（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）第一壁由鎢片拼接組成，這些瓦片平鋪連接在熱沉表面制成馬賽克狀的拼接結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不可避免地會產(chǎn)生不同形狀和尺寸的間隙，而這些間隙的存在，將加重灰塵的再沉積以及D和T的滯留。為了提高等離子體運行質(zhì)量，有效減少雜質(zhì)和氫同位素的滯留，清洗狹縫沉積層十分必要。

目前，清除共沉積層主要有以下方法[1]：（1）熱脫附法。固體材料受熱后，大部分氣體分子從材料的表面開始揮發(fā)。烘烤是指將等離子體元件[全氟化合物（Perfluorinated Compounds，PFCs）]中的碳氫化合物和捕獲的氫同位素成功解吸出來。但是聚變堆中的等離子體材料極大程度地限制了烘烤的溫度，腔室內(nèi)壁最高為513 K（開氏溫度=273.15+攝氏溫度），偏濾器最高為623 K。同時，烘烤甚至還會改變材料的物理性質(zhì)與化學(xué)性質(zhì)。（2）光學(xué)輻照法。激光誘導(dǎo)氫同位素解析最早被應(yīng)用到聚變堆中，并且對等離子體材料進行診斷，主要原因是激光的可控性偏高。與其他的清洗方法相比，激光清洗技術(shù)有較多優(yōu)點：第一，可以沿著光纖傳輸，可操縱性較好；第二，能夠控制參數(shù)閾值，使主體壁材料在清洗過程中不受損傷；第三，由于激光束的直徑較小，可以有效清洗材料縫隙。目前，研究人員對激光清洗技術(shù)越來越重視。（3）等離子體輔助法。該方法能將滯留在PFCs中的氫有效清除，主要是利用了氣體的輝光放電。（4）離子回旋清洗。當(dāng)前最主要的去氫方法還是離子回旋壁處理，由于其在磁場下仍可運行，將會被運用在ITER上。

等離子體是一種高能量、離子化、對外顯電中性的氣體集合，包含中性原子或分子以及帶電離子和自由電子。在放電形式中，弧光放電是較為穩(wěn)定的一種，與輝光放電的不同點就是陰極發(fā)射電子的機理，可能是熱發(fā)射或場致發(fā)射，管壓降較低，而放電電流很大，同時，電極間整個弧區(qū)會發(fā)出很強的光和熱。等離子體清洗是利用離子、電子、受激原子、自由基及其射出的光線與被清洗表面的污染物分子分別發(fā)生活化反應(yīng)而將表面污染物清除的過程?，F(xiàn)如今，托卡馬克裝置（以ITER為例）將D、T作為燃料，當(dāng)磁約束等離子體發(fā)生熱核聚變時，會有部分燃料離子掙脫磁場的約束轟擊到器壁，時間一長，必定會在器壁材料中形成累積并滯留。大量氫同位素的滯留會導(dǎo)致芯部聚變等離子體中的燃料稀釋，反應(yīng)功率密度降低，影響聚變等離子體正常放電，甚至導(dǎo)致聚變堆熄火。因此，快速清洗沉積層和釋放氫同位素尤為重要。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近年來，國外一些研究組在開發(fā)新的壁清洗技術(shù)方面做了一些嘗試性工作。芬蘭ⅤTT研究中心報道了弧光放電清洗技術(shù)在ITER裝置內(nèi)應(yīng)用的可行性。實驗發(fā)現(xiàn)，弧光放電等離子體可以在4～8 s完成350 mm2部件的快速清洗。美國某學(xué)者利用轉(zhuǎn)移弧等離子體實現(xiàn)了再沉積層快速清除和D釋放[2]。輝光放電清洗技術(shù)工作界面大，適合大面積清洗；相對來說，弧光放電技術(shù)可聚焦至點，適合狹縫的清洗。目前，國際上關(guān)于弧光放電對狹縫清洗的研究剛起步不久，文獻報道較少，而國內(nèi)在相關(guān)方向的工作基本空白。因此，探索弧光放電是否對狹縫清洗有效具有較大意義。

