托卡马克钨偏滤器基本物理问题

桑超峰，周庆瑞，王真厚，张彦杰，赵学乐，王 策

(大连理工大学物理学院，辽宁 大连 116024)

磁约束可控核聚变是利用强磁场约束高温高密度等离子体，使其在不接触“容器”器壁的情况下，达到上亿度高温，从而发生聚变反应，实现核聚变能的和平利用。托卡马克是最主要的磁约束核聚变装置[1]。聚变反应的燃料是氢同位素氘和氚，反应产物是氦灰、中子和能量。为了保证聚变反应的长时间稳态进行，需要将这些产物从芯部及时排出。偏滤器是托卡马克中用于排除能量和杂质粒子的主要部件，是发生等离子体与器壁相互作用的主要区域[2]。一方面，聚变反应产生的大量杂质和能量在刮削层中沿磁场输运最终要沉积到偏滤器靶板；另一方面，高能粒子和热流对偏滤器靶板的性能和寿命提出了极高的要求和挑战。偏滤器已经成为制约核聚变能实现的关键问题之一[3-4]。

等离子体与偏滤器靶板相互作用会对等离子体和壁材料都产生重要影响[5]，其中粒子和能量再循环[6]、溅射产生的固有杂质会影响边界等离子体[7]，材料侵蚀和熔化等决定了器壁寿命[8-9]，氚在器壁中的滞留和渗透会制约聚变经济性和安全性[10]，因此器壁材料的选择至关重要。托卡马克对器壁材料有以下几点要求：(1)具有高熔点、不易熔化；(2)低溅射产额，保证器壁寿命；(3)良好的机械性能和热传导性能，能够承受高热沉积；(4)低的燃料滞留性，以降低氚滞留；(5)低原子序数以保证溅射产生杂质与主等离子体兼容[11]。然而迄今为止，人们尚未发现同时满足这几点要求的材料。

钨材料具有低的侵蚀率和氚滞留性，高的熔点(3680 K)，良好的热传导性能和机械性能，被认为是未来聚变堆器壁的主要候选材料[11]。国际热核聚变实验堆(ITER)已经确定使用钨作为偏滤器靶板材料[12]。为了研究钨器壁在托卡马克中的应用，并为ITER装置的运行提供数据和基础，近些年国际上主要的托卡马克逐渐开始升级使用钨作为壁材料。德国ASDEX Upgrade从1996年开始直到2007年耗时超过10年逐渐将器壁100%使用钨涂层材料覆盖[13]。欧洲联合环JET升级使用类ITER壁材料，即偏滤器使用钨材料、第一壁采用铍材料[14]。美国DIII-D装置从2016年起在偏滤器区域安装了两个环向对称的钨环[15]。法国的WEST装置在2021年完成了主动水冷钨壁材料的升级[16]。中国的超导托卡马克EAST分别在2014年和2021年将上偏滤器和下偏滤器升级使用主动水冷钨器壁[17-18]。这些装置的钨偏滤器如图1所示，钨壁装置已经成为国际托卡马克的研究重点。

图1 国际上采用钨作为偏滤器靶板材料的主要装置图，JET,ASDEX-Upgrade,WEST,DIII-D,EAST和ITERFig.1 The main tokamaks using tungsten as the plasma-facing material of divertor target,including JET,ASDEX-Upgrade,WEST,DIII-D,EAST and ITER

钨壁材料存在一些关键问题，会制约托卡马克核聚变能的实现，包括：(1)沉积到钨偏滤器靶板的热流和引起的温升控制；(2)等离子体与钨靶板相互作用；(3)钨杂质输运和聚芯的控制；(4)高能粒子(如中子)轰击钨材料在内部产生缺陷对氚滞留的影响；(5)托卡马克中瞬态事件，如边界局域模[19]，对于钨靶板的影响。

1 钨靶板热沉积控制和偏滤器脱靶

为了保证钨偏滤器靶板不受损坏，需要对沉积到靶板的热流进行有效控制，靶板热流密度可以表达为[23]：

(1)

其中frad是在刮削层和偏滤器区域辐射能量的比例，PSOL是从芯部进入刮削层的能量，θdiv是等离子体流同偏滤器靶板之间的极向夹角，λq是中平面处能流径向衰减宽度(可以认为是刮削层厚度)[24]，fexp是极向流的展宽因子[25],Rt是靶板所在位置装置大半径。对于特定参数的托卡马克放电，一般可以通过调节frad，λq和fexp来降低热沉积密度。大的λq可以降低qt，研究人员通过多装置实验定标[26-27]、理论分析[28]和Bout++数值模拟[29]，确定λq取决于极向磁场强度(Bp)，高的极向磁场会降低λq。近期SOLPS模拟研究也表明λq也可能受到器壁材料的影响[30-32]，但是定量的影响尚待深入研究。fexp主要取决于磁场位形，实验中可以通过设计先进磁平衡，如雪花偏滤器、准雪花偏滤器、X偏滤器等增大磁展宽，降低热沉积[33-36]。

