HL—1M装置内壁锂化实验进展

针对聚变装置在聚变研究中的器壁原位处理问题,详细地描述了HL-1M装置原位锂化技术和锂涂层性能及其锂化效果,并探讨了锂化机理.指出了这种锂化工艺存在的缺陷.     

HL—1M的原位处理技术

本文介绍ＨＬ－１Ｍ托卡马克装置的壁处理技术。使用氦辉光放电清洗清除装置杂质和降低壁中氢含量，壁硼化和硅化技术以及原位沉积膜的原位清除。     

HL—1M的原位处理技术

介绍 Ｈ Ｌ－ １ Ｍ 托卡马克装置的壁处理技术。使用氦辉光放电清洗清除装置杂质和降低壁中氢含量,壁硼化和硅化技术以及原位沉积膜的原位清除。     

HL-1M装置的真空运行与质谱诊断

通过对 HL- 1M装置真空运行模式、真空运行参数、氦辉光放电清洗和硅化壁处理手段等的规范化 ,显著地改善了装置的真空壁出气、本底杂质浓度、托卡马克放电杂质出气比和再循环 ,成功地实现了高参数放电、长脉冲放电和装置暴露大气后快速恢复放电 ,并成功地为演证低混杂电流驱动、离子回旋共振加热、电子回旋共振加热、中性束注入、弹丸注入和分子束注入实验和升级等离子体运行等提供了良好的真空壁条件。描述了 HL- 1M装置真空系统、壁出气和再循环控制、质谱诊断和程序脉冲送气等方面的主要实验成果 ,并为 HL- 2 A装置的真空系统研制和运行提供了有益的参考     

HL-2A装置硅化镀膜壁处理控制杂质行为研究

硅化壁处理能有效控制等离子体杂质和再循环水平,是HL-2A装置的常规壁处理手段。介绍了HL-2A装置的硅化壁处理系统以及硅化镀膜壁处理控制杂质行为的主要研究进展。HL-2A装置硅化壁处理系统包括离线硅化和在线硅化壁处理系统,分别采用辉光放电辅助沉积以及等离子体放电辅助沉积进行硅化镀膜壁处理。实验结果表明,离线硅化壁处理后氧杂质明显降低,但随着实验进行会逐渐增加,硅化镀膜寿命约150炮。为进一步开展研究,HL-2A采用了在线硅化壁处理技术,研究发现在线硅化壁处理过程中碳、氧、铁等杂质均有所减少。两种硅化方式下真空室内的H₂O、CO含量均明显降低,在线硅化壁处理耗气量远少于离线硅化。通过硅化壁处理,有效地提升了HL-2A等离子体性能,也为未来聚变装置稳态运行器壁的处理提供了重要技术参考。     

HL—1M装置内壁锂涂覆实验

ＨＬ－１Ｍ装置运行期间,一直在探索适合本装置的壁处理技术,分别研究了硼化、硅化和锂涂覆技术。其中,硼化、硅化处理技术已经成熟,硅化已成为装置的常规壁处理技术,时涂覆还在探索中。实验表明：ＨＬ－１Ｍ装置原位锂化后,在蒸发器附近的锂涂层主要是锂蒸汽直接蒸镀形成的多晶锂。锂化中,一部分与石墨孔栏和石墨保护板溅射出的碳和氧反应生成少量的Ｌｉ２Ｃ２、Ｌｉ２Ｏ和Ｌｉ２ＣＯ３或ＬｉＨＣＯ３,一部分民本底的氢反应     

HT-7托卡马克全金属壁及锂化条件下辉光放电清洗的研究

辉光放电清洗被广泛应用于聚变装置的壁处理,但是对于未来国际热核实验反应堆全金属壁条件下的实验运行,需要积累更多经验。HT-7托卡马克从2011年开始,采用全金属第一壁,包括钼限制器和不锈钢内衬,而且具有抑制杂质和降低再循环功能的锂化,也被HT-7用为常规的壁处理。研究发现,辉光放电清洗对于锂化金属壁同样具有杂质清除效果。全金属壁条件下,He辉光对于H,O,C的清除率分别达到4.2×1023,1.1×1022,2.4×1021atoms/h,锂化条件下,He辉光的清除率具有相似水平。此外,文章还研究了不同种类气体和壁温对于辉光效果的影响。先进超导托卡马克实验装置(EAST)不久也会采用钨偏滤器和钼第一壁,因此本文研究的内容对于全金属壁的EAST也同样具有重要意义。     