2 狹縫差異性

某學(xué)者在實驗中發(fā)現(xiàn)沉積層主要有一些Be、C、O及其他金屬元素，不同形狀沉積層的雜質(zhì)含量不同，狹縫附近的等離子體性質(zhì)發(fā)生了改變，能流密度重新分布。Mayer等[3]認為，不同形狀的瓦片對等離子體性質(zhì)的影響不同，通過模擬，計算了不同形狀瓦片的侵蝕程度。結(jié)果表明，直角瓦片棱邊處的溫度、熔化和氣化厚度最大；圓角瓦片的侵蝕程度最低，而且曲率半徑越大，面向等離子體一側(cè)棱邊處的能流密度越小，侵蝕程度越低。有學(xué)者研究了其拼接間隙及表面的滯留行為，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化狹縫形狀可以減少狹縫的碳沉積?？梢姡瑢ΚM縫沉積層特性的研究已經(jīng)有了一些結(jié)論，但對狹縫的清洗還有待補充。針對不同狹縫的差異性[4]，如尺寸形狀（直角形狀、斜角形狀、圓角形狀）、尺寸間隙（毫米級）、弧光放電清洗的效率、上述工作氣體下的等離子體特性，通過對不同狹縫的清洗效果進行比較優(yōu)化，為ITER在狹縫清洗中的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)參考。

3 沉積層清洗

高能粒子轟擊器壁將會導(dǎo)致器壁被侵蝕，能夠濺射出雜質(zhì)粒子。雜質(zhì)粒子在邊界等離子體區(qū)被電離，然后在電場和磁場作用下運動（雜質(zhì)的輸運），有一部分電離的雜質(zhì)會重新回到器壁（位置不同）并發(fā)生沉積。實驗顯示：碳氫共沉積層的厚度為幾十微米，遠厚于離子注入深度（幾十納米），厚度大小并沒有限制。目前，據(jù)托卡馬克實驗經(jīng)驗和對ITER的預(yù)計，大部分的He都是以共沉積形式滯留在壁材料的腔體中，因此，共沉積層移除技術(shù)被廣泛應(yīng)用。以He、D2為工作氣體，開展弧光放電清洗縫隙中再沉積層（W、C、H、O及其他雜質(zhì)）研究，分析和比較He、D2的工作條件及效率，選擇快速的縫隙處理方式，分析縫隙處理前后再沉積層的結(jié)構(gòu)變化，研究弧光放電清洗對再沉積層的清除機制。

4 研究的特點及創(chuàng)新之處

系統(tǒng)地研究弧光放電清洗技術(shù)對于狹縫樣品的處理；研究不同形狀的狹縫對He、D2等離子體特性的影響，對已有報道進行補充，為ITER項目提供數(shù)據(jù)支持；利用弧光放電清洗技術(shù)，研究D2等離子體輻照后鎢狹縫樣品的清理，并研究D釋放機制，以期為未來裝置中T的清除積累經(jīng)驗；利用弧光放電清洗技術(shù)分析沉積層的結(jié)構(gòu)組成變化，為ITER裝置狹縫及沉積層的清洗提供參考依據(jù)。

5 研究方向及展望

在聚變反應(yīng)中，D和T反應(yīng)可以產(chǎn)生大量的能量及He，氦灰的處理及氫同位素的快速釋放尤為關(guān)鍵。He和D2簡單易得，且不會產(chǎn)生其他雜質(zhì)，是比較理想的工作氣體。針對托卡馬克裝置內(nèi)狹縫中再沉積層的快速清除以及D和T快速釋放問題，發(fā)展基于He和D2的弧光放電清洗狹縫技術(shù)。利用實驗室模擬平臺，研究鎢瓦片間狹縫內(nèi)等離子體的特性；利用弧光放電等離子體，研究狹縫內(nèi)再沉積層清除以及滯留D釋放，探索狹縫中灰塵再沉積和氫同位素滯留的影響。通過上述研究，驗證弧光放電清洗技術(shù)的應(yīng)用前景和可能達到的效果，為ITER裝置縫隙清洗技術(shù)的應(yīng)用提供參考。