CN102653856B

CN102653856B - 利用金属锂涂层作为改善全超导托卡马克第一壁燃料再循环的方法

Info

Publication number: CN102653856B
Application number: CN2012101115342A
Authority: CN
Inventors: 左桂忠; 胡建生; 李建刚; 孙震
Original assignee: Institute of Plasma Physics of CAS
Current assignee: Institute of Plasma Physics of CAS
Priority date: 2012-04-16
Filing date: 2012-04-16
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2032-04-16
Also published as: CN102653856A

Abstract

本发明公开了一种利用金属锂涂层作为改善全超导托卡马克第一壁燃料再循环的方法，包括有锂化坩埚系统、波纹管传送系统，锂化坩埚系统包括有锂化坩埚、加热系统、测温系统，加热系统的加热装置为加热丝，通过射频放电辅助沉积或化学气象沉积的方法对磁约束装置真空室内第一壁表面涂覆10-20纳米金属锂涂层，以实现对第一壁材料的改性，满足聚变等离子体对第一壁低杂质污染、低再循环的苛刻要求。本发明通过对第一壁表面实施锂涂层，可以快速、经济、有效的实现对等离子体性能的改善，以便满足不同等离子体物理试验的需求。

Description

利用金属锂涂层作为改善全超导托卡马克第一壁燃料再循环的方法

技术领域：

本发明涉及聚变反应堆真空室内部第一壁材料改性领域，具体是利用射频放电和化学气相沉积两种方法实现对真空室第一壁表面的涂覆，从而实现改善全超导托卡马克第一壁燃料再循环。

背景技术：

等离子体品质与等离子体边界再循环及杂质的水平密切相关。等离子体品质随着整体再循环系数降低而增加。等离子体中杂质主要来源于等离子体与壁相互作用，而杂质的存在将会由辐射而导致等离子体能量的大量损失，影响等离子体温度的分布及等离子体能量平衡过程，导致聚变功率的降低，稀释等离子体燃料，所以聚变装置第一壁材料的选择及其表面状态的控制是获得高约束性能等离子体的关键之一。为了承受高温等离子体的轰击，获得尽可能低的杂质浓度，降低杂质辐射能量损失，第一壁材料应具有低原子序数、高熔点、高耐热冲击和低溅射等性能的材料。

目前在托卡马克装置中研究的等离子体第一壁材料主要是石墨、钨和铍材料。石墨具有良好的热性能、低辐射能量损失、很好的焊接技术、广泛的实验基础等优点而被广泛应用。然而，石墨材料的腐蚀及其再沉积导致的氢同位素的滞留将严重影响粒子的再循环，影响等离子体的密度控制，影响装置的经济有效的运行，并且在未来装置中氚的滞留也会带来严重的安全问题和环境问题。这些问题导致以石墨作为等离子体边界材料存在一些缺点，如需要长时间壁处理、化学腐蚀导致寿命有限、在中子辐射下物理和机械性能降低、产生灰尘、在等离子体破裂时高热负载下破碎损伤、氢滞留严重等缺点。为了提高第一壁材料的抗溅射能力和降低T的滞留，W材料目前也被选择为第一壁的材料，但是等离子体对其容忍的含量很低、氧对其化学腐蚀及高活化性可能会影响其广泛应用。Be材料的优点是低的原子序数、热导大、吸氧能力好、一定的实验基础、低辐射能量损失、等离子体喷涂修复、很好的焊接技术、低的T滞留等。但是由于Be具有较低的熔化温度、潜在的有毒性、相对高的溅射率，其应用受到一定限制，一般用于能流密度不高的等离子体第一壁。

