[发明专利]离子回旋氧等离子体清除磁约束装置中第一壁氢滞留的方法

说明书

技术领域

本发明涉及真空技术和磁约束聚变领域，具体是一种离子回旋氧等离子体清除磁约束装置中第一壁氢滞留的方法。

背景技术

杂质抑制是托卡马克运行的重要课题。目前的托卡马克需要通过第一壁锻炼限制等离子体中的杂质，获得高品质的等离子体。而在即将进行的准稳态高参数等离子体运行的全超导托卡马克装置中，如EAST、ITER，除了完成杂质限制外，还需要解决真空室里的氢同位素的滞留。在托卡马克聚变实验装置中进行a-C：H(D，T)的沉积层的清除技术和机制的研究，能为EAST和以后的聚变堆的建造、运行和实验提供科学认识。

由于石墨材料低的原子序数和良好的热性能，它被普遍做为目前聚变装置的第一壁材料，并且将是EAST第一壁主要材料。然而，以碳材料为第一壁装置，碳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。在HT-7上，一般氘等离子体放电过程中，超过90％氘在放电结束前滞留在真空室内，并有约60％的氘永久滞留在真空室内。氘在HT-7装置中大量滞留也是制约长脉冲等离子体运行的重要因素之一。在ITER的设计参数中，可以看到氘/氚的滞留高达2-5g/pulse，而在第一壁上的滞留只能限制在350g以下，否则等离子体将无法有效运行，意味着每70～175次等离子放电后就需要对氘/氚进行清除。

HT-7装置是一个石墨限制器类型的托卡马克装置；在即将进行准稳态高参数运行的EAST装置中，碳材料的第一壁的面积约为60m²，将会产生大量的再沉积层，并导致大量氘的滞留，将导致大量粒子再循环，破坏等离子体密度控制，从而影响装置有效运行。这些都要求在装置等离子体运行期间，尤其是等离子体放电间隔中，能够快速进行氢同位素的清除，而在装置内直接研究快速有效的再沉积层的清除技术是非常必要的。

理论上，氢同位素可以通过热解吸或者离子感应解吸的方式从材料中清除。然而，氢同位素从碳材料中热解吸出来所需要的温度相当高(典型的需要900K)。并且离子感应解吸作用深度受到离子能量的限制，一般在等离子放电中只有几个纳米的深度，无法清除在几十微米厚的再沉积层中俘获的氢同位素。这样，从厚的再沉积层中清除氢同位素需要清除再沉积层本身。在氧存在的条件下通过等离子放电产生氧化反应，或者机械剥离的方式有可能清除再沉积层本身。

EAST是一个全超导托卡马克装置，超导体反复励磁/退磁将导致磁体寿命降低，并且需要满足等离子体放电间隔中氢同位素的清除，所以需要在在保持强的纵向磁场存在的情况下进行氢同位素的清除。而离子回旋波清洗技术能够在强的磁场环境中工作，为在全超导准温态高参数等离子体运行期间进行快速有效的氢同位素清除提供了实验条件，所以开展离子回旋清洗技术及其物理机制的研究具有非常重要的意义。ITER也将是全超导托卡马克装置，在EAST开展的先行实验将为ITER装置中氚的清除提供实验数据和技术积累。

碳—氢再沉积层的离子回旋氧化清除技术及其机制的研究，对EAST超导装置准稳态高参数运行、即将建设的ITER运行有着现实而深远的意义。为了在全超导托卡马克EAST装置准稳态高参数物理实验中快速清除在第一壁的滞留的氢同位素，同时为了避免因超导体反复励磁/退磁导致磁体寿命降低，提高装置经济有效的运行能力，在保持强的纵向磁场存在的情况下，在HT-7和EAST超导托卡马克装置中，采用能在强磁场存在下工作的、对未来装置最具实用价值的热壁离子回旋氧化对第一壁的处理技术，直接研究快速有效的碳—氢再沉积层的清除，同时优化其它气体离子回旋波对第一壁的处理技术以降低氧对装置的污染，满足氢同位素的快速清除和等离子体的快速恢复两个方面，为解决EAST中准稳态高参数下等离子体放电中氘在第一壁滞留问题，降低粒子再循环，提高密度控制能力有非常重要的意义。另外，EAST作为在世界上第一个类ITER的全超导偏滤器装置上开展热壁离子回旋氧化对第一壁的处理技术，也可以为ITER聚变装置中氚的滞留提供实验基础和数据积累，实现持续经济有效的运行，减少富含氚等放射性物质的第一壁器件对人体的伤害和对环境影响有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种离子回旋氧等离子体清除磁约束装置中第一壁氢滞留的方法，为核聚变装置等离子体物理实验经济有效运行创造优化的壁条件，减少未来装置放射性氚在第一壁滞留导致的安全和环境问题。

本发明采取的技术方案如下：