偏滤器能量辐射能力(可以用frad表示)，是评估偏滤器固有热沉积控制能力的最主要参数之一。一般托卡马克要求偏滤器具有较强的能量辐射能力，以助于降低热沉积和实现脱靶[37]。frad主要受到偏滤器靶板位形[38-39]和器壁材料的影响。偏滤器几何形状主要通过影响中性粒子和杂质的聚集影响能量辐射，而靶板材料则会从固有杂质和粒子及能量反射两方面影响偏滤器等离子体。对于钨装置，需要明确钨靶板对于偏滤器辐射能力的影响。

从上游输运沉积到偏滤器靶板的氘离子，在固体表面会发生再结合过程，即同电子再结合成为中性粒子。其中一部分粒子会以原子形式被反射重新进入等离子体区域，粒子反射系数用RN表示，这些原子携带能量较高，能量反射系数用RE表示，反射系数表示反射粒子(或能量)占入射粒子(或能量)。另一部分再结合产生的氘原子将会吸附到固体表面形成氘分子，待表面饱和以后，以分子形式热释放，释放的分子的能量取决于固体表面温度。器壁饱和情况，入射粒子的再循环率为(或者接近)100%，因此热释放系数(以分子形式释放的粒子数占入射粒子数比例)近似为1-RN。氘离子入射到固体表面发生粒子再循环过程示意图见图2。

图2 氘入射到固体表面发生粒子再循环示意图，包括反射和热释放两个过程Fig.2 The sketch of deuterium ion recycling on the solid surface,including reflection and thermal release

粒子再循环会产生能量较高的氘原子和能量较低的氘分子，其产生比例和携带能量取决于粒子反射系数和能量反射系数，而这两个系数均取决于靶板材料种类。图3显示了氘分别入射到钨靶板和碳靶板的RN和RE随入射能量的变化。可以很清楚地看到粒子和能量反射系数随入射能量的升高显著减小，而钨靶板的反射系数远高于碳靶板再循环系数。这表明，氘离子入射到钨靶板会产生更多能量相对较高的氘原子，而入射到碳靶板则会产生更多的低能氘分子。偏滤器的主要特征之一是发生强烈的等离子体与中性粒子碰撞，因此中性粒子的行为和分布会显著影响偏滤器等离子体。

ε0/eV

ε0/eV

三维边界等离子体程序EMC3-EIRENE模拟表明[30]，器壁材料会影响再循环产生的中性氘原子速度分布，因此影响背景等离子体；第一壁材料使用钨会产生更陡峭的密度梯度。EDGE2D-EIRENE模拟表明，碳器壁相对于钨器壁会得到更高的芯部等离子体密度[32]。粒子模拟(PIC)研究也表明粒子再循环(反射)会对脱靶产生显著影响[6]。为了直观展示不同靶板材料的粒子反射效应的影响，二维边界等离子体程序SOLPS[41]被用于开展模拟研究。分别假设偏滤器靶板为碳和钨材料，忽略掉固有杂质的影响，图4展示仅考虑再循环中性粒子效应、两种偏滤器材料情况下，外偏滤器靶板主要参数随上游等离子体密度的变化[31]。可以明显看出相同上游密度情况下，碳靶板拥有更低的电子温度和热沉积密度，更高的等离子体密度。这表明仅从再循环角度，钨靶板不利于脱靶的实现和热沉积的控制。主要原因是钨靶板具有更高的粒子和能量反射系数，产生更多较高能量的中性原子，这些原子不容易聚集在偏滤器区域，因此会降低钨偏滤器的能量辐射能力。

ne,sep/(1019 m-3)

靶板材料也会由于侵蚀产生固有杂质影响能量辐射，不同杂质的能量辐射因子如图5所示[42]。对比碳和钨两种杂质，可以看到碳杂质在电子温度为10～20 eV条件下的辐射损失因子最高，此温度处于偏滤器等离子体温度区间，因此碳杂质在偏滤器是良好的辐射物。钨杂质在低温(<100 eV)的辐射可以忽略，而在高温(～1 000 eV)具有很强的辐射因子，因而一般认为钨杂质不会对偏滤器能量辐射做出贡献，只会耗散掉芯部的能量，而这并不是人们所期望的。

