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高参数稳态等离子体的获得和控制以及满足该条件的材料己经成为聚变能商用化必须解决的两大瓶颈问题。磁约束受控聚变能否成功在很大程度上取决于对等离子体与壁材料相互作用过程的理解以及新型壁材料和部件的研发。本文围绕等离子体与壁材料相互作用的实验研究展开,主要内容包括材料实验平台的设计建造和相关实验结果。
首先,基于EAST托卡马克装置设计建造了材料与边界等离子体实验平台(MAPES)。MAPES平台的基本功能是在不破坏EAST真空的条件下输入和输出研究样品,实现在等离子体辐照参数可控条件下研究材料与等离子体的相互作用,并且能够在一轮托卡马克实验中完成多项研究任务。建设成功后的MAPES将成为目前世界上同类装置中体积最大、功能最全、仅有的同时具备冷却/加热功能的材料与等离子体综合实验平台,为国内外PWI研究工作的组织开展做出重要贡献。本论文将介绍MAPES平台的设计工作及建造情况。
其次,开展了实验室测试平台的设计与建造,包括直线等离子体装置和热脱附谱仪(TDS)。其中,直线装置可产生低能、大束流等离子体,其等离子体源采用LaB6热阴极结构,其样品座是一种可调整入射离子能量、实时监测离子通量的控温样品座。研制的TDS用于检测壁材料气体滞留量和分析捕获缺陷状态,该设备样品升温速率可调,并可分辨D2和He。
最后,针对真空等离子体喷涂钨涂层(VPS-W)材料在实验室和托卡马克装置两种平台下开展了辐照实验,研究了D等离子体预辐照对后续He辐照的影响以及VPS-W材料在ELM条件下的辐照效应。研究发现:样品被ELMing He等离子体辐照之后表面出现了再结晶结构;在直线装置中后续的He辐照可以有效地移除材料中滞留的D,但在托卡马克装置中,由于C-D共沉积的影响,He等离子体辐照后样品表面的D含量大幅增加;从TDS分析结果看,经过D预辐照的样品在后续的He辐照过程中滞留的He更少。上述结果对于VPS-W在EAST以及未来聚变堆第一壁的应用具有重要的参考意义。