HT-7超導托卡馬克壁He輝光硼化
發布時間:2019-05-07 19:17:27 | 人感興趣 | 評分:3 | 收藏:
在受控核聚變實驗中,等離子體雜質通常由于等離子體與壁的相互作用而產生,而雜質輻射等離子體能量對聚變實驗是十分有害的。由于雜質輻射的能量隨著等離子體有效電荷數的增大而急劇增大,所以必須盡可能地降低金屬雜質的含量。為了達到這個目的,通常在托卡馬克壁沉積一層低電荷數的碳膜,此碳膜阻止了等離子直接與金屬壁的作用,減少了金屬雜質產生的機會。這種壁處理方式稱為碳化。碳化大大降低了等離子體中金屬雜質的含量,使等離子體性能有較大的改善。在碳化裝置中,z*主要的雜質是氧和碳,其主要危害是稀釋等離子體濃度,限制等離子體向高參數進一步發展。實驗表明,在碳化裝置中,未被碳化到的表面釋放的水蒸氣是氧雜質的主要來源。水蒸氣從托卡馬克壁表面解吸,進入等離子體中,被裂解、電離,氧離子在鞘電位作用下又回到壁的碳膜中,隨后以CO形式釋放到等離子體中。CO進入等離子體后又被電離成碳和氧,這樣氧就在真空室中循環。從上述分析來看,若能阻止氧的再循環,則碳、氧雜質都將減少。實驗證明:硼(電荷數是5)元素與氧有較強的親和力,兩者易于結合形成三氧化二硼固體。這樣如果碳膜中有硼元素,那么實驗時產生的氧雜質將被硼元素捕獲,而中斷氧的再循環。此時,氧、碳雜質的含量勢必會減少。這種技術稱硼化,即在托卡馬克壁沉積一層由硼、碳元素組成的膜。
1989年TEXTORs*先應用硼化技術。它以已硼烷(B2H6)和甲烷(CH4)為原料,用射頻輔助的氦氣直流輝光放電進行硼化,獲得了約50nm厚的B/C膜。硼化后等離子體有效電荷數(核聚變實驗所用工作氣體是氫,其電荷數是l,若工作氣體含有雜質,則其有效電荷數于1)接近1,等離子體雜質輻射能量大大降低,等離子體品質有了全面的改善。隨后許多其它裝置都進行了硼化實驗,如JT- 60U和T-3M等,取得了理想的效果并且完善了硼化技術。
實驗還發現采用等離子體增強化學氣相沉積法形成的膜是一層多孔膜,它能吸人大量的氫氣,稱之為膜的駐氫性。當鮮膜暴露在氫氣中,在z*初的20s內膜強烈吸氣,接著是漫長而緩慢的吸氣過程,直到3h未見飽和。當托卡馬克壁是不銹鋼材料時,等離子體放電一段時間后,不銹鋼壁上吸附的氫氣會在放電期間返回真空室,使得等離子體密度不可控。對B/C膜來說,由于它的駐氫性,放電期間壁上的氫不易返回等離子體中,從而使等離子體密度可控,等離子體穩態運行區域擴展。另外B/C膜是一種耐腐蝕性好的膜,特別是硼碳之比為3的膜,其腐蝕產額只有碳膜1%。
HT-7壁材料是不銹鋼,硼化前聚變等離子體有效電荷數約為5,說明等離子體雜質含量高,從而雜質輻射的能量損失較大,限制了等離子體向高參數發展。HT-7用安全無毒白色粉末狀碳甲硼烷(C2BIOH12),進行了數次硼化實驗,取得了很好的效果。硼化已成為HT-7常用的、重要的壁處理方式。
HT-7用射頻輔助的等離子體增強化學氣相沉積。技術對其壁進行硼化處理,獲得非晶態的硼、碳膜(a - B/C: H),硼碳元素有膜的深度方向分布均勻,硼碳比約為3。這層膜沉積在壁而有效地保護著壁,減少了等離子體與壁直接作用,從而降低了等離子體中金屬雜質的含量。膜的吸氧性使等離子體中氧雜質的再循環降低,減少了等離子體中氧雜質以及由氧引起的其它雜質的含量。雜質含量的降低使HT-7等離子體參數明顯提高:有效電荷數降低到2以下,環電壓低于1.5V,雜質輻射功率明顯降低。由于多孔膜的良好的駐氫性使壁氫的再循環得以改善,等離子體密度可控,擴大了等離子體穩態運行區域。另外硼化使HT -7能夠快速進入穩態運行狀態。從硼化效果可以看出,硼化為HT-7提供了良好的壁條件。
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