Te/eV

JET的实验和数值模拟表明，类ITER器壁(ILW)情况比碳壁条件下的能量辐射降低了2-4倍，不利于脱靶的实现[43-44]。DIII-D研究表明碳杂贡献了86%的辐射能量[45]。EAST装置使用SOLPS模拟研究了碳靶板的化学侵蚀产额YC,chem对于偏滤器等离子体的影响[46]，如图6所示。发现随着YC,chem的增大，偏滤器区域杂质显著增加，电子温度和热沉积密度持续下降，这证明了碳偏滤器相对于钨偏滤器更加适合热沉积控制和脱靶运行。

r-rsep at target/cm

r-rsep at target/cm

r-rsep at target/cm

EAST下钨偏滤器设计中考虑了纯氘放电情况，使用SOLPS进行了功率扫描和密度扫描模拟研究，如图7所示[17]。上游密度固定为nD+,CEI=6.0×1019m-3时，当PSOL从2 MW增加到8 MW，外打击点电子温度从5.5升至177.7 eV，热沉积密度从1.0升至～17.8 MWm-2，超过了钨靶板的承受能力[17]，即Te<44 eV(假设偏滤器鞘层降为3kTe，因此入射到靶板的平均能量为5kTe，氘离子入射导致钨靶板溅射阈值为220 eV)，同时q<10 MW m-2。

PSOL/(MW)

PSOL/(MW)

这些研究表明钨偏滤器存在辐射能力不足的缺点，通过提高上游密度或者使用先进偏滤器位形能够在一定程度上获得改善，但是高功率放电该问题将会成为极大挑战，需要额外增加杂质源，才能实现对靶板的有效保护。

2 钨偏滤器杂质注入脱靶

钨偏滤器由于缺乏内源碳杂质的辐射贡献，能量耗散问题更加严峻[46]。先进磁场位形(包括雪花偏滤器[33]，X偏滤器和超级X偏滤器[47])，通过增大fexp有效降低偏滤器沉积热流，通过增大辐射体积和连接长度，增加偏滤器区域辐射。但由于维持先进磁场位形对极向电流控制要求较高，未来聚变装置(ITER等)更倾向于采用常规磁场位形[48]。

高功率放电情况下，托卡马克装置主要通过注入杂质气体(N2，Ne，Ar和Kr等)，增加能量辐射进而降低沉积到偏滤器靶板的热负荷。实验和模拟开展了大量的杂质注入脱靶研究，如EAST[50-52]，JET[53-54]，ASDEX-Upgrade[54-55]，WEST[56]，JT-60SA[57]，CFETR[58]，ITER[59]等装置。在不考虑漂移效应时，SOLPS研究表明EAST装置在氮气、氖气和氩气注入的情况下均显著降低了偏滤器的热负载和靶板温度，且氮和氩在偏滤器区域具有较强的辐射，氖辐射主要分布在最外封闭磁面附近靠近X点的位置，如图8所示[49]。但由于氩杂质在芯部较高的辐射效率[60]，会显著降低芯部约束性能，因此杂质注入同时兼顾增强偏滤器功率耗散和维持较高的芯部约束非常具有挑战。ASDEX-Upgrade研究表明，氩和氮杂质辐射会导致偏滤器靶板温度降低，并引起偏滤器区域电离降低，导致出现等离子体的返流，引发氩杂质在内外偏滤器之间的再分布[61]；与氩杂质相比，氮杂质辐射效率更低且平均自由程更长(偏滤器对氮杂质屏蔽能力更差)，因此未发现氮杂质在内外偏滤器的明显再分布。由于氮气会与主等离子体化学反应产生氨，对于未来的聚变装置(ITER、CFETR等)，一般选择化学性质稳定的惰性气体作为杂质气体。

图8 EAST辐射分数frad(辐射能量占输入能量比例)约为60%时，N、Ne和Ar注入下辐射功率分布，图片取自文献[49]。Fig.8 The radiative power distribution (W/m3) for N,Ne,and Ar seeding at the radiation power fraction frad～60% (It is defined as the ratio of total power radiation to the input power).The figure is taken from Ref.[49].

