[发明专利]聚变装置中高熔点材料的激光稳态蒸发镀膜系统及方法

说明书

本发明公开了一种聚变装置中高熔点材料的激光稳态蒸发镀膜系统及方法，该系统包括激光器、激光入射窗口系统、可伸缩坩埚系统以及气体成分监测系统。激光器产生的激光束通过激光入射窗口系统，照射到坩埚内的高熔点材料表面，通过调节激光光斑的功率密度，实现高熔点材料的稳态蒸发。本发明配合聚变装置中的等离子体辅助气相沉积，从而在聚变装置第一壁表面形成均匀薄膜。激光入射窗口系统通过对两个真空观察窗之间真空腔室内气压的监测，可以避免激光束损坏真空观察窗而造成的聚变装置真空泄漏；气体成分监测系统通过监测高熔点材料下方的标记材料进入到等离子体中的含量，从而及时提醒操作人员更换高熔点材料，有效避免激光对坩埚的损伤。

技术领域

本发明涉及聚变反应堆真空室内部高熔点材料的稳态蒸发，适用于聚变装置第一壁镀膜。

背景技术

核聚变装置物理实验中，高温等离子体与壁相互作用，使得腔壁释放各种杂质进入等离子体中，造成等离子体能量的巨大损失。因此，对腔体内杂质进行有效的抑制，是实现受控热核聚变必须解决的重大问题之一。氢的再循环水平过高容易导致等离子体密度不可控制，等离子体密度很容易超过Greenwald密度极限，最终导致等离子体破裂。在H模等离子体放电中，再循环会影响边界输运垒，对H模放电造成影响，因此氢及其同位素的再循环控制对高约束等离子体的稳定运行至关重要。通过在核聚变真空腔室内壁镀膜，可有效抑制金属杂质和氧、碳杂质逸出，有效降低等离子体放电能量损失，大大改善等离子放电性能，同时降低燃料再循环。

聚变装置的高熔点涂层材料以硅和硼为代表。很多聚变装置已经开展了硼化壁处理和硅化壁处理工作，硼化壁处理时使用的工作气体为乙硼烷B₂H₆，十硼烷B₁₀H₁₄或有机硼化物如B(CH₃)₃和C₂B₁₀H₁₂(固态)；硅化时使用的工作气体为SiH₄或SiD₄。通过硼化壁处理，可以有效抑制装置中杂质的水平，但是由于硼化时使用的镀膜原料中本身就含有氢，这就导致第一壁上会沉积大量的氢，最终在等离子体放电时会造成较高的氢再循环和氢氘比。实验发现在硼化壁处理后，等离子体的密度及Dα线辐射水平明显较硼化前高，氢氘比升高，这都是由于使用的工作气体中含有丰富的氢造成的。在等离子体放电时，通过同位素交换，大量的氢被释放到等离子体中，并伴随着大量的氘滞留，从而导致硼化壁处理后很高的氢粒子再循环和高的燃料粒子壁滞留，氢氘比很难降至25％以内，无法为少数粒子加热提供最佳的氢氘比条件。而硅化壁处理时使用的工作气体中同样含有氢，导致在硅化壁处理时候，氢氘比明显较壁处理之前还要高，硅化壁处理后氢氘比达到70％(硅化前50％)。为了降低氢氘比，将工作气体更换为SiD₄后，氢氘比能够很容易降低，但是即使多次开展硅化壁处理也很难将氢氘比降到20％以内，依然达不到离子回旋加热的需求。

而且气态的硼源和硅源，大多易燃或者有毒，尾气难处理或者处理成本较高。尤其是乙硼烷一旦泄漏，少量即可致命。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现在聚变装置中第一壁涂层镀膜系统存在的上述技术问题，提供一种能实现高熔点材料稳态蒸发系统，相比现有硅化、硼化安全无毒，尾气处理简单；第一壁形成的涂层不引入氢、碳等杂质。