托卡马克边缘等离子体与壁材料相互作用
课程报告
题目：磁约束核聚变托卡马克等离子体
与壁相互作用研究进展
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磁约束核聚变托卡马克等离子体与壁相互作用研究进展
核聚变能是潜在的清洁安全能源, 其最终的实现对中国能源问题的解决尤其重要。磁约束托卡马克是目前最有可能实现受控热核聚变的方法。磁约束聚变能的实现面临两大瓶颈问题: 高参数稳态等离子体物理问题和托卡马克装置及未来反应堆关键材料问题。其中关键材料问题的解决在很大程度上取决于我们对等离子体与壁材料相互作用( Plasma-Wall Interact ions, PWI) 过程和机理的深入理解。PWI现象主要发生在托卡马克磁场最外封闭磁面以外的边界等离子体( 又称为刮削层, Scrapped-Off Layer,SOL)和直接接触SOL的面对等离子体材料( Plasma-Facing Materials, PFM )区域内。因此, PWI问题直接决定了聚变的装置运行安全性、壁材料研发进程和未来壁的使用寿命。弄清PWI的各种物理过程和机理并施以有效的控制, 是未来核聚变能实现的重要环节。
1 前言
随着化石能源的枯竭, 人类面临着严重的能源危机。核聚变能是潜在的清洁安全能源, 其燃料氘大量存在于海水之中, 几乎取之不尽用之不竭。因此, 核聚变能被认为是人类能源问题的终极解决方式。核聚变能的最终实现对中国能源问题的解决尤其重要。因为库仑排斥作用使核聚变反应非常困难, 使用强磁场约束等离子体并加热至极端高温的 托卡马克 方式是目前最有可能实现受控热核聚变的方法, 而可能实现长脉冲( 稳态)高参数运行的全超导磁约束托卡马克则是目前最有发展前途的热核聚变装置。2006 年11月, 欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国、印度和中国七方在巴黎正式签署协议, 启动全超导磁约束国际热核实验堆( International Thermonuclear Experimental
Reactor,ITER ) 建设, 项目耗资120 亿美元, 将于2018 年在法国Cadarache建成, 预计可以产生500 MW 的能量。ITER 计划是目前世界上仅次于国际空间站的又一项国际大科学工程项目, 是人类开发洁净新能源的一次大胆尝试。这一计划将集成当今国际上受控磁约束核聚变的主要科学和技术成果, 是人类受控核聚变研究走向实用的关键一步。ITER 计划是中国有史以来参加的规模最大的国际科技合作项目。
在国内, 中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所(以下简称等离子体所) 在20世纪90年代,建成了HT - 7超导托卡马克, 是世界上少数几个超导装置之一。2006年, 等离子体所又独立建成了世界上第一个具有非圆截面的全超导托卡马克( Experimental Advanced Superconducting Tokamak, EAST , 是当今世界上最先进的磁约束热核聚变研究装置之一。目前,EAST 正在开展与ITER相关的各项工程和物理研究, 如长脉冲( 稳态) 等离子体的稳定控制、等离子体驱动和加热、偏滤器物理、先进壁材料和部件研发及其与托卡马克等离子体相互作用等。核工业西南物理研究院是国内最早开展核聚变研究的研究单位,在高温等离子体物理研究方面取得了令人瞩目的成绩。建成的HL - 2A装置已经成功地进行了偏滤器位形放电并获得了高约束等离子体。全面展开的对HL-2A 的升级改造工作，并已完成。
磁约束托卡马克是目前最有可能实现受控热核聚变的方法。磁约束聚变能的实现面临两大瓶颈问题: 高参数稳态等离子体物理问题和托卡马克装置及未来反应堆关键材料问题。其中, 关键材料问题的解决在很大程度上取决于我们
对等离子体与壁材料相互作用( Plasma-W all Interactions, PWI)过程和机理的深入理解。PW I现象主要发生在托卡马克磁场最外封闭磁面( Last Closed Flux Surface, LCFS)外的边界等离子体(又称为刮削层,Scrapped-Off Layer, SOL)和直接接触SOL的面对等离子体材料( Plasma Facing Materials , PFM ) 区域内。因此, 弄清SOL中的各种物理过程和机理并施以有效的控制, 是未来在ITER 上实现高参数、长脉冲运行的重要环节之一。在SOL区, 大量来自芯部等离子体的稳态能流和粒子流经过复杂的SOL层流输运到PFM 上。同时,由于边界局域模和湍流的作用以及其它不稳定性因素(如垂直位移和破裂等), 会把更强的瞬态能流和粒子流投向PFM。这些稳态和瞬态的高热负荷和强粒子流轰击以及之后的氢/氦(H /H e)的扩散和滞留, 加上高能聚变中子辐照, 不仅损伤PFM、影响PFM 的结构和性能、缩短其使用寿命和带来装置安全问题, 而且产生的杂质和灰尘进入边界甚至芯部等离子体, 降低了等离子体品质并增加了等离子体稳定控制的难度。而灰尘的化学活性、活化放射性和放射性氚滞留等因素则带来了一系列的安全问题。高速灰尘对PFM 尤其是诊断用第一镜的损伤也将成为一个严重问题。
2 面对等离子体材料的选择
PWI主要发生在SOL 等离子体和PFM 组成的区域内, 直接作用于PFM表面并通过表面进入基体。因此,PFM 的选材对于PW I的具体过程有决定性的影响。目前尚无任何PFM 可以同时满足与等离子体相容性好、耐高热负荷、耐高通量低能离子和中性粒子辐照、耐高通量高能中子辐照射等苛刻要求。迄今研究最多的PFM 是碳( C)、铍( Be)和钨(W )。C的优点是低Z、热力学性能好、不熔化、升华温度高; 缺点是高的溅射刻蚀率、与氚共堆积滞留、中子辐照脆化等。Be 的优点是低Z、吸氧能力强、H 同位素( 包括氘和氚, 以下如无特殊说明均用H 表示) 滞留较小; 缺点是低熔点、高溅射和毒性等。W 材料以其高熔点、低溅射、不与H发生化学反应、H 滞留极低等特性被视为未来托卡马克/聚变堆中最可能全面使用的PFM ,其缺点是存在高Z杂质辐射、高热负荷下再结晶脆化甚至熔化/蒸发的问题。鉴于W 在未来壁材料中的重要地位, 针对其最主要的辐射问题, 德国在ASDEX-U 托卡马克上开展了系统的W 壁物理实验, 结果表明, W杂质向芯部等离子体的传输过程受到多种辅助加热手段的有效抑制。据此ITER 已确定了一条从Be/C/W 到Be/W最后变成全W-PFM 的路线。EAST也逐步从全C到C /W 的过渡, 最后变成全W-PFM的发展方向。EAST将成为ITER建成之前世界上能够开展ITER 相关的PW I物理和工程研究的最重要装置之一。在ITER 以后的堆型设计中, 全W-PFM 概念已经成为共识。
3研究现状
（1）边界等离子体的基本物理过程
边界等离子体的基本物理过程主要包括燃料粒子、PFM 杂质和注入杂质的基本原子分子过程, SOL 层流及杂质输运, 以及PFM溅射刻蚀和迁移再沉积等, 这些都是当今聚变界热门的研究领域。其中, 主要原子过程的相关研究包括电子与H 和杂质离子(原子) 的碰撞激发、碰撞电离; 电子和杂质离子碰撞激发的自电离、双电子共振复合过程; 电子与H 和CxHy 分子、轻元素的氢化合物如