HL—1M装置第一壁的硅化和锂涂复

分别用１０％ＳｉＨ４＋９０％Ｈｅ辉光放电和真空室原位蒸锂并借助Ｈｅ辉光放电的等离子体气相沉积法对Ｈ－１Ｍ装置的内壁进行了硅化和锂涂复，进一步降低了装置硼化后的杂质和辐射功率损失，对氢有强轴气效应和低再循环特性，为多发弹丸注入，低混杂波电流驱动等物理实验取得重大成果提供了重要条件。     

二次离子质谱在HL—1M聚变装置中的应用

将ＬＡＳ－２０００型二次离子质谱仪改成研究第一壁材料及其涂层、新材料性能的重要实验设备。在ＨＬ－１Ｍ装置设计、安装和物理实验过程中，用该设备对ＨＬ－１Ｍ装置真空室用ＡＩＳＩ３０４Ｌ不锈钢、第一壁用ＳＭＦ－８００石墨材料及ＨＬ－１Ｍ装置原位硼化、硅化涂层和ＳｉＣ等涂层材料的真空热解释性能、吸氢性能和化学溅射性能进行了实验研究，并对装置主抽气扁管内壁的清洁度进行了监测。实验证明了原位硼化、硅化和锂涂层     

HL—1M装置原位硅化涂层的研究

ＨＬ－１Ｍ装置采用硅化技术，大大改善了第一壁条件，提高了等离子体约束性能。对ＨＬ－１Ｍ装置的硅化涂层性能以及对等离子体杂质、热辐射和再循环进行了研究，并对装置抽气扁管内壁状态进行了分析描述。     

二次离子质谱在HL—1M聚变装置中的应用

将ＬＡＳ－２０００二次离子质谱仪改成研究第一壁材料及其涂层，新材料性能的重要实验设备。在ＨＬ－１Ｍ装置设计，安装和物理实验过程中，我们用该设备对ＨＬ－１Ｍ装置真空室用ＡＩＳＩ３０４Ｌ不锈钢，第一壁用ＳＭＦ－８００石墨材料及ＨＬ－１Ｍ装置原位硼化，硅化涂层和ＳｉＣ等涂层材料的真空热解释性能，吸氧性能和化学溅射性能以进行了实验研究，并对装置主轴气扁管内壁的清洁度进行了监测。实验证明了原位硼化，硅化和锂     

EAST锂化系统的优化及其对等离子体性能的影响

为提高锂膜在先进实验超导托卡马克(EAST)内真空室器壁上的均匀性,从而提高锂膜对再循环的控制,对杂质的抑制能力,优化设计了新型三孔蒸发型坩埚,并成功的用于锂化壁处理实验。实验表明,锂膜在内真空室器壁上更加均匀,坩埚附近没有出现明显的锂膜起皮现象,下石墨偏滤器得到有效的覆盖。锂膜均匀性的提高,有效的提升了初次锂化壁处理对控制再循环,抑制杂质的能力,同时也延长了锂膜的寿命。为了恢复内真空室第一壁上退化锂膜的性能,优化设计了一套新型炮间锂化系统。新型炮间锂化系统成功在等离子体放电间隙开展了锂化壁处理,挡板开启后,锂蒸气成功注入到内真空室中,有效地抑制了等离子体放电中的再循环水平、杂质含量及总辐射功率。     

HL—1M装置原位硅化涂层研究

自ＨＬ－１Ｍ装置采用硅化技术，大大改善了第一壁条件，提高了等离子体约束性能，本文对ＨＬ－１Ｍ装置的硅化涂层性能以及对等离子体杂质，热辐射和再循环进行了研究，并对装置抽气扁管内壁状态进行了分析描述。     

HL-1M装置氦辉光放电清洗的实验研究

氦辉光放电清洗 (GDC(He) )是HL - 1M (环流器新一号 )托卡马克装置控制C、O杂质、壁H再循环和改善真空壁条件的有效方法。它与泰勒放电清洗 (TDC)、交流放电清洗 (AC)、电子回旋共振放电清洗 (ECR)相比 ,设备简单、不需要磁场且操作安全 ;与烘烤去气相比 ,它对环形真空室壁的去气率高 ,本底杂质浓度低。分别描述了去O、去C和去H的清洗模式 ,并提出了控制壁H再循环和壁清洁度的清洗指标     

HL—1M装置硼化膜的研究

ＨＬ－１Ｍ装置采用Ｃ２Ｂ１０Ｈ１２蒸气对真空室内壁进行了原位硼化，取得了满意的效果。采用沉积探针技术并结合四极质谱分析技术对膜的成分、热解释性能、Ｄ＋束辐照化学腐蚀性能、ＨＬ－１Ｍ装置第一壁成膜的平均速率和膜厚的均匀度以及硼化前后的碳、氧杂质和放电期间器壁再循环特性进行了研究。     

