HT-7托卡馬克全金屬壁及鋰化條件下輝光放電清洗的研究

真空基礎 畢海林 中科院等離子體物理研究所

  輝光放電清洗被廣泛應用于聚變裝置的壁處理,但是對于未來國際熱核實驗反應堆全金屬壁條件下的實驗運行,需要積累更多經驗。HT-7 托卡馬克從2011 年開始,采用全金屬第一壁,包括鉬限制器和不銹鋼內襯,而且具有抑制雜質和降低再循環功能的鋰化,也被HT-7 用為常規的壁處理。研究發現,輝光放電清洗對于鋰化金屬壁同樣具有雜質清除效果。全金屬壁條件下,He 輝光對于H,O,C 的清除率分別達到4.2 × 1023,1. 1 × 1022,2. 4 × 1021 atoms /h,鋰化條件下,He 輝光的清除率具有相似水平。此外,文章還研究了不同種類氣體和壁溫對于輝光效果的影響。先進超導托卡馬克實驗裝置( EAST) 不久也會采用鎢偏濾器和鉬第一壁,因此本文研究的內容對于全金屬壁的EAST 也同樣具有重要意義。

  聚變裝置托卡馬克高功率的運行將帶來嚴重的等離子體與壁相互作用,特別是在像國際熱核實驗反應堆( ITER) 這樣的未來超導托卡馬克中。為了獲得高參數等離子體放電,必須有效地抑制和消除壁上的雜質以及降低氚的再循環。而有效的壁處理就能夠減少雜質和降低氫同位素的再循環,因此許多裝置都在研究一些壁處理手段,例如烘烤,放電清洗,薄膜沉積等。將第一壁在大約200℃下烘烤能夠有效從器璧上釋放雜質。輝光放電清洗和離子回旋清洗能夠產生高能粒子轟擊壁表面,引起電子或離子誘導的雜質釋放,因此也被廣泛應用于改善壁條件。將低Z 材料以薄膜沉積的形式( 如鋰化、硅化、硼化) 涂覆在面向等離子體部件上,也被用于抑制雜質以減少雜質輻射。

  盡管超導托卡馬克裝置中高強度磁場的存在限制了輝光放電清洗的使用,但在實驗運行前期沒有環向磁場的情況下,輝光放電清洗和烘烤依舊是最重要的壁處理手段。而且輝光放電清洗也被ITER 考慮作為一項關鍵的技術應用于真空室暴露于大氣之后的壁處理。Tore Supra 中,烘烤、D2輝光和He 輝光是被作為標準的壁處理程序來運用,有12 個主動冷卻輝光電極放置在真空室中。而且在D2輝光之后,可用He 輝光來減少器壁中氘的濃度。KSTAR 中,在利用He 輝光的硼化過程中,從碳硼烷中脫離的殘余H 原子,使得在接下來的等離子放電中密度難以控制。而用D2輝光代替He 輝光之后的硼化過程中,硼膜中大約30% ~ 40%的H 原子被D 原子所替代,從而有效減少了氫的水平。JT-60 中氚移除的實驗顯示,由于H2輝光中的化學過程,H2輝光比He 輝光有更高的氫同位素( 氚和氘) 釋放率。在TEXTOR 和Tore Supra 中,同位素置換效率的對比結果顯示,相對于離子回旋清洗,輝光放電清洗具有高出5-10 倍的清除率。這是因為離子回旋清洗有很高的再電離幾率,導致解吸的雜質又會再沉積到器壁上。

  鋰化也是一種重要的壁處理方法,在NSTX 和TFTR 等裝置上,分別有很多的研究。鋰是一種低原子序數的金屬,它的高比熱性質和很強的雜質吸附能力,使鋰也成為一種潛在的面向等離子體材料。用He 輝光作用于事先暴露于氫的鋰膜的實驗表明,He 輝光能夠有效降低鋰膜中氫的飽和度。先進超導托卡馬克實驗裝置( EAST) 中,鋰化之后的等離子體放電中,總的雜質輻射被有效抑制,電子溫度也明顯提高。然而,隨著等離子體放電的運行,鋰膜會逐漸被氫的同位素和其它雜質所污染,因此,在HT-7 和EAST 中,每天清晨都會蒸發新鮮的鋰到器壁上。HT-7 中,為了減少器壁上存留的雜質,在進行新的鋰化之前,通常會用He 輝光來解吸被污染的鋰膜中的雜質。

  盡管輝光放電清洗被廣泛應用于聚變裝置,大部分都是在碳壁條件下,而ITER 將使用鈹和鎢作為第一壁材料,因此研究ITER 相關壁條件下的輝光放電清洗仍舊十分必要。HT-7 第一壁材料是不銹鋼和鉬,鉬和鎢具有相似的性質。鋰化在HT-7中是一種常用的壁處理方法,第一壁通常被鋰膜所覆蓋。鋰和鈹也具有一些相似的性質,如低的原子序數和吸氧性,所以在壁材料的角度,HT-7 是一種ITER 相似的裝置。因此在HT-7 中,全金屬壁以及鋰化條件下輝光放電清洗的研究,對于未來ITER中輝光放電清洗的運行具有十分重要的意義。在2012 年HT-7 秋季實驗中,我們系統研究了全金屬壁以及鋰化條件下的輝光放電清洗。本文介紹了輝光放電清洗的具體過程,隨著持續的輝光放電清洗,真空中不同氣體的分壓變化,He 輝光和D2輝光的清除率,器壁溫度對清除率的影響,以及有無鋰化情況下的對比。