而锂材料具有非常优异的核性能，是一种非常重要的聚变材料。锂的低原子序数、高比热、对杂质和粒子再循环的强抑制能力、使其成为一个重要的、潜在的面对等离子体材料。锂非常活泼，易与氧、氮、碳及氧化物、硅酸盐等物质结合的能力，故可以有效吸收真空室中的O₂、N₂、CO、H₂O、CO₂等杂质，可以大大降低托卡马克装置中杂质含量。锂对H、D、T具有非常优异的抽气能力，每个锂原子可以吸附10%的H、D、T原子。在500℃左右与氢发生反应，并且是唯一能生成稳定得足以熔融而不分解的氢化物的碱金属，不会在等离子体放电中产生很高的粒子再循环。锂的电离能较低，为5.392eV，锂一旦进入等离子体将很快被电离。锂在热的等离子体中心区域会被完全电离，在较冷的等离子体边界区域发生韧致辐射，在等离子体边界产生的辐射将冷却等离子体的边界区域，这样可以减少沿着磁力线流向限制器和偏滤器的对流功率流，并且将其分布在更大的表面上，从而减少局部的热量积累、减轻了溅射效应，尽可能地降低了真空室的杂质含量及第一壁的腐蚀。锂的电离能低的特点使得锂在进入等离子体中心区前将在边界区充分电离，同时锂本身的再循环系数很低和低Z，可以减少锂对中心等离子体的影响。另外，锂具有较高的比热，3.6J/(g·K)，耐热冲击比较好。

在FTU装置上锂化实验表明，锂化后等离子体能量辐射比硼化后等离子体能量辐射降低了50%，环电压减少10%；在锂化及硼化后等离子体能量约束时间比金属壁情况下提高1.3倍；同时锂化也有效地降低了氢的再循环。DIII-D锂化壁处理对减少氧含量，避免大电流(>2.2MA)情况下的锁模有明显效果，并且大电流等离子体放电情况下的不易发生破裂放电，有利于大电流放电。TJ-II锂化壁处理实验表明，粒子再循环降低，杂质得到有效的抑制，锂化壁处理更有利于中性束注入(NBI)等离子体放电。HL-1M通过锂化壁处理，有效地减少了等离子体中的碳、氧杂质含量；锂化后，等离子体能量辐射损失较硅化壁处理后平均降低30%~50%。

发明内容：

本发明的目的是解决等离子体放电中第一壁材料高杂质污染、高再循环问题，使用锂化壁处理的方法，在EAST磁约束聚变真空室内第一壁表面均匀地涂覆10-20纳米金属锂涂层，由于锂是非常活泼的金属材料，对真空室中的O₂,N₂,CO, H₂O,CO₂等杂质具有很好的吸附作用，可以实现对第一壁材料的改性，降低等离子放电中的杂质及再循环水平，从而快速、经济、有效的实现对等离子体性能的改善。

利用金属锂涂层作为改善全超导托卡马克第一壁燃料再循环的方法，其特征在于，包括有锂化坩埚系统、波纹管传送系统，所述的锂化坩埚系统包括有锂化坩埚、加热系统、测温系统，加热系统的加热装置为加热丝，所述的锂化坩埚为敞口坩埚，锂化坩埚内部的中间位置设有一个垂直于坩埚底部的挡板，挡板的顶部开有一个槽，位于挡板一侧的锂化坩埚的底部开有一个孔一，锂化坩埚顶部内侧设有凹台，凹台上放有盖板，盖板上开有一个与坩埚底部的孔一相对应的孔二，盖板与锂化坩埚配合使用；

具体包括以下步骤：

1）对磁约束装置真空室进行抽气检漏；

2）在99.9%的高纯氩的保护下将固态的锂棒放入锂化坩埚内底部无孔的一侧；

3）使用离子回旋射频波（ICRF）产生的脉冲式等离子体放电对磁约束装置真空室内的第一壁进行清洗；放电的参数为：P_He=0.05Pa，功率20-30kW，占空比为1秒开并1秒关，放电清洗时间为1-2小时（He-ICRF清洗不仅可以有效清除杂质，也可以用于器壁所滞留的D₂的清除，有效降低器壁所吸附的D₂，改善粒子再循环，提高对等离子体体密度的控制能力；）；

4）在ICRF等离子体放电清洗过程中，将锂化坩埚通过波纹管传送系统压缩送入到磁约束装置真空室内；

5）放电清洗结束后，通过调节加热系统中加热丝的电压，开始进行锂棒加热，当温度加热到大约摄氏300度左右，在真空室内的锂化坩埚附近开始泛红，随着坩埚温度的逐渐增加，真空室内颜色逐渐变成血红色，而且越来越红（由于LiI线的波长是671纳米，在红色可见光波的范围，故锂化放电的颜色为红色，可以通过观察放电过程中真空室内的颜色来判断锂化的均匀程度）；最终锂化坩埚的加热电压维持在大约80-90V，锂化坩埚的蒸发温度稳定在摄氏550-600度；

