超导托卡马克EAST限制器材料的腐蚀与沉积的研究

　　在磁约束聚变实验装置托卡马克中,第一壁材料直接面对高温等离子体,承受高能粒子的轰击。随着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,超导托卡马克东方超环(EAST)装置上选用掺杂碳化硅涂层石墨作为第一壁材料。本实验通过离子束表面分析方法,研究了EAST装置中限制器石墨材料的腐蚀与沉积特性,结果显示在累计大约36000s的等离子体实验中,安装在限制器上的标记瓦块近1μm的碳涂层基本被腐蚀,其腐蚀速率超过0.0278 nm/s。

　　在磁约束聚变实验装置托卡马克中, 第一壁材料( Plasma Facing Materials, PFM) 直接面对高温等离子体的轰击, 对未来的大型装置如国际热核聚变实验堆( ITER) , 随着装置运行的辅助加热功率更高,运行时间也更长, 第一壁材料要承受数十甚至上百兆瓦每平方米的热负荷, 材料的腐蚀大大加剧, 从现在的微米量级增加到厘米量级, 这就对第一壁的材料提出了更高的要求。第一壁的腐蚀使杂质粒子进入等离子体, 一方面使辐射损失增大, 影响等离子体参数的空间分布以及总体能量约束时间; 另一方面稀释核燃料, 使反应功率密度降低; 甚至危害装置的安全运行[1] 。等离子体与壁相互作用的研究已成为实现可控核聚变的重要课题, 而第一壁材料的腐蚀与沉积特性的研究是其关键问题之一[ 2] 。

　　在ITER 的设计中, 铍、钨和碳纤维复合材料(CFC) 作为候选的第一壁材料。真空室内壁用Be以减轻杂质污染; 偏滤器靶板主要用钨, 保证靶板寿命; 打击点用CFC, 以减轻熔化层破裂腐蚀[ 3] 。这些材料各有优缺点: 铍吸氧能力强, 无化学溅射, 但熔点低; 钨的熔点高, 物理溅射阈值高, 几乎无化学溅射, 但钨是高Z 材料, 等离子体中只要存在极少量( 超过万分之一) , 就可能造成极大的辐射损失; CFC有优良的抗热冲击性, 低Z, 熔点高, 高热导, 但化学溅射严重, 尽管最近研究采用掺杂石墨可以大幅度减轻化学溅射, 但仍距离商业化聚变堆要求很远[ 2] 。

　　尽管碳有化学溅射严重等缺点, 但仍然是目前第一壁的重要候选材料。从上世纪90 年代开始, 国内外开始研究掺杂石墨的性能, 结果显示掺杂石墨的各项性能均优于纯石墨, 尤其是抗化学溅射方面, 因而东方超环( EAST) 采用掺杂石墨( GBST1308, 1% B,215% Si, 715% Ti ) 作为第一壁材料[ 4- 7] 。GBST1308有很高的热导性; 抗热冲击性强, 能承受3MW/ m2 的热负荷; 在50 eV 和1 keV 的氘离子轰击下, 其化学溅射与纯石墨相比, 分别减少30% 和5%[ 8] 。在ASDEX Upgrade 装置实验中, 用离子束表面分析方法研究其钨瓦块的腐蚀特性, 得出钨的腐蚀速率为112 @ 1014cm- 2s- 1[ 9]; 在装置TEXTOR-94 中,测得硼的平均腐蚀速率为814 @ 1013 cm- 2s- 1[ 10] ; 在装置JET 中, 用离子束分析得到一次脉冲放电碳的腐蚀超过319 @ 1015 cm- 2s- 1, 如果取脉冲长度为10s, 则腐蚀超过319 @ 1014 cm- 2s- 1[ 11] 。国外装置对第一壁材料的腐蚀和沉积做了大量的研究, 但是第一壁材料在长时间的等离子体放电下的腐蚀和再沉积行为几乎没有经过实验验证。高参数长脉冲运行是全超导托卡马克EAST 的特色之一, EAST 上第一壁材料的腐蚀和再沉积特性的实验研究对未来材料在ITER 上的使用具有重要的借鉴意义。

实验安排

EAST基本情况

　　EAST 装置是中国自行设计研制的世界上首个全超导非圆截面托卡马克装置, 主要技术特点和指标是: 纵场强度BT= 315 T, 磁通变化$ –\10 V#s,设计等离子体电流110~115 mA, 持续时间1000 s,等离子体大半径1195 m, 小半径015 m, 环径比4125, 拉长比116~ 2, 三角变形016~018[12] 。其主要科学目标是研究高参数等离子体稳态先进运行模式的科学和工程问题。

　　EAST 真空室中平面共有16 个窗口, 其中G 窗口和P 窗口分别安装一个活动限制器。限制器几何尺寸: 圆弧半径67918 mm, 高68014 mm, 宽20014mm。为了获得等离子体边界温度和密度参数分布,两套可移动的快速langmir 探针系统分别安装在A窗口和E 窗口的中平面, 见图1。

分析讨论和结论

　　本次实验测量的碳的腐蚀速率超过2178 @ 1014cm- 2#s- 1, 超过ASDEX Upgrade 中钨的腐蚀速率的两倍, 主要原因是放电条件的差异, EAST 主要是以低杂波电流驱动和离子回旋加热为主, 边界电子密度较低, 温度较高, 放电脉冲的时间也大于ASDEXU,因而等离子体直接与限制器相互作用就比ASDEX-U 要强烈得多, 腐蚀速率就高。