考虑漂移效应，EAST装置的氖气注入模拟研究复现了偏滤器密度双峰现象[63]，这主要是由于径向电漂移显著拓宽高密度区域，而极向电漂移驱动高密度区域出现显著的粒子损失，导致在高密度区域中间位置形成明显密度低谷。对CFETR的氖气和氩气注入模拟表明[64]，较高的喷气速率下均能实现偏滤器部分脱靶。提高上游氘气注入速率会进一步降低靶板的温度和热流，且有利于杂质屏蔽。由于氩比氖具有更高的辐射效率，氩注入在更低的喷气速率下即可实现部分脱靶，且能保持较好的芯部约束。

V.Rozhansky等人对ASDEX-Upgrade、JET、ITER的氮气和氖气注入的研究表明[62]：(1)氮杂质由于具有更低的第一电离能，离子流停滞点位于电离区域以上[65]，其更加容易聚集在偏滤器区域。(2) 氖杂质由于更高的第一电离能和更长的平均自由程，高约束放电情况更容易进入芯部，且由于氖较高的辐射效率，会导致较强的芯部辐射。(3) 从燃料循环的角度看，氖不会与燃料发生化学反应更适合ITER装置。(4)随着装置尺寸的增加，中性粒子的电离更加靠近靶板，有助于增强偏滤器杂质屏蔽，如图9所示[62]。(5)随着装置尺寸的增大，偏滤器的内外不对称性逐渐减弱，这主要是由于漂移效应随着装置半径的增大而变弱。

图9 SOLPS模拟得到的ASDEX-Upgrade，JET和ITER的氮杂质密度(包含中性和所有价态氮)分布。图片取自文献[62]。Fig.9 Comparison of ASDEX-Upgrade,JET and ITER simulated.Colours correspond to total (neutrals and all ionized states) nitrogen concentrations by SOLPS modeling.The figure is taken from Ref.[62].

钨偏滤器杂质注入研究表明，注入杂质可以有效地降低偏滤器靶板热负荷。但是注入杂质的分布会影响辐射效率和芯部兼容性，这些受到装置尺寸、偏滤器几何位形、磁场位形、注入杂质种类、漂移等综合影响，深入理解这些行为和其定量影响尚需开展大量研究。杂质注入能够较好解决钨偏滤器热负荷问题，但是注入杂质使靶板的物理侵蚀有可能变为更加严峻的问题。

3 钨靶板侵蚀

钨杂质属于高原子序数杂质，托卡马克芯部等离子体同钨杂质不兼容，钨靶板的侵蚀既关系到靶板的使用寿命，也会影响放电的稳定性。钨靶板的侵蚀主要是由物理溅射导致，其溅射产额主要取决于入射粒子的种类、入射角度和能量。射到钨靶板的杂志粒子的原子序数越高，其溅射能量阈值越低、溅射系数越大，通常垂直入射物理溅射产额可以使用基于实验数据的经验公式计算[66-67]

Yphy(E0)=QSn(ε)[1-(Eth/E0)2/3](1-Eth/E0)2(cosα)-fexp{f[1-(cosα)-1]cosαopt}

(2)

公式中每个符号的定义详见文献[68]。另外，物理溅射产额也可以使用基于两体碰撞的SDTrimSP程序计算得到[69]。图10(a)展示了经验公式计算的钨靶板溅射产额随入射能量的变化[70]，其中氖杂质入射的溅射阈值为38 eV，碳杂质入射溅射阈值额为50 eV，而氘入射的溅射阈值为220 eV，很清楚地表明高质量的杂质更加容易引起严重的物理侵蚀。图10(b)为偏滤器靶板在氘、氦及不同杂质含量情况下钨靶板的有效溅射产额随电子温度的变化[71]，可以看到存在杂质情况下需要将电子温度控制在5eV以下，才有可能保证足够小的有效溅射(溅射产额小于10-5)。

Incident energy/eVW sputtering,E=3ZT+2T

T/eV

靶板的侵蚀速率可以表示为[70-72]：

REro=YphyΓM/(ρNA)

(3)

其中REro代表钨靶板的侵蚀速率(单位：m/s)，Y代表溅射产额，M代表靶原子的摩尔质量，ρ为靶材料密度，NA为阿伏伽德罗常数，Γ为入射离子流密度。由式(3)可知，靶板的侵蚀速率与物理溅射产额、打到靶板上的粒子流密度、靶板原子的摩尔质量、靶板材料的密度有关。

氦对钨的溅射产额如图10(b)所示。JET氦放电模拟表明边界局域模期间氦离子主导钨的侵蚀，边界局域模恢复期间，2价氦离子及2价铍离子主导钨的侵蚀[73]。EAST上模拟给出氦放电时，边界局域模期间氦离子与6价碳离子对钨的侵蚀相当[74]。两个装置的模拟均表明氦对钨靶板的侵蚀远大于氘。值得注意的是，现有托卡马克只有JET进行了氘氚放电，而此条件下钨靶板的侵蚀尚未报道。JET实验表明杂质是引发钨靶板侵蚀的主要因素[75]，如图11所示。