6）锂将从坩埚蒸发，在电场作用下将锂离子弥散，扩散到真空室内，通过两种不同的机制涂覆到第一壁上：

①通过ICRF等离子体电离，在环向均匀ICRF等离子体的作用下弥散到第一壁，实现第一壁的均匀涂覆；具体操作如下：

盖板置于锂化坩埚顶部的凹台上，锂蒸汽从盖板上的孔二和锂化坩埚底部的孔一中扩散出来，扩散出来进入真空室后，在有强磁场的条件下，注入20-30千瓦的射频波，使其产生均匀的脉冲式等离子体放电，放电介质为氦气，在放电的过程中，锂离子被均匀的涂覆到第一壁表面，通过控制锂化坩埚的加热温度及锂化坩埚加热时间的长短来控制锂的蒸发量，从而控制锂涂层的厚度为10-20纳米；

②通过化学气相沉积的方式实现锂涂覆，根据不同等离子物理放电的需要，通过使用设计巧妙的锂蒸发坩埚和使用不同的盖板，灵活实现对第一壁表面局部和整体进行涂覆；具体操作如下：

带有孔的盖板放在锂化坩埚顶部的凹台上，锂蒸汽从盖板上的孔二和锂化坩埚底部的孔一中扩散出来，锂蒸气进入真空室后，向上、下两个方向发散，通过化学气相沉积的方式实现真空室内上、下偏滤器区域的整体涂覆，通过控制锂化坩埚的加热温度及锂化坩埚加热时间的长短来控制锂的蒸发量，从而控制锂涂层的厚度为10-20纳米。

所述的通过化学气相沉积的方式实现锂涂覆，还可以使用小盖板分别盖上锂化坩埚的底部和顶部的小孔，锂蒸汽将分别从坩埚顶部盖板上的孔二及底部的孔一中发射出来，分别向上和向下两个方向发射锂蒸汽，通过化学气相沉积的方式分别实现上偏滤器及下偏滤器的局部涂覆。

所述的锂化坩埚和盖板的材料为耐锂腐蚀的316L不锈钢。

所述的加热丝的参数为：220V，27Ω，1.5kW。

本发明的原理是：

利用金属锂涂层作为改善全超导托卡马克第一壁燃料再循环的方法，一是利用射频波产生的均匀的脉冲式等离子体放电将锂电离，锂离子在环向均匀的射频等离子体放电作用下被均匀的涂覆到第一壁表面；二是利用化学气象沉积的方法，通过使用设计巧妙的锂蒸发坩埚和使用不同的挡板，可以灵活实现对第一壁表面局部和整体进行涂覆，以便满足不同等离子体物理试验的需求。

由于锂的蒸汽发射具有方向性，发射限为半球。蒸发源的发射按所研究的方向与表面法线间夹角呈余弦分布，即遵守克努曾定律,所以通过单向开口的锂化坩埚设计很难实现锂的均匀涂覆。在EAST锂化涂覆的过程中，在磁场的环境下，使用专门设计的离子回旋天线，产生20-30千瓦的射频波，将蒸发的锂原子电离成锂离子，在环向均匀ICRF等离子体的作用下，将离子弥散到第一壁，实现第一壁的均匀镀膜。

由于EAST放电可以在不同的等离子位型下放电，比如双零位型（Double Null， DN），单零位型（Single Null，SN，包括上单零位型（Upper Single Null, USN）和下单零位型（Lower Single Null, LSN）），在不同的位型下，等离子与第一壁的主要的相互作用位置将不同，锂涂覆的位置必须满足不同位型等离子放电的需要，才能获得各种不同位型下的高性能等离子体放电。所以，为EAST锂化壁处理实验设计带盖板的锂化坩埚，通过盖板的作用，灵活实现对不同位置第一壁的涂覆。

本发明的有益效果在于：

本发明利用锂是一种原子序数低、非常活泼的材料金属，可以有效吸收真空室中的O₂,N₂,CO, H₂O,CO₂等杂质，从而可以大大降低托卡马克装置中杂质含量和粒子再循环的特点，对磁约束装置真空室内第一壁表面涂覆10-20纳米金属锂涂层，可以快速、经济、有效的实现对第一壁材料的改性，进而满足聚变等离子体对第一壁低杂质污染、低再循环的苛刻要求，实现对等离子体性能的改善。