HL-2A装置器壁处理质谱分析

为了对HL-2A装置升级改造后的器壁处理效果展开分析，使用四极质谱计对HL-2A装置壁处理过程中或壁处理前后的残余气体进行了质谱测量。利用粒子平衡方程和质谱图变化分析了直流辉光放电清洗过程中的气体成分变化。研究了HL-2A装置壁处理的性能并优化了He+D₂-GDC的氦氘比例参数。结果表明：HL-2A装置真空室烘烤除气后，残余气体中H₂O所占百分比由烘烤前的92%降至56%，真空室真空度达到2.2×10^-5Pa；在不同阶段利用H₂-GDC、He-GDC、He+D₂-GDC进行壁处理消除了真空室内部件升级改造对壁处理造成的不利影响，保障了HL-2A装置等离子体放电实验的开展。     

中国环流三号（HL-3）壁处理系统研制

托卡马克装置壁处理系统对获得高真空、洁净的器壁条件至关重要。介绍了中国环流三号(HL-3)装置真空系统中的壁处理各子系统设计及研制概况。分析了壁处理系统调试运行过程和特点,设计了烘烤系统和直流辉光清洗系统的运行方案。分别对烘烤系统、直流辉光清洗系统以及射频辅助直流辉光放电系统的首次运行结果进行了讨论。通过应用壁处理系统,配合真空抽气系统,HL-3装置真空系统运行达到预期目标,初始放电前装置最小压力达到2.4×10^-6 Pa。     

射频辅助的直流辉光放电清洗在HL-2A装置上的应用

本文介绍了一套射频电极系统在HL-2A装置上的相关辉光放电清洗实验研究。本系统主要由具有水冷功能的螺旋结构射频电极和碟形波纹管伸缩传送装置组成。在高频交变电场作用下电子与气体分子发生碰撞的几率增加,射频电极对清除真空室器壁表面的低质量数杂质效率更高。电极通过循环水冷却,使其长时间使用不会产生明显变形,提高了该系统运行的安全性。系统工作时,通过步进电机无极调速来驱动丝杠带动与射频电极相连接传送杆压缩碟形波纹管前后运动快速调整电极位置。实验结果表明,射频天线形式的电极可作为直流辉光的阳极工作,射频辅助启辉降低了直流辉光的启辉气压和电压,提高了装置与抽气机组运行的安全性。射频辅助比纯直流辉光具有更高的清洗效率,为进一步开展与射频相关的壁处理研究提供了条件。     

HL—1M装置真空壁硅化的研究

CDC（He SiH4)是为HL－1M装置研制的一种常规壁处理技术。在He辉光等离子体作用下,通过气相中的电子碰撞离解,电离,离子－分子反应和在壁面上的He^ 诱导脱H2过程,一种无定形的,半透明的,致密的氢化硅（α-Si:H)薄膜被沉积在清洁的真空壁表面。在托卡马克放电中,硅化壁的特点是有良好的H（D）捕获得,H2（D2）释放和低再循环性能,强的控制杂质能力和较长的寿命时间,结果显著地拓宽了等离子体密度ne,持续时间Tp和能量约束时间τE等的运行范围。自1996年以来,它成功地演证LHCD,ICRH,ECRH,NBI,PI,MBI实验和升级等离子体运行提供了良好的真空壁条件,并取得了丰硕的物理实验和工程技术的研究成果。同时还为利用中型装置在长脉冲放电条件下,开展等离子体与表面互相作用（PSI)提供了一条新的途径,本文主要描述HL－1M装置的Si化关系,参数和放电进展。     

EAST等离子体放电真空室暴露大气后的真空恢复研究

洁净的壁条件和良好的真空环境是托克马克装置运行的基本条件,但是真空室暴露大气后会在器壁表面吸附大量的杂质,如何快速恢复良好的真空环境以及壁条件是关系到托克马克运行效率和成本的一个关键问题。本文深入分析了EAST 2015年夏季实验期间真空室两次暴露大气后的壁处理对真空条件的恢复,结果显示水汽是真空室暴露大气后的主要杂质成分,直流辉光和离子回旋放电清洗与第一壁200℃烘烤同时进行能够有效地恢复真空。研究结果还发现暴露大气前的第一壁涂层处理会增强杂质的吸附,需要更长时间的壁处理才能够恢复较好的真空条件。