Te/eV

由于偏滤器的内外不对称性，外靶板附近的电子温度相比内靶板要高，因此外靶板的侵蚀更具有挑战性。图12展示了模拟得到的EAST注入氖杂质放电条件下，不同粒子在不同加热功率条件下对钨靶板的侵蚀情况对比。可以看到总侵蚀速率由氘离子和氖离子占主导。在杂质注入期间，靶板电子温度的降低可以降低物理溅射产额。但侵蚀速率不仅取决于氖杂质的物理溅射产额，还取决于入射到靶板上的杂质粒子流密度。当加热功率为3 MW时，随着充气速率的提升，总侵蚀速率由于氘离子能量减小而降低。原因是在低充气速率下，氘离子流密度比氖离子大得多，因此氘离子侵蚀占主导。随着氖充气速率的增加，一方面氖离子的溅射阈值低，物理溅射产额高；另一方面，沉积到靶板的氖离子的粒子流密度显著升高，靶板侵蚀逐渐变为氖离子主导。氖离子流的升高，抬升了总侵蚀速率。此时，升高的氖杂质流和降低的物理溅射产额之间的竞争决定了靶板的侵蚀率，直到注入充足的杂质气体，总侵蚀速率才会重新被溅射产额主导，并显著降低。

Puffing rate/(1019 atoms/s)

高加热功率情况(5和8 MW)，氖杂质不足时，靶板的总侵蚀将变得更加严重。无论是在低加热功率还是高加热功率放电条件下，只有注入充足的氖杂质，才能抑制钨靶板的侵蚀，延长偏滤器靶板的使用寿命[70]。而对于氩杂质而言，尽管氩杂质辐射能力强于氖杂质，其由于原子质量更大，对钨靶板侵蚀可能会更加严重[17]，这对于高功率放电情况尤其重要。因此对于包含不同杂质情况下，钨靶板的侵蚀评估非常重要，有待开展系统研究。

需要注意的是上述研究讨论的钨杂质侵蚀是总侵蚀，而所产生的钨杂质会进入等离子体中，发生电离、快速再沉积、输运等。研究表明快速再沉积会导致大多数钨杂质返回靶板[76]，因此靶板的净侵蚀相对于总侵蚀要小很多[77]，其决定了靶板的使用寿命。溅射产生的钨杂质在等离子体中的行为会影响等离子体性能和稳定性，这主要涉及钨杂质的输运。

4 钨杂质输运及聚芯

钨杂质辐射会降低芯部能量约束，导致放电熄火，因此ITER要求芯部钨杂质含量低于10-5[78]，而中国聚变工程试验堆(CFETR)要求边界钨杂质含量不超过3×10-5[79]。钨杂质在等离子体芯部的聚集是托卡马克研究的关键问题之一。

钨杂质在刮削层的输运及杂质聚芯和等离子体参数密切相关。科研人员针对EAST、WEST、DIII-D、JET等装置进行了一系列的模拟及实验研究。研究结果表明在密度比较低的情况下，靶板侵蚀强，输运到上游的钨杂质多。通过提高密度[81]、考虑固有杂质影响[82-83]、注入惰性气体杂质[80][84]，使得靶板温度降低，虽然粒子流增强，但靶板溅射及钨自溅射显著降低，同时偏滤器泄露减少，芯部钨杂质浓度降低。为获得更好的聚变条件，需提高装置运行参数。较高的聚变功率使得靶板温度显著提高，极大增强钨源，在芯部引起难以接受的钨杂质聚集，模拟结果建议靶板温度需要小于20 eV以更好地控制芯部杂质浓度[83]，芯部杂质浓度与靶板电子温度之间成三次幂的关系[80]，如图13所示。不同的等离子体条件下，杂质的输运系数存在显著的差别。较大的径向输运系数使得钨杂质在中平面以下就通过径向输运进入芯部，在中平面以上聚集较少。同时，径向箍缩影响钨杂质的聚芯，研究给出箍缩与径向输运系数对芯部浓度影响的关系[85]。

Te/eV

在实验上，通过远紫外(EUV)光谱[86]、X射线[87]、气体电子倍增技术[88]可以诊断获得芯部钨杂质辐射的变化及密度径向剖面。使用光谱诊断钨源是通过测量波长为400.9 nm的WⅠ谱线的强度，再由X/SB反演得到。这种方法被广泛应用于各托卡马克装置，EAST[89-90]给出不同放电条件下的WⅠ谱线强度，表明边界局域模期间钨的侵蚀在放电过程中占据主导。通过芯部EUV光谱给出杂草边界局域模(grass ELM)、第一类型边界局域模(type-Ⅰ ELM)钨杂质辐射的变化[91]，由EUV谱线强度反演给出不同放电高价钨离子径向密度剖面[86]，这些钨杂质剖面大多在径向的某个位置出现峰值。但是由于诊断技术限制，很难诊断边界钨杂质信息。