實驗系統

  HT-7 是一個具有超導環向線圈以及限制器位形的中型托卡馬克裝置,它的大半徑R = 1. 22 m,小半徑a = 0. 27 m。通常裝置運行時,等離子電流Ip= 100 ~ 225 kA,中心電子溫度Te = 0. 5 ~ 3. 0 keV,環向磁場BT = 1. 5 ~ 2 T,中心等離子體密度ne = ( 1~ 6) × 1019 m - 3。第一壁面積為12 m2,包括不銹鋼內襯和1. 88 m2 的鉬限制器。裝置真空抽氣采用三臺大型分子泵和三臺低溫泵本底真空度能夠達到7 × 10 -6 Pa。

  HT-7 的輝光系統包括兩個環向對稱的鉬電極,如圖1 所示。每個電極有獨立的供電系統,最大電壓為1000 V,最高電流為3 A。為了獲得穩定設置的工作氣壓,使用具有反饋控制的壓電閥來控制充氣流量。實驗中,通常采用He 氣或者D2氣作為工作氣體,壓強一般設置在0. 1 ~ 10 Pa。輝光時,低溫泵與內真空隔離,只有兩臺分子泵工作。對于He和D2,兩臺分子泵總的有效抽速為2.01 m3 /s。

  由于輝光放電清洗時的工作氣壓超過了殘余氣體分析儀( RGA200) 的量程( 小于1 × 10-2 Pa) ,實驗中采用了差分抽氣系統讓殘余氣體分析儀工作。差分抽氣系統由單獨的一個小型分子泵和獨立的真空室組成,獨立的真空室通過一個小流導管( 流導為0. 1 L /s) 和裝置內真空室相連。通過安裝在差分抽氣系統上的殘余氣體分析儀,輝光期間不同氣體的分壓強能夠被實時采集。此外,作者也通過熱電偶溫度計實時測量了裝置第一壁的溫度。鋰化實驗則在這輪實驗的最后幾天進行。

實驗結果和討論

輝光放電清洗的過程

  2012 秋季實驗中,通常在每個夜晚進行一次4~ 8 h 的輝光來進行壁處理。整輪實驗中,總共進行了34 次,共204 h 的He 輝光,以及5 次,共24. 5h 的D2輝光。輝光擊穿時,每個電極的電壓通常設置在1000 V,氣壓設置在1 ~ 10 Pa。輝光擊穿后,將電流設置為2 A,工作氣壓設置為0. 8 ~ 1 Pa,此時差分抽氣系統的真空度約為( 2 ~ 8) × 10 - 4 Pa。由于壓電閥反饋控制的延時反應,氣體分壓在前幾分鐘內會有一些波動,但是很快就能穩定保持在設定值。

HT-7 裝置中,輝光放電清洗系統的示意圖

圖1 HT-7 裝置中,輝光放電清洗系統的示意圖

  實驗期間,研究了每一次輝光過程中不同成分氣體分壓的變化。如圖2 所示,在第7 次輝光時,使用的是0. 8 Pa 的D2氣,第8 次輝光時,使用的是1Pa 的He 氣。在實驗之前,裝置內真空壓強為1. 7× 10 -5 Pa,差分抽氣系統壓強為8. 5 × 10 -6 Pa。輝光啟動后,H2( M2) ,HD ( M3) ,H2O ( M18) 和CO( M28) 的分壓明顯增加,但是其他成分變化不是很明顯。分壓的顯著增加,意味著雜質成分從器壁表面的強烈釋放,說明了輝光清洗的對壁處理的有效性。為了進一步的分析,通過差分抽氣系統中各種氣體成分的分壓,計算出裝置中各種氣體成分的分壓,計算的結果將在后面的小節中用到。

D2輝光和He 輝光過程中,不同氣體分壓的變化

圖2 D2輝光和He 輝光過程中,不同氣體分壓的變化

結論

  本文討論了HT-7 托卡馬克裝置中,全金屬壁以及鋰化條件下的輝光放電清洗。文章首先介紹了聚變裝置中常用的壁處理方法,接著分別介紹了國內外輝光放電清洗和鋰化的研究進展,然后闡述了本文研究的內容對于未來ITER 金屬壁條件下壁處理的意義。在研究結果中,先是詳細介紹了HT-7中的輝光系統,然后分別介紹了具體研究內容。

  啟動輝光時,H2,H2O,和CO 分壓的明顯增加,說明了雜質從壁上的強烈釋放,顯示了輝光清洗的有效性。對比歷次輝光清洗過程,H2O 和CO 的分壓逐漸降低到相對穩定的值,說明通過輝光清洗,壁條件得到有效改善。通過比較He 輝光和D2輝光的清除率,發現D2輝光對于H 具有更高的清除率,而He 輝光對于C 和O 具有更高的清除率。

  此外,還比較了不同壁溫下He 輝光的清除率,結果顯示,更高的壁溫能夠提高He 輝光對于C 和O 的清除率。文章最后討論了鋰化過程中,鋰膜中化合物的形成,并對比了有無鋰化狀態下,He 輝光過程中不同氣體的分壓和不同雜質的清除率。對比結果表明兩種狀態下具有相似的輝光清洗效果,但是鋰膜對雜質具有強烈吸收效果,因此鋰化結合輝光放電清洗對于壁處理會更有效。