EAST鎢壁條件下鋰化壁處理的發(fā)展及其實驗研究.pdf

1、高熔點、高熱導(dǎo)、低滯留率的高Z金屬材料鎢已經(jīng)被EAST及ITER裝置確定作為耐高熱負(fù)荷的偏濾器材料。然而，鎢材料在強的等離子體與壁相互作用下，不可避免的將引入高Z鎢雜質(zhì)，鎢雜質(zhì)進(jìn)入等離子體后容易在高約束等離子體芯部聚集，造成嚴(yán)重的雜質(zhì)輻射功率損失，因此等離子體對鎢雜質(zhì)的容忍度很低，必須保持在10-5以內(nèi)。所以，研究如何有效降低鎢雜質(zhì)在等離子體中的含量對EAST和未來聚變裝置的高參數(shù)長脈沖放電穩(wěn)定運行具有重要意義。
　　本文深入研究

2、了在EAST鎢偏濾器下開展的三種不同類型的鋰化壁處理實驗。優(yōu)化和發(fā)展了多種形式的鋰化壁處理技術(shù)，系統(tǒng)地研究了在高Z金屬鎢壁條件下開展的鋰化壁處理對高Z鎢等雜質(zhì)的抑制，對再循環(huán)的控制等。分析了各種形式鋰化壁處理對鎢雜質(zhì)抑制和對再循環(huán)控制的原理，討論了鋰化壁處理的優(yōu)缺點，對比了三種鋰化壁處理方式的優(yōu)缺點。這些研究為EAST在未來鎢偏濾器條件下開展高參數(shù)長脈沖穩(wěn)定放電運行中如何有效控制高Z鎢雜質(zhì)含量和再循環(huán)水平，解決高Z雜質(zhì)聚芯問題和等離子體

3、密度因再循環(huán)水平高導(dǎo)致不可控問題，加深了在鎢壁條件下對高Z雜質(zhì)和再循環(huán)控制的理解，對未來開展的高參數(shù)長脈沖放電穩(wěn)定運行做出了貢獻(xiàn)。
　　優(yōu)化和發(fā)展了多種形式的鋰化壁處理技術(shù)，包括放電前開展的鋰蒸發(fā)結(jié)合離子回旋放電涂覆的鋰化壁處理技術(shù);在放電間隙開展的炮間鋰化壁處理技術(shù);在放電中注入鋰粉的實時鋰化壁處理技術(shù)。隨著鋰化系統(tǒng)的不斷升級改造，鋰膜在EAST第一壁上的涂覆區(qū)域不斷增加，現(xiàn)已可以覆蓋95％的區(qū)域，鋰膜在第一壁上的均勻性大大提高

4、，有效提升了鋰膜對雜質(zhì)和再循環(huán)的控制能力，延長了鋰膜的壽命。炮間鋰化壁處理系統(tǒng)成功應(yīng)用于EAST放電實驗中，與等離子體兼容良好。鋰粉實時注入技術(shù)有效抑制了鎢雜質(zhì)聚芯的問題，并有效降低了偏濾器靶板處的再循環(huán)水平，成功抑制ELMs，獲得了ELM-free放電。目前鋰化壁處理技術(shù)已經(jīng)成為EAST上常規(guī)壁處理技術(shù)，為EAST等離子體放電穩(wěn)定運行提供了良好壁條件基礎(chǔ)。
　　鎢偏濾器下開展的鋰蒸發(fā)涂覆壁處理實驗結(jié)果表明:鎢壁下開展的鋰化壁處理

5、可以有效抑制高Z鎢雜質(zhì)源及其在等離子體芯部的含量，并且隨著鋰化次數(shù)的不斷累積，鎢雜質(zhì)含量逐漸降低。同時鋰化壁處理可以有效降低低Z雜質(zhì)碳、氧的含量。在鎢壁下的鋰化壁處理同樣可以有效控制邊界燃料粒子再循環(huán)，有效地將氫氘比控制在10％以內(nèi)。并且，鎢壁下的鋰化壁處理為EAST創(chuàng)紀(jì)錄的超百秒H-模等離子體的獲得提供了良好的壁條件。
　　鎢偏濾器下開展的放電間隙鋰化壁處理實驗結(jié)果表明:新型設(shè)計的炮間鋰化壁處理系統(tǒng)與等離子體放電兼容良好，不會影

6、響等離子體放電的正常運行，同時可以實現(xiàn)在放電間隙開展鋰化壁處理，為每一炮等離子體放電提供新鮮的鋰壁條件，對未來實現(xiàn)長脈沖穩(wěn)定運行十分重要。同時在未來該系統(tǒng)可以實現(xiàn)在放電中實時鋰蒸汽注入實驗，用來實時抑制等離子體中的雜質(zhì)聚芯或ELMs。初步炮間鋰化壁處理實驗結(jié)果表明，炮間鋰化壁處理可以有效降低等離子體中雜質(zhì)含量、再循環(huán)水平，提高低雜波加熱效率等。
　　鎢偏濾器下開展的放電中實時鋰粉注入實驗結(jié)果表明:鋰粉實時注入可以有效降低L-/H-

7、模等離子體中鎢雜質(zhì)源的含量，抑制鎢雜質(zhì)在等離子體芯部聚集。鋰粉實時注入與長脈沖H-模等離子體運行兼容良好，可以有效抑制鎢雜質(zhì)含量。鎢雜質(zhì)的抑制主要與鋰粉注入降低鎢偏濾器靶板附近的電子溫度有關(guān)，通過降低電子溫度，進(jìn)而降低鎢材料的濺射產(chǎn)額，最終抑制其向芯部的聚集。鋰粉的連續(xù)注入還會形成一種類似鋰化鍍膜壁處理的效果。此外，鋰粉實時注入可以有效抑制鎢偏濾器處的再循環(huán)水平，主要在上鎢偏濾器處效果最好，表明鋰粉注入后成功隨磁力線達(dá)到了鎢偏濾器主打擊

8、點位置。最后，鋰粉在鎢壁條件下注入成功抑制ELMs，獲得了ELM-free放電，拓寬了之前在石墨壁上實現(xiàn)的ELM-free放電的運行空間，并且H98約束因子提高了50％，維持在1.2左右。
　　通過以上在鎢壁條件下開展的鋰化壁處理實驗研究，我們發(fā)現(xiàn)鋰化壁處理可以有效降低高Z鎢雜質(zhì)源的含量，抑制其在等離子體芯部聚集，同時可以有效降低低Z雜質(zhì)含量，控制再循環(huán)和氫氘比，為在鎢壁材料下的長脈沖放電穩(wěn)定運行提供了良好的壁條件基礎(chǔ)，同時也為未