为更细致研究钨杂质在刮削层的输运，DIII-D钨环实验在低场测使用收集探针(CP)测量放电过程中刮削层中非再循环杂质的径向沉积剖面。实验测量得到的内靶板侧钨的面密度高于外靶板[92-93]，OEDGE模拟与实验结果一致[94]，钨杂质在等离子体顶部发生聚集。OEDGE模拟得到的近刮削层极向钨杂质密度分布如图14所示。接近分离面的极向分布(R-RSEP=0.1 cm)，钨杂质密度在等离子体顶部(FSOL～0.4)显著高于除靶板外的其他位置。随径向距离增加，由于径向扩散杂质密度峰值减小。远刮削层密度分布与近刮削层类似，只是杂质密度值更小。钨杂质在顶部的聚集是摩擦力与热力竞争，从而在等离子体顶部位置形成杂质停滞点导致[94]。HL-2A上使用laser blow-off(LBO)方法引入钨杂质，通过测量波长为216.219Å的WⅦ谱线，可以评估钨杂志沉积到靶板后再次进入刮削层的W6+入射流[95]。

Fractional distance along SOL,FSOL

由于第一壁钨源距离芯部更近，其对芯部钨杂质浓度的贡献同样不可忽略。图15中通过模拟给出WEST装置假设氧杂质浓度为1%，低等离子体密度情况下总的钨杂质密度分布[96]。该条件下快速再沉积很小，钨密度主要分布在偏滤器区域及挡板[98]。图15(a)用不同颜色标出不同的面向等离子体部件的位置，并在图15(b)中给出径向输运系数为1 m2s-1，从低密度到高密度，芯部钨杂质含量(Nin)与侵蚀速率(ΦW)的关系[97]。随着等离子体密度的增加，虽然大部分位置侵蚀增强，但芯部钨杂质含量却发生减少，而挡板位置引起的芯部钨杂质含量显著增加。虽然第一壁侵蚀较小，但可能引起的芯部污染不容忽视。较小的入射粒子流可能引起芯部钨含量发生较大的变化。

R/m

Werosion rate φ/s-1

钨杂质输运还受到偏滤器几何结构、漂移、磁场展宽等的影响。对于DIII-D的小脚偏滤器(SAS)，偏滤器等离子体更加稠密，温度更低，靶板溅射更弱。相比于远刮削层，打击点附近具有更强的靶板沉积及摩擦力，表现出更弱的杂质泄露[99]。当在外中平面注入钨杂质，由于漂移的作用，外偏滤器区域钨杂质密度分布很小[100]。充气速率一定的情况下，对于较大的靶板磁展宽，实验测量得到靶板钨源影响比较小，但芯部钨杂质含量显著增加[101]。

钨装置中钨杂质对主等离子体的污染控制是一项非常重要的研究任务，涉及到钨杂质的产生、输运和沉积等过程研究。对于漂移、偏滤器磁场位形等对钨杂质输运的研究还不够充分，仍需深入研究。未来反应堆中钨杂质行为需要特别关注。

5 边界局域模对钨靶板的影响

边界局域模(ELM)是托卡马克装置中高约束运行模式下一种常见的磁流体不稳定性现象[19]。ELMs一般以准周期的方式在很短的时间内从台基区向刮削层区排出大量离子和能量，其将沿磁力线沉积到靶板，造成靶板沉积热流和入射等离子体能量显著提高。这些高能离子轰击靶板会对钨靶板造成显著威胁。

一方面台基流出的过高能量会加热靶板，导致靶板发生熔化甚至汽化，瞬间造成损坏。图16显示了ITER分别采用CFC和钨材料时靶板的剩余厚度随ELM数量的变化[102]。可以得到如果每个ELM爆发能量小于15 MJ时，钨靶板的寿命能够保证(>106个ELM)。如果每个ELM释放能量过多，会极大降低靶板寿命。

Number of ELMs

另一方面，高能粒子入射可能会增加靶板的物理侵蚀。DIII-D的实验和相应的自由流模型均表明ELM期间靶板物理侵蚀会达到峰值，氘离子和杂质离子共同起作用[103-104]。JET研究表明高约束模式放电，ELM期间贡献了绝大多数钨杂质源，如图17(a)所示[22]。另外，实验发现单位时间ELM侵蚀源随ELM频率增大而减小，这主要是由于高频率ELM对应较小的爆发能量。

D fluence/(1023 D/m2)

intra-ELM+inter-ELM Wsource[10 s-1]

