[發明專利]利用金屬鋰涂層作為改善全超導托卡馬克第一壁燃料再循環的方法

有效

• 申請號: 201210111534.2
• 申請日: 2012-04-16
• 公開（公告）號: CN102653856A
• 公開（公告）日: 2012-09-05
• 發明（設計）人: 左桂忠;胡建生;李建剛;孫震
• 申請（專利權）人: 中國科學院等離子體物理研究所
• 主分類號: C23C14/32
• 分類號: C23C14/32;C23C16/505;C23C14/14;C23C16/06;G21B1/13;G21B1/25
• 代理公司: 安徽合肥華信知識產權代理有限公司 34112
• 代理人: 余成俊

技術領域：

本發明涉及聚變反應堆真空室內部第一壁材料改性領域，具體是利用射頻放電和化學氣相沉積兩種方法實現對真空室第一壁表面的涂覆，從而實現改善全超導托卡馬克第一壁燃料再循環。

背景技術：

等離子體品質與等離子體邊界再循環及雜質的水平密切相關。等離子體品質隨著整體再循環系數降低而增加。等離子體中雜質主要來源于等離子體與壁相互作用，而雜質的存在將會由輻射而導致等離子體能量的大量損失，影響等離子體溫度的分布及等離子體能量平衡過程，導致聚變功率的降低，稀釋等離子體燃料，所以聚變裝置第一壁材料的選擇及其表面狀態的控制是獲得高約束性能等離子體的關鍵之一。為了承受高溫等離子體的轟擊，獲得盡可能低的雜質濃度，降低雜質輻射能量損失，第一壁材料應具有低原子序數、高熔點、高耐熱沖擊和低濺射等性能的材料。

目前在托卡馬克裝置中研究的等離子體第一壁材料主要是石墨、鎢和鈹材料。石墨具有良好的熱性能、低輻射能量損失、很好的焊接技術、廣泛的實驗基礎等優點而被廣泛應用。然而，石墨材料的腐蝕及其再沉積導致的氫同位素的滯留將嚴重影響粒子的再循環，影響等離子體的密度控制，影響裝置的經濟有效的運行，并且在未來裝置中氚的滯留也會帶來嚴重的安全問題和環境問題。這些問題導致以石墨作為等離子體邊界材料存在一些缺點，如需要長時間壁處理、化學腐蝕導致壽命有限、在中子輻射下物理和機械性能降低、產生灰塵、在等離子體破裂時高熱負載下破碎損傷、氫滯留嚴重等缺點。為了提高第一壁材料的抗濺射能力和降低T的滯留，W材料目前也被選擇為第一壁的材料，但是等離子體對其容忍的含量很低、氧對其化學腐蝕及高活化性可能會影響其廣泛應用。Be材料的優點是低的原子序數、熱導大、吸氧能力好、一定的實驗基礎、低輻射能量損失、等離子體噴涂修復、很好的焊接技術、低的T滯留等。但是由于Be具有較低的熔化溫度、潛在的有毒性、相對高的濺射率，其應用受到一定限制，一般用于能流密度不高的等離子體第一壁。

而鋰材料具有非常優異的核性能，是一種非常重要的聚變材料。鋰的低原子序數、高比熱、對雜質和粒子再循環的強抑制能力、使其成為一個重要的、潛在的面對等離子體材料。鋰非?；顫姡着c氧、氮、碳及氧化物、硅酸鹽等物質結合的能力，故可以有效吸收真空室中的O₂、N₂、CO、H₂O、CO₂等雜質，可以大大降低托卡馬克裝置中雜質含量。鋰對H、D、T具有非常優異的抽氣能力，每個鋰原子可以吸附10%的H、D、T原子。在500℃左右與氫發生反應，并且是唯一能生成穩定得足以熔融而不分解的氫化物的堿金屬，不會在等離子體放電中產生很高的粒子再循環。鋰的電離能較低，為5.392eV，鋰一旦進入等離子體將很快被電離。鋰在熱的等離子體中心區域會被完全電離，在較冷的等離子體邊界區域發生韌致輻射，在等離子體邊界產生的輻射將冷卻等離子體的邊界區域，這樣可以減少沿著磁力線流向限制器和偏濾器的對流功率流，并且將其分布在更大的表面上，從而減少局部的熱量積累、減輕了濺射效應，盡可能地降低了真空室的雜質含量及第一壁的腐蝕。鋰的電離能低的特點使得鋰在進入等離子體中心區前將在邊界區充分電離，同時鋰本身的再循環系數很低和低Z，可以減少鋰對中心等離子體的影響。另外，鋰具有較高的比熱，3.6J/(g·K)，耐熱沖擊比較好。

在FTU裝置上鋰化實驗表明，鋰化后等離子體能量輻射比硼化后等離子體能量輻射降低了50%，環電壓減少10%；在鋰化及硼化后等離子體能量約束時間比金屬壁情況下提高1.3倍；同時鋰化也有效地降低了氫的再循環。DIII-D鋰化壁處理對減少氧含量，避免大電流(>2.2MA)情況下的鎖模有明顯效果，并且大電流等離子體放電情況下的不易發生破裂放電，有利于大電流放電。TJ-II鋰化壁處理實驗表明，粒子再循環降低，雜質得到有效的抑制，鋰化壁處理更有利于中性束注入(NBI)等離子體放電。HL-1M通過鋰化壁處理，有效地減少了等離子體中的碳、氧雜質含量；鋰化后，等離子體能量輻射損失較硅化壁處理后平均降低30%~50%。

發明內容：