等離子體對ITER裝置內狹縫材料的清洗研究

蔣見昊

（成都大學 機械工程學院，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生裂紋的效應，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構，這種結構不可避免地會產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量，有效減少雜質和氫同位素的滯留，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。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與化學性質。（2）光學輻照法。激光誘導氫同位素解析最早被應用到聚變堆中，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，激光清洗技術有較多優點：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，弧光放電是較為穩定的一種，與輝光放電的不同點就是陰極發射電子的機理，可能是熱發射或場致發射，管壓降較低，而放電電流很大，同時，電極間整個弧區會發出很強的光和熱。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生活化反應而將表面污染物清除的過程。現如今，托卡馬克裝置（以ITER為例）將D、T作為燃料，當磁約束等離子體發生熱核聚變時，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致芯部聚變等離子體中的燃料稀釋，反應功率密度降低，影響聚變等離子體正常放電，甚至導致聚變堆熄火。因此，快速清洗沉積層和釋放氫同位素尤為重要。

1 國內外研究現狀

近年來，國外一些研究組在開發新的壁清洗技術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在ITER裝置內應用的可行性。實驗發現，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。美國某學者利用轉移弧等離子體實現了再沉積層快速清除和D釋放[2]。輝光放電清洗技術工作界面大，適合大面積清洗；相對來說，弧光放電技術可聚焦至點，適合狹縫的清洗。目前，國際上關于弧光放電對狹縫清洗的研究剛起步不久，文獻報道較少，而國內在相關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

某學者在實驗中發現沉積層主要有一些Be、C、O及其他金屬元素，不同形狀沉積層的雜質含量不同，狹縫附近的等離子體性質發生了改變，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的影響不同，通過模擬，計算了不同形狀瓦片的侵蝕程度。結果表明，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，面向等離子體一側棱邊處的能流密度越小，侵蝕程度越低。有學者研究了其拼接間隙及表面的滯留行為，發現優化狹縫形狀可以減少狹縫的碳沉積。可見，對狹縫沉積層特性的研究已經有了一些結論，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化，為ITER在狹縫清洗中的應用提供數據參考。

3 沉積層清洗

高能粒子轟擊器壁將會導致器壁被侵蝕，能夠濺射出雜質粒子。雜質粒子在邊界等離子體區被電離，然后在電場和磁場作用下運動（雜質的輸運），有一部分電離的雜質會重新回到器壁（位置不同）并發生沉積。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，據托卡馬克實驗經驗和對ITER的預計，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，共沉積層移除技術被廣泛應用。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）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構變化，研究弧光放電清洗對再沉積層的清除機制。

4 研究的特點及創新之處

系統地研究弧光放電清洗技術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項目提供數據支持；利用弧光放電清洗技術，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的清除積累經驗；利用弧光放電清洗技術分析沉積層的結構組成變化，為ITER裝置狹縫及沉積層的清洗提供參考依據。

5 研究方向及展望

在聚變反應中，D和T反應可以產生大量的能量及He，氦灰的處理及氫同位素的快速釋放尤為關鍵。He和D2簡單易得，且不會產生其他雜質，是比較理想的工作氣體。針對托卡馬克裝置內狹縫中再沉積層的快速清除以及D和T快速釋放問題，發展基于He和D2的弧光放電清洗狹縫技術。利用實驗室模擬平臺，研究鎢瓦片間狹縫內等離子體的特性；利用弧光放電等離子體，研究狹縫內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的應用前景和可能達到的效果，為ITER裝置縫隙清洗技術的應用提供參考。