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未来D-T反应的聚变堆装置对降低氚在第一壁滞留的十分苛刻,这是目前国际聚变界从事的热点之一,也是尚未解决的难题之一。这一问题不解决,未来ITER运行和实验将会面临较大的问题。
我们就是针对这一难题,在HT-7和具有ITER相似位型的EAST超导托卡马克装置上,在壁温为400~470K的情况下,成功进行了一系列的热壁氧化壁处理实验,包括中性氧气、直流辉光、离子回旋氧化壁处理。研究的主要内容包括不同氧化壁处理技术中再沉积层清除和氢同位素释放,以及在氧化壁处理后等离子体的快速恢复,分析和讨论氧化壁处理技术在未来装置,特别是在ITER装置的应用。分析了工作气压、气体成分、离子回旋波功率、处理时间等对氧化壁处理过程中的氢同位素释放和共沉积层清除效果的影响;采用样品分析的方法研究了在离子回旋和直流辉光氧化壁处理中,再沉积层结构和氘滞留的变化;研究了不同氧化壁处理技术对不同位置再沉积层清除的效果。在氧化实验后,系统研究了不同的清洗技术对氧的清除效果;研究了不同离子回旋氧化壁处理后等离子体恢复情况。系统开展了He-ICR、D2-ICR、He-GDC、D2-GDC清洗,研究了其与氧化壁处理技术的区别,并分析清除氢的不同机制。根据HT-7装置氧化壁处理的实验结果,分析和探讨氧化壁处理技术在ITER装置的应用前景和可能达到的效果。
在HT-7和EAST装置上氧化壁处理实验结果表明:在较低器壁温度下,在有限的气压范围内,热中性气体氧化对再沉积层清除效果比较小。O-GDC和O-ICR壁处理被证明是一种清除再沉积层和释放氢的有效方法。无论O-GDC和O—ICR清洗对再沉积层的清除均比相应的在He、D2气体中清洗高几十倍。其中高气压O-GDC对再沉积层和氢的清除率最高。而O-ICR可以在纵场存在的情况下进行,表明这种技术是最有应用前景的再沉积层清除技术。在不同氧化壁处理过程中,再沉积层都主要以CO和CO2的形式被清除的,而再沉积层中H主要是以水的形式释放的。高的工作压强(氧)和高功率有利于再沉积层清除和氢释放。He在O-GDC和O-ICR中都能促进氧化反应,有利于再沉积层清除和氢释放,同时也可以降低了氧的滞留,降低氧化实验对装置的污染。He(D2)-ICR(GDC)均被证明是有效的氧清除手段。密度、电流可控的、重复的等离子体可以在几个小时或者几十次破裂放电后得到恢复。在HT-7和EAST上,没有发现氧化壁处理对装置或者其它仪器产生不可恢复的损害。从不同的假设得到的结果均表明一个小时O-ICR(O-GDC)清洗可以在ITER装置上清除约几克到几十克碳沉积层,说明氧化壁处理技术是未来装置再沉积层和氚的有效清除手段。
通过在HT-7和EAST装置上的氧化壁处理实验,掌握了不同氧化壁处理技术及其特点,为以后的实际应用提供技术支持;比较系统的掌握了气压、气体成分、清洗功率、清洗时间对再沉积层清除和氢通位素释放的影响,能够优化不同技术在不同器壁条件下的应用;通过不同参数不同壁处理技术的清除率的分析和比较,以及在不同位置样品上再沉积层清除效果的研究,总结了不同氧化壁处理技术和清洗技术的机制和特点;比较系统掌握了不同的清洗技术对氧的清除效果以及氧化壁处理后等离子体恢复的特点,为快速恢复器壁状态和快速恢复等离子体放电提供技术积累;初步分析和探讨氧化壁处理技术在ITER装置的应用前景和可能达到的效果,为ITER装置氧化壁处理技术应用提供参考。
HT-7氧化壁处理系列实验以及EAST将要进行的系列氧化实验将为未来ITER装置中氚的去除提供一个独特和有效的技术方法,为清除第一壁再沉积层、降低装置内T滞留,提供有价值的技术积累和数据积累。