ELM frequency/Hz

实验和模拟均表明ELM可能会增大靶板的热侵蚀和物理侵蚀，但是钨杂质聚芯跟钨杂质源强度并不会直接相关联[80]。研究表明ELM可能会增大快速再沉积，从而减小钨杂质聚芯量[105]。对于钨偏滤器，ELM的控制必不可少，但是ELM期间钨杂质的输运研究尚待深入开展。

6 钨靶板中燃料的滞留

聚变需要使用氢同位素氚和氚作为燃料，而氚是具有放射性的元素(半衰期12.3年)，为了保证聚变装置的安全性，需要尽量减小氢同位素在器壁中的滞留量(ITER中要求氚的总滞留量不超过700 g)[107]。另外，氚也是一种非常贵的燃料，非常稀缺，而ITER建成后每年预计会消耗20 kg氚，自然界存在的氚只够ITER使用2.5年[108]。为了保证聚变的经济性，必须减少器壁材料中的氚滞留。此外，氚在面向等离子体壁材料中的渗透行为也是威胁聚变堆安全的重要问题。

在ITER装置建造初期，最开始计划选用三种材料作为面壁材料，即碳、铍和钨；但是由于碳的化学溅射率很强，很容易跟氢元素反应生成碳氢化合物，导致燃料滞留率非常高。图18为由已有的实验数据外推得到的ITER使用不同器壁材料时燃料的滞留总量随放电时间的变化[109]。可以看出如果器壁使用纯碳材料，放电总时间超过104秒就会超出所允许的最大滞留量；使用碳、铍和钨三种材料一起作为器壁材料时，滞留量相较于纯碳材料好很多，但是仍会在放电时间超过105秒后超过允许滞留量。如果彻底不使用碳作为器壁材料，那么放电时间能够达到106秒，这样燃料滞留的限制就相对要低了。对于纯钨壁材料，燃料滞留问题就变得好很多。但是聚变反应产生的中子和其他高能粒子的轰击，会导致钨材料中产生大量的缺陷，极大地增加燃料的滞留量。

t/s

器壁材料中的燃料滞留是由边界等离子体放电参数和服役该环境下的材料状态共同决定。科研人员针对燃料滞留问题开展了大量的实验和模拟研究，包括等离子体辐照诱导的微观结构和高能自身离子辐照损伤(模拟高能中子损伤)以及燃料在微观辐照损伤钨材料中滞留的研究[10,110-113]。目前已明确边界等离子体的入射能、入射流、辐照剂量对燃料滞留有影响，这些参数将诱导复杂的微观结构，将影响燃料粒子在材料表面和内部的燃料滞留过程如扩散、捕获和释放等，从而影响最终的燃料滞留[114-116]。

面向等离子体壁材料将承受高能中子或离子的强辐照，使得材料状态显著变化，从而影响燃料滞留。实验研究表明相比未辐照损伤钨，辐照损伤钨材料中燃料滞留显著提高，如图19(a)所示。其中，钨材料经过20 MeVW6+ions辐照诱导形成0.89(displacements per atom,dpa)的损伤程度，然后自损伤的钨材料再接触1.1×1019m-2s-1氘原子辐照。实验结果表明辐照诱导的级联缺陷是燃料滞留量提高的主要原因[117]。实验进一步研究发现，燃料滞留还与边界等离子体辐照下材料表面状态有关。高能粒子直接注入材料内部，然而，低能燃料粒子在材料表面受到热化，影响材料内部的粒子输运过程，从而影响燃料滞留[118-119]。图19(b)是实验中测量的低能等离子体在辐照损伤钨表面的燃料滞留密度随温度和时间的演化。在实验中，钨材料在室温下经过12.3 MeVW4+辐照，产生0.45 dpa的辐照损伤，然后损伤钨再接触1023m-2s-1的氘等离子体辐照。结果发现温度越高，氘滞留密度达到饱和的时间越短。

Depth/μm

t/s

基于宏观速率方程开发的燃料滞留程序已经开展了自损伤钨材料中燃料滞留研究[120-121]。图20(a)给出的是自身离子辐照损伤钨中燃料滞留总量随氘辐照剂量的演化，该模拟验证了辐照损伤主导燃料滞留的结论。材料内部的辐照诱导的捕获点密度以及其对燃料粒子的捕获影响自由粒子的扩散和捕获过程从而影响燃料滞留[120]。增大缺陷密度和捕获能均能增大燃料滞留。模拟发现低能燃料粒子在材料表面吸附、表面再结合以及渗透过程影响燃料粒子在材料内部的扩散和捕获率，从而影响燃料滞留量[121]。图20(b)呈现的是材料表面和内部滞留量氘总量随化学吸附能的演化。模拟发现增大表面势能(化学吸附能和渗透势能)增强了表面效应，从而有助于降低材料中燃料滞留量。

