HT-7和EAST锂化壁处理及液态锂第一壁实验研究

• 作 者: 左桂忠
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院研究生院 中国科学院大学
• 发表日期: 2012年期
• 关键词: 托卡马克 等离子体面壁材料 液态锂 杂质抑制 粒子再循环

杂质抑制和粒子再循环的控制是托卡马克运行的重要课题。目前的托卡马克需要通过等离子体面壁材料的选择、以及器壁锻炼限制等离子体中的杂质，改善等离子体的约束，获得高品质的等离子体。　　
针对这一课题，在EAST和HT-7超导托卡马克装置上开展了锂化壁处理和液态锂活动限制器的实验。在锂化壁处理的实验中，详细地研究了锂化壁处理的效果，这包括对杂质及再循环水平的影响，对等离子体约束性能的影响等；研究了各种壁处理方法对再循环和氢含量的影响；对比了不同壁条件下锂化壁处理的结果。在液态锂限制器的实验中，简单介绍了液态锂限制器的发展，研究了液态锂限制器对等离子体性能的影响；对限制器的表面温度分布及表面蒸发速率进行了分析；详细介绍了引起锂发射的各种力，寻找引起等离子体破裂的原因；研究了锂限制器实验后的锂的沉积与腐蚀状态等。最后简单的介绍了液态锂限制器的台面实验的设计及初步的结果。　　
锂化壁处理实验结果表明，锂化壁处理可以有效吸收真空室中的O2、N2、CO、H2O和CO2等杂质，从而可以大大降低托卡马克装置中杂质含量和粒子再循环。通过锂化壁处理，可以有效的降低粒子的氢氘比到10％以下，有利于离子回旋少数粒子加热。可以有效的抑制MHD的行为及提高等离子体可重复行。锂化壁处理降低了H模的功率阈值，在EAST上实现了H模。并且为2010年实验中100s长脉冲放电，1MA等离子体及6.4sH模提供了良好的壁条件。对比锂化壁处理和其它的壁处理手段发现，在现有的EAST壁的条件下，锂化壁处理是获得低再循环及低氢氘比最有效的方法。可以快速、经济、有效的实现对第一壁材料的改性，进而满足聚变等离子体对第一壁低杂质污染、低再循环的苛刻要求，实现对等离子体性能的改善。　　
在HT-7装置上开展的液态锂限制器实验取得了与锂化壁处理实验类似的结果，比如，氢再循环及杂质能够得到有效的抑制，粒子的约束时间及能量约束时间增加。实验发现锂的表面状态选择是非常重要的，自由表面的液态锂限制器，由于蒸发、溅射及各种力(等离子体风和电磁力)的作用，导致锂的发射严重引起等离子体破裂；通过使用毛细网结CPS)，能够很好的约束液态锂，减少锂的发射，实验后发现在真空室壁上沉积的锂斑的密度及大小明显减小。　　
实验证明，金属锂作为第一壁材料，能够有效的抑制杂质及氢再循环，提高等离子体性能。通过实验我们掌握了锂化壁处理及液态锂第一壁操作的关键技术，为未来磁约束聚变装置中等离子体边界材料的选择提供新的研究途径。