　　此外也有材料特性的差异, 尤其是瓦块表面碳层的化学溅射加大了腐蚀速率, 而钨材料则不必考虑化学溅射; TEXTOR中硼的腐蚀结果与ASDEX Upgrade 类似; JET 中碳的腐蚀率比EAST 高, 但JET 是目前最大型的托卡马克, 无论装置尺寸大小半径, 加热功率还是等离子体参数都比EAST 大。从EAST 实验中4 块标记瓦的碳涂层均被完全腐蚀, 能得出S1、S3 的腐蚀速率超过010278 nm/ s, S2, S4 的腐蚀速率超过010236nm/ s 的结论; 考虑到限制器上既有腐蚀也有沉积,上面结果只是腐蚀量减去沉积量得到的净腐蚀, 而实际腐蚀更大。对未来像ITER 之类的大型装置, 等离子体刚建立时, 如果不能早期形成偏滤器位形, 此时限制器材料的腐蚀将会更为严重。沉积在4 块瓦块上的铜则有一定差别: S2, S4上沉积的铜较多, S1, S3 上沉积的铜较少。分别比较S1, S2 和S3, S4, 可以看出限制器下方比较容易沉积铜; 而比较S2, S3 则得出在环向, 左边易沉积铜,EAST 电流方向主要是顺时针( 俯瞰) , 说明沉积主要发生在离子侧。铜的再沉积要比其它装置要高, 其主要原因是EAST 以低混杂波电流驱动为主, 而天线的材料是铜, 在EAST 长脉冲实验, 特别是低杂波驱动的实验中, 铜材料受高能离子轰击, 从天线部位被溅射解析, 沉积在限制器石墨瓦块上。2010 年春季EAST 实验共进行等离子体放电10000 多次, 总放电时间约36000 s, 活动限制器上标记瓦的碳涂层基本被腐蚀, 初步结果4 块瓦的腐蚀速率均超过010278 nm/ s。如果要准确测量腐蚀速率, 可以采用磁力传送机构, 把待测样品安装在样品架上, 在特定等离子体放电中把样品送入接受辐照,这样样品接触等离子体总时间要短多, 不必担心涂层被完全腐蚀掉, 而且可以精确确定等离子体参数, 可以得出更加精确的结果。

　　关键词：东方超环;腐蚀;第一壁;限制器

　　Abstract: The deposition and erosion of the plasma facing materials(PFMs)-the graphite with surface modified by SiC doping-in the limiter of the experimental advanced superconducting tokmak(EAST) was experimentally studied by Rutherford back scattering(RBS) for the purposes of reducing the contamination of the plasma at extremely high temperature,and increasing the safety of EAST.In the simulation experiment,4 marked tiles covered with 1 μm thick carbon films were installed in the limiter.The preliminary results show that the averaged erosion rate was higher than 0.0278 nm/s,after the plasma exposure up to 36,000 s,indicating the complete removal of the carbon film.The negative impacts and possible solution of the erosion and re-deposition of the PFMs were also tentatively discussed.

　　基金项目: 科技部ITER计划专项资助(2010GB106007)

参考文献：
　　[1]石秉仁.磁约束聚变原理与实践[M].北京:原子能出版社,1998:175,165
　　[2]Federici G,Skinner C H,Brooks J N,et al.Plasma-MaterialInteractions[J].Nucl Fusion,2001,41(12R):1968,1996
　　[3]Samm U.Plasma-Wall Interaction[J].Transactions of FusionScience and Technology,2006,49:234
　　[4]刘占军,郭全贵,宋进仁,等.掺杂石墨作为面对等离子体材料的应用研究[J].核聚变与等离子体物理,2006,12(4):318
　　[5]谌继明,刘翔肖,征贤,等.掺杂石墨在高能激光束和电子束作用下的热冲击行为[J].核科学与工程,2002,3(1):47
　　[6]唐明,胡建生,左桂忠.HT-7托卡马克中破裂等离子体放电对器壁放气的影响[J].真空科学与技术学报,2011,31(1):38
　　[7]陈长琦,窦仁超,胡建生,等.全超导托卡马克第一壁石墨材料的放气特性研究[J].真空科学与技术学报,2009,29(2):198
　　[8]Wan Baonian,Li Jiangang,Zhao Junyu,et al.PSI Issues to-ward Steady State Plasmas in the HT-7 Tokamak[J].J NuclMater,2003,313-316:128
　　[9]Krieger K,Gong X,Balden M,et al.Erosion and Migration ofTungsten Employed at the Central Column Heat Shield of AS-DEX Upgrade[J].J Nucl Mater,2002,307-311:141
　　[10]Von J Seggern,Mayer M,Reiser D,et al.Erosion and Depo-sition Effects on the Vessel of TEXTOR-94[J].J NuclMater,2001,290-293:341
　　[11]Mayer M,Behrischa R,Andrew P,et al.Erosion at the Ves-sel Walls of JET[J].J Nucl Mater,1997,241-243:469
　　[12]邱励俭.聚变能及其应用[M].北京:科学出版社,2008:147
　　[13]刘玮玮.化学气相沉积钨尾气再利用与无害化处理的研究[D].北京工业大学硕士论文,2009
　　[14]Li J,Shimada M,Hu J,et al.Wall Conditioning towards Uti-lization in ITER[C].19th PSI Conference,San Diego:CA,USA,2010
　　[15]Mayer M.Ion Beam Analysis of Rough Thin Films[J].NuclInstr Meth,2002,B194:177
　　[16]王广厚.粒子同固体相互作用物理学[M].北京:科学出版社,1988:111,105