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在磁约束聚变实验装置托卡马克中,第一壁材料(Plasma Facing Materials)直接面对高温等离子体,承受高能粒子的轰击。随着未来聚变装置等离子体存在时间的延长及辅助加热功率的增加,第一壁材料腐蚀和沉积将会越来越严重,材料的腐蚀一方面会污染等离子体影响聚变等离子体的品质,另一方面将危害装置的安全运行。为了提高材料的物理和化学溅射阈值,超导托卡马克EAST装置上选用掺杂碳化硅涂层石墨作为第一壁材料。
为研究第一壁的腐蚀与沉积情况,把4块标记瓦安装到EAST活动限制器上,EAST放电结束后取出标记瓦和第一壁不同位置瓦块,用离子束表面分析(卢瑟福背散射RBS)方法,研究EAST装置中限制器石墨材料的腐蚀与沉积特性和第一壁与偏滤器瓦块的元素分布,并与模拟结果相比较。
2010年春季EAST实验中,共放电1万多次,总计放电时长约36000秒,典型放电电流为250kA,典型脉冲宽度为10秒,其间对第一壁进行了各种壁处理。4块标记瓦的RBS分析结果显示4块瓦上的碳层几乎完全被腐蚀掉,平均腐蚀速率超过0.0278nm/s:而LIM模拟的结果比实验值小,模拟的腐蚀速率不超过0.022nm/s。
用RBS分析第一壁与偏滤器瓦块的元素含量分布,结果发现瓦块上除了碳、硅之外,还有氧和铜,这些元素在第一壁不同位置的含量并不相同:内靶板和dome处硅元素的含量很小;5块样品的氧含量都很高,均超过10％;铜在真空室不同位置均有沉积,含量从0.5%到1.3%。
EAST作为世界上第一个全超导tokamak,用RBS分析其第一壁的腐蚀与沉积情况尚属首次,本论文为EAST的等离子体与壁相互作用研究积累了经验,对ITER的相关研究也有参考意义。