附图说明：

图1是本发明的锂化坩埚的设计图。

图2是向上下同时发射锂蒸汽的坩埚示意图。

图3是向上下同时发射锂蒸汽时在EAST装置内锂蒸发的示意图。

图4是向上发射锂蒸汽的坩埚示意图。

图5是向下发射锂蒸汽的坩埚示意图。

具体实施方式：

如图1-5所示，利用金属锂涂层作为改善全超导托卡马克第一壁燃料再循环的方法，包括有锂化坩埚系统、波纹管传送系统，锂化坩埚系统包括有锂化坩埚1、加热系统、测温系统，加热系统的加热装置为加热丝，锂化坩埚1为敞口坩埚，锂化坩埚1内部的中间位置设有一个垂直于坩埚底部的挡板2，挡板2的顶部开有一个槽3，位于挡板2一侧的锂化坩埚1的底部开有一个孔一4，锂化坩埚1顶部内侧设有凹台5，凹台5上放有盖板6，盖板6上开有一个与坩埚底部的孔一4相对应的孔二7，盖板6与锂化坩埚1配合使用；

具体包括以下步骤：

1）对磁约束装置真空室进行抽气检漏；

2）在99.9%的高纯氩的保护下将固态的锂棒放入锂化坩埚1内底部无孔的一侧；

3）由于锂是原子序数最小、非常活泼的金属元素。锂与真空室壁表面及空间的离子、原子和分子直接发生化学反应，在真空室内表面形成比较稳定的固态化合物，如：Li₂C₂, Li₂O, LiOH, Li₂CO₃, LiHCO₃等，降低了锂膜的活性，所以在锂化壁处理以前，先使用ICRF放电对真空室壁进行清洗，即使用离子回旋射频波（ICRF）产生的脉冲式等离子体放电对磁约束装置真空室内的第一壁进行清洗；放电的参数为：P_He=0.05Pa，功率20-30kW，占空比为1秒开并1秒关，放电清洗时间为1-2小时（He-ICRF清洗不仅可以有效清除杂质，也可以用于器壁所滞留的D₂的清除，有效降低器壁所吸附的D₂，改善粒子再循环，提高对等离子体体密度的控制能力。）；

盖板6置于锂化坩埚1顶部的凹台5上，锂蒸汽从盖板上的孔二7和锂化坩埚底部的孔一4中扩散出来，扩散出来进入真空室后，在有强磁场的条件下，注入20-30千瓦的射频波，使其产生均匀的脉冲式等离子体放电，放电介质为氦气，在放电的过程中，锂离子被均匀的涂覆到第一壁表面，通过控制锂化坩埚的加热温度及锂化坩埚加热时间的长短来控制锂的蒸发量，从而控制锂涂层的厚度为10-20纳米；

如图1、2、3所示，带有孔的盖板6放在锂化坩埚顶部1的凹台5上，锂蒸汽从盖板上的孔二7和锂化坩埚1底部的孔一4中扩散出来，锂蒸气进入真空室后，向上、下两个方向发散，通过化学气相沉积的方式实现真空室内上、下偏滤器区域的整体涂覆，通过控制锂化坩埚的加热温度及锂化坩埚加热时间的长短来控制锂的蒸发量，从而控制锂涂层的厚度为10-20纳米。

如图1、4、5所示，通过化学气相沉积的方式实现锂涂覆，还可以使用小盖板分别盖上锂化坩埚的底部和顶部的小孔，锂蒸汽将分别从坩埚顶部盖板上的孔二及底部的孔一中发射出来，分别向上和向下两个方向发射锂蒸汽，通过化学气相沉积的方式分别实现上偏滤器及下偏滤器的局部涂覆。