Ech/eV

器壁材料温度是燃料滞留的一个重要影响参数。提高材料温度会影响燃料滞留过程，包括燃料粒子内部吸收、扩散、捕获和分解过程，从而影响燃料滞留量。模拟研究发现低能燃料粒子由于受到材料热化，燃料滞留先增大后减小[121]。这是因为提高温度，材料中燃料捕获过程占主导作用，当材料中燃料滞留达到饱和时，继续升高温度，分解过程将占主导，因此燃料滞留减小。此外，实验研究发现升高材料温度会导致微观缺陷发生迁移演化，从而影响燃料滞留[123-124]，图21(a)是辐照损伤钨经过不同温度退火后氘滞留密度分布。研究表明升高温度促进缺陷退火，降低辐照缺陷密度，从而减少燃料滞留量。图21(b)是实验中测量的缺陷密度随温度的演化[125]。这些研究表明升高温度既可以降低燃料滞留捕获点密度，又能增强捕获点中滞留燃料的分解，从而减少燃料滞留量。这意味着升高温度(热壁运行)是降低燃料滞留的一种手段。

Depth/μm

annealing temperature/K

除了升高材料温度除氚之外，氢同位素置换是一种非常有效的去氚手段[126]。未来托马克需要在长脉冲高功率稳态条件下运行，如何实现恒定温度下低的氚滞留量将变得十分重要。实验中已经开展了注入氢同位素置换氘的实验研究，发现注入氢能降低氘滞留量[119,127]。为了解释氢同位素置换实验，氢同位素置换模型已经被建立[122]，初步研究了氢同位素置换的物理过程。研究发现氘滞留密度随氢的注入剂量的增大而减小，注入氢可以降低氘的滞留密度，模拟所得氘滞留量和实验测量结果一致[122]。氢同位素置换效率受材料温度和捕获能影响，高捕获能缺陷中捕获的氘在低材料温度下几乎无法置换。然而，低温辐照条件下氢同位素置换仍然尚未开展深入研究。

目前，已开展的研究表明辐照损伤钨中燃料滞留是由材料中燃料粒子的微观输运和滞留过程共同决定，等离子体参数(如入射能)和材料状态(辐照诱导缺陷等)直接影响此过程。材料内部的缺陷密度和其对燃料粒子的捕获能决定燃料滞留量。升高温度促进缺陷退火，降低燃料捕获点密度，同时增强滞留燃料的分解，从而降低燃料滞留量。增大材料表面势能，增强材料表面效应，能限制燃料粒子渗透，从而降低材料内部滞留量，这些微观过程将为燃料滞留的预测提供重要理论基础。然而，托卡马克中氢同位素滞留的研究是一个多尺度多粒子辐照过程，更精确的模拟需要处理等离子体与高能中子协同辐照问题，这将对燃料滞留预测带来极大挑战。此外，氚在壁材料的渗透行为也将受中子辐照损伤影响。在聚变堆运行条件下，面向等离子体壁材料表面会被表面杂质覆盖或者等离子体轰击侵蚀，导致渗透将依赖于材料的表面结构或者内部的辐照损伤。目前，虽然已经知道等离子体驱动的渗透受钨表面条件的影响，但这一问题仍需要更详细的研究，特别是材料表面效应和中子辐照损伤行为[128]。

7 结论

针对托卡马克钨偏滤器运行的基本物理问题，本文介绍了近些年的主要研究进展和存在的主要问题。可以总结如下：

钨偏滤器由于具有高的粒子和能量反射系数、同时缺少偏滤器区域辐射杂质，不利于脱靶的实现；通过改进偏滤器几何位形和磁场位形会增强辐射，降低能流，但是在高加热功率条件下需要额外注入杂质以满足脱靶条件。钨偏滤器杂质注入可以有效降低能流，但是注入杂质的输运、屏蔽和同主等离子体的兼容成为主要问题。引入的杂质可能会加剧钨靶板的侵蚀，对靶板寿命造成威胁。钨杂质会对主等离子体产生重要影响，因此需要抑制钨杂质聚芯，而这就涉及到钨杂质产生、输运和聚芯的影响机制。边界局域模会增强沉积到钨靶板的能流和粒子入射能量，造成靶板熔化和物理侵蚀增强。当钨靶板受到高能粒子辐射，内部产生大量缺陷时，氚滞留问题将会变得严峻。

对于这些问题的理解需要借助大规模数值模拟、托卡马克实验和直线等离子体实验协同开展研究。