等离子体对ITER装置内狭缝材料的清洗研究

蒋见昊

（成都大学 机械工程学院，四川 成都 610106）

为了减少钨材料在高粒子流和高能流作用下产生裂纹的效应，国际托卡马克装置（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）第一壁由钨片拼接组成，这些瓦片平铺连接在热沉表面制成马赛克状的拼接结构，这种结构不可避免地会产生不同形状和尺寸的间隙，而这些间隙的存在，将加重灰尘的再沉积以及D和T的滞留。为了提高等离子体运行质量，有效减少杂质和氢同位素的滞留，清洗狭缝沉积层十分必要。

目前，清除共沉积层主要有以下方法[1]：（1）热脱附法。固体材料受热后，大部分气体分子从材料的表面开始挥发。烘烤是指将等离子体元件[全氟化合物（Perfluorinated Compounds，PFCs）]中的碳氢化合物和捕获的氢同位素成功解吸出来。但是聚变堆中的等离子体材料极大程度地限制了烘烤的温度，腔室内壁最高为513 K（开氏温度=273.15+摄氏温度），偏滤器最高为623 K。同时，烘烤甚至还会改变材料的物理性质与化学性质。（2）光学辐照法。激光诱导氢同位素解析最早被应用到聚变堆中，并且对等离子体材料进行诊断，主要原因是激光的可控性偏高。与其他的清洗方法相比，激光清洗技术有较多优点：第一，可以沿着光纤传输，可操纵性较好；第二，能够控制参数阈值，使主体壁材料在清洗过程中不受损伤；第三，由于激光束的直径较小，可以有效清洗材料缝隙。目前，研究人员对激光清洗技术越来越重视。（3）等离子体辅助法。该方法能将滞留在PFCs中的氢有效清除，主要是利用了气体的辉光放电。（4）离子回旋清洗。当前最主要的去氢方法还是离子回旋壁处理，由于其在磁场下仍可运行，将会被运用在ITER上。

等离子体是一种高能量、离子化、对外显电中性的气体集合，包含中性原子或分子以及带电离子和自由电子。在放电形式中，弧光放电是较为稳定的一种，与辉光放电的不同点就是阴极发射电子的机理，可能是热发射或场致发射，管压降较低，而放电电流很大，同时，电极间整个弧区会发出很强的光和热。等离子体清洗是利用离子、电子、受激原子、自由基及其射出的光线与被清洗表面的污染物分子分别发生活化反应而将表面污染物清除的过程。现如今，托卡马克装置（以ITER为例）将D、T作为燃料，当磁约束等离子体发生热核聚变时，会有部分燃料离子挣脱磁场的约束轰击到器壁，时间一长，必定会在器壁材料中形成累积并滞留。大量氢同位素的滞留会导致芯部聚变等离子体中的燃料稀释，反应功率密度降低，影响聚变等离子体正常放电，甚至导致聚变堆熄火。因此，快速清洗沉积层和释放氢同位素尤为重要。

1 国内外研究现状

近年来，国外一些研究组在开发新的壁清洗技术方面做了一些尝试性工作。芬兰ⅤTT研究中心报道了弧光放电清洗技术在ITER装置内应用的可行性。实验发现，弧光放电等离子体可以在4～8 s完成350 mm2部件的快速清洗。美国某学者利用转移弧等离子体实现了再沉积层快速清除和D释放[2]。辉光放电清洗技术工作界面大，适合大面积清洗；相对来说，弧光放电技术可聚焦至点，适合狭缝的清洗。目前，国际上关于弧光放电对狭缝清洗的研究刚起步不久，文献报道较少，而国内在相关方向的工作基本空白。因此，探索弧光放电是否对狭缝清洗有效具有较大意义。

2 狭缝差异性

某学者在实验中发现沉积层主要有一些Be、C、O及其他金属元素，不同形状沉积层的杂质含量不同，狭缝附近的等离子体性质发生了改变，能流密度重新分布。Mayer等[3]认为，不同形状的瓦片对等离子体性质的影响不同，通过模拟，计算了不同形状瓦片的侵蚀程度。结果表明，直角瓦片棱边处的温度、熔化和气化厚度最大；圆角瓦片的侵蚀程度最低，而且曲率半径越大，面向等离子体一侧棱边处的能流密度越小，侵蚀程度越低。有学者研究了其拼接间隙及表面的滞留行为，发现优化狭缝形状可以减少狭缝的碳沉积。可见，对狭缝沉积层特性的研究已经有了一些结论，但对狭缝的清洗还有待补充。针对不同狭缝的差异性[4]，如尺寸形状（直角形状、斜角形状、圆角形状）、尺寸间隙（毫米级）、弧光放电清洗的效率、上述工作气体下的等离子体特性，通过对不同狭缝的清洗效果进行比较优化，为ITER在狭缝清洗中的应用提供数据参考。

3 沉积层清洗

高能粒子轰击器壁将会导致器壁被侵蚀，能够溅射出杂质粒子。杂质粒子在边界等离子体区被电离，然后在电场和磁场作用下运动（杂质的输运），有一部分电离的杂质会重新回到器壁（位置不同）并发生沉积。实验显示：碳氢共沉积层的厚度为几十微米，远厚于离子注入深度（几十纳米），厚度大小并没有限制。目前，据托卡马克实验经验和对ITER的预计，大部分的He都是以共沉积形式滞留在壁材料的腔体中，因此，共沉积层移除技术被广泛应用。以He、D2为工作气体，开展弧光放电清洗缝隙中再沉积层（W、C、H、O及其他杂质）研究，分析和比较He、D2的工作条件及效率，选择快速的缝隙处理方式，分析缝隙处理前后再沉积层的结构变化，研究弧光放电清洗对再沉积层的清除机制。

4 研究的特点及创新之处

系统地研究弧光放电清洗技术对于狭缝样品的处理；研究不同形状的狭缝对He、D2等离子体特性的影响，对已有报道进行补充，为ITER项目提供数据支持；利用弧光放电清洗技术，研究D2等离子体辐照后钨狭缝样品的清理，并研究D释放机制，以期为未来装置中T的清除积累经验；利用弧光放电清洗技术分析沉积层的结构组成变化，为ITER装置狭缝及沉积层的清洗提供参考依据。

5 研究方向及展望

在聚变反应中，D和T反应可以产生大量的能量及He，氦灰的处理及氢同位素的快速释放尤为关键。He和D2简单易得，且不会产生其他杂质，是比较理想的工作气体。针对托卡马克装置内狭缝中再沉积层的快速清除以及D和T快速释放问题，发展基于He和D2的弧光放电清洗狭缝技术。利用实验室模拟平台，研究钨瓦片间狭缝内等离子体的特性；利用弧光放电等离子体，研究狭缝内再沉积层清除以及滞留D释放，探索狭缝中灰尘再沉积和氢同位素滞留的影响。通过上述研究，验证弧光放电清洗技术的应用前景和可能达到的效果，为ITER装置缝隙清洗技术的应用提供参考。