锂化坩埚和盖板的材料为耐锂腐蚀的316L不锈钢。

加热丝的参数为：220V，27Ω，1.5kW。

通过离子回旋等离子体辅助的锂化壁处理，在环向获得较均匀的锂涂覆。通过使用设计巧妙的坩埚和不同的盖板，对EAST装置第一壁的整体及局部实现了灵活锂涂覆。通过对磁约束装置真空室内第一壁表面涂覆10-20纳米金属锂涂层，实现了快速、经济、有效的对第一壁材料改性。发现锂化壁处理极其有效地改善了粒子再循环，降低等离子体杂质水平，减少等离子体杂质辐射，有效降低H/(H+D)，和抑制MHD行为，极大提高等离子体约束能力，理论上预测研究实验上都观察到降低从L模转换到H模放电阈值功率，促进H模等离子体的获得，也有利于高参数、长脉冲放电。目前可以确认锂化壁处理是EAST目前的最佳壁处理模式。这有可能从根本上改变托卡马克等离子体的性质，为EAST更高参数、更长脉冲、高品质H模放电、提高离子回旋加热效率提供良好的第一壁条件，对ITER和将来的DEMO也有深远的意义。

Claims

1.一种利用金属锂涂层作为改善全超导托卡马克第一壁燃料再循环的方法，其特征在于，包括有锂化坩埚系统、波纹管传送系统，所述的锂化坩埚系统包括有锂化坩埚、加热系统、测温系统，加热系统的加热装置为加热丝，所述的锂化坩埚为敞口坩埚，锂化坩埚内部的中间位置设有一个垂直于坩埚底部的挡板，挡板的顶部开有一个槽，位于挡板一侧的锂化坩埚的底部开有一个孔一，锂化坩埚顶部内侧设有凹台，凹台上放有盖板，盖板上开有一个与坩埚底部的孔一相对应的孔二，盖板与锂化坩埚配合使用；

具体包括以下步骤：

1）对磁约束装置真空室进行抽气检漏；

3）使用离子回旋射频波（ICRF）产生的脉冲式等离子体放电对磁约束装置真空室内的第一壁进行清洗；放电的参数为：工作气体为氦，P_He=0.05Pa，功率20-30kW，占空比为1秒开并1秒关，放电清洗时间为1-2小时；

5）放电清洗结束后，调节加热系统中加热丝的电压，开始进行锂棒加热，当温度加热到大约摄氏300度左右，在真空室内的锂化坩埚附近开始泛红，随着坩埚温度的逐渐增加，真空室内颜色逐渐变成血红色，而且越来越红；最终锂化坩埚的蒸发温度稳定在摄氏550-600度；

6）锂将从坩埚蒸发，在电场作用下将锂离子弥散，扩散到真空室内，通过以下两种不同的机制涂覆到第一壁上：

盖板置于锂化坩埚顶部的凹台上，锂蒸汽从盖板上的孔二和锂化坩埚底部的孔一中扩散出来进入真空室，在有强磁场的条件下，注入20-30千瓦的射频波，使其产生均匀的脉冲式等离子体放电，放电介质为氦气，在放电的过程中，锂离子被均匀的涂覆到第一壁表面，通过控制锂化坩埚的加热温度及锂化坩埚加热时间的长短来控制锂的蒸发量，从而控制锂涂层的厚度为10-20纳米；

②根据不同等离子物理放电的需要，通过使用设计巧妙的锂蒸发坩埚和使用不同的盖板，灵活实现对第一壁表面局部和整体进行涂覆；具体操作如下：

带有孔的盖板放在锂化坩埚顶部的凹台上，锂蒸汽从盖板上的孔二和锂化坩埚底部的孔一中扩散出来，锂蒸气进入真空室后，向上、下两个方向发散，实现真空室内上、下偏滤器区域的整体涂覆，通过控制锂化坩埚的加热温度及锂化坩埚加热时间的长短来控制锂的蒸发量，从而控制锂涂层的厚度为10-20纳米。

2.根据权利要求1所述的利用金属锂涂层作为改善全超导托卡马克第一壁燃料再循环的方法，其特征在于，所述机制②的锂涂覆是使用小盖板盖上锂化坩埚的底部或顶部的小孔，锂蒸汽将从坩埚顶部盖板上的孔二或底部的孔一中发射出来，向上或向下发射锂蒸汽，实现上偏滤器或下偏滤器的局部涂覆。

3.根据权利要求1所述的利用金属锂涂层作为改善全超导托卡马克第一壁燃料再循环的方法，其特征在于，所述的锂化坩埚和挡板、盖板的材料为耐锂腐蚀的316L不锈钢。

4.根据权利要求1所述的利用金属锂涂层作为改善全超导托卡马克第一壁燃料再循环的方法，其特征在于，所述的加热丝的参数为：220V，27Ω，1.5kW。