利用金屬鋰塗層作為改善全超導託卡馬克第一壁燃料再循環的方法
2023-05-11 11:43:26
專利名稱：利用金屬鋰塗層作為改善全超導託卡馬克第一壁燃料再循環的方法
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塗覆，從而實現改善全超導託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係數降低而增加。等離子體中雜質主要來源於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，獲得儘可能低的雜質濃度，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、高耐熱衝擊和低濺射等性能的材料。目前在託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，並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、等離子體噴塗修復、很好的焊接技術、低的T滯留等。但是由於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，一般用於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。鋰非常活潑，易與氧、氮、碳及氧化物、矽酸鹽等物質結合的能力，故可以有效吸收真空室中的02、N2、CO、H2O, CO2等雜質，可以大大降低託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°C左右與氫發生反應，並且是唯一能生成穩定得足以熔融而不分解的氫化物的鹼金屬，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，並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，儘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係數很低和低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)，耐熱衝擊比較好。在FTU裝置上鋰化實驗表明，鋰化後等離子體能量輻射比硼化後等離子體能量輻射降低了 50%，環電壓減少10% ;在鋰化及硼化後等離子體能量約束時間比金屬壁情況下提高I. 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02. 2MA)情況下 的鎖模有明顯效果，並且大電流等離子體放電情況下的不易發生破裂放電，有利於大電流放電。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，鋰化壁處理更有利於中性束注入(NBI)等離子體放電。HL-IM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；鋰化後，等離子體能量輻射損失較矽化壁處理後平均降低30% 50%。
發明內容
本發明的目的是解決等離子體放電中第一壁材料高雜質汙染、高再循環問題，使用鋰化壁處理的方法，在EAST磁約束聚變真空室內第一壁表面均勻地塗覆10-20納米金屬鋰塗層，由於鋰是非常活潑的金屬材料，對真空室中的02，N2, CO, H2O, CO2等雜質具有很好的吸附作用，可以實現對第一壁材料的改性，降低等離子放電中的雜質及再循環水平，從而快速、經濟、有效的實現對等離子體性能的改善。利用金屬鋰塗層作為改善全超導託卡馬克第一壁燃料再循環的方法，其特徵在於，包括有鋰化坩堝系統、波紋管傳送系統，所述的鋰化坩堝系統包括有鋰化坩堝、加熱系統、測溫系統，加熱系統的加熱裝置為加熱絲，所述的鋰化坩堝為敞口坩堝，鋰化坩堝內部的中間位置設有一個垂直於坩堝底部的擋板，擋板的頂部開有一個槽，位於擋板一側的鋰化坩堝的底部開有一個孔一，鋰化坩堝頂部內側設有凹臺，凹臺上放有蓋板，蓋板上開有一個與坩堝底部的孔一相對應的孔二，蓋板與鋰化坩堝配合使用；
具體包括以下步驟
1)對磁約束裝置真空室進行抽氣檢漏；
2)在99.9%的高純氬的保護下將固態的鋰棒放入鋰化坩堝內底部無孔的一側；
3)使用離子迴旋射頻波(ICRF)產生的脈衝式等離子體放電對磁約束裝置真空室內的第一壁進行清洗；放電的參數為PHe=0. 05Pa，功率20-30kW，佔空比為I秒開並I秒關，放電清洗時間為1-2小時(He-ICRF清洗不僅可以有效清除雜質，也可以用於器壁所滯留的D2的清除，有效降低器壁所吸附的D2，改善粒子再循環，提高對等離子體體密度的控制能力；)；
4)在ICRF等離子體放電清洗過程中，將鋰化坩堝通過波紋管傳送系統壓縮送入到磁約束裝置真空室內；
5)放電清洗結束後，通過調節加熱系統中加熱絲的電壓，開始進行鋰棒加熱，當溫度加熱到大約攝氏300度左右，在真空室內的鋰化坩堝附近開始泛紅，隨著坩堝溫度的逐漸增加，真空室內顏色逐漸變成血紅色，而且越來越紅(由於Li I線的波長是671納米，在紅色可見光波的範圍，故鋰化放電的顏色為紅色，可以通過觀察放電過程中真空室內的顏色來判斷鋰化的均勻程度)；最終鋰化坩堝的加熱電壓維持在大約80-90V，鋰化坩堝的蒸發溫度穩定在攝氏550-600度；
6)鋰將從坩堝蒸發，在電場作用下將鋰離子彌散，擴散到真空室內，通過兩種不同的機制塗覆到第一壁上
①通過ICRF等離子體電離，在環向均勻ICRF等離子體的作用下彌散到第一壁，實現第一壁的均勻塗覆；具體操作如下 蓋板置於鋰化坩堝頂部的凹臺上，鋰蒸汽從蓋板上的孔二和鋰化坩堝底部的孔一中擴散出來，擴散出來進入真空室後，在有強磁場的條件下，注入20-30千瓦的射頻波，使其產生均勻的脈衝式等離子體放電，放電介質為氦氣，在放電的過程中，鋰離子被均勻的塗覆到第一壁表面，通過控制鋰化坩堝的加熱溫度及鋰化坩堝加熱時間的長短來控制鋰的蒸發量，從而控制鋰塗層的厚度為10-20納米；
②通過化學氣相沉積的方式實現鋰塗覆，根據不同等離子物理放電的需要，通過使用設計巧妙的鋰蒸發坩堝和使用不同的蓋板，靈活實現對第一壁表面局部和整體進行塗覆；具體操作如下
帶有孔的蓋板放在鋰化坩堝頂部的凹臺上，鋰蒸汽從蓋板上的孔二和鋰化坩堝底部的孔一中擴散出來，鋰蒸氣進入真空室後，向上、下兩個方向發散，通過化學氣相沉積的方式實現真空室內上、下偏濾器區域的整體塗覆，通過控制鋰化坩堝的加熱溫度及鋰化坩堝加熱時間的長短來控制鋰的蒸發量，從而控制鋰塗層的厚度為10-20納米。所述的通過化學氣相沉積的方式實現鋰塗覆，還可以使用小蓋板分別蓋上鋰化坩堝的底部和頂部的小孔，鋰蒸汽將分別從坩堝頂部蓋板上的孔二及底部的孔一中發射出來，分別向上和向下兩個方向發射鋰蒸汽，通過化學氣相沉積的方式分別實現上偏濾器及下偏濾器的局部塗覆。所述的鋰化坩堝和蓋板的材料為耐鋰腐蝕的316L不鏽鋼。所述的加熱絲的參數為220V，27 Q, I. 5kW。本發明的原理是
利用金屬鋰塗層作為改善全超導託卡馬克第一壁燃料再循環的方法，一是利用射頻波產生的均勻的脈衝式等離子體放電將鋰電離，鋰離子在環向均勻的射頻等離子體放電作用下被均勻的塗覆到第一壁表面；二是利用化學氣象沉積的方法，通過使用設計巧妙的鋰蒸發坩堝和使用不同的擋板，可以靈活實現對第一壁表面局部和整體進行塗覆，以便滿足不同等離子體物理試驗的需求。由於鋰的蒸汽發射具有方向性，發射限為半球。蒸發源的發射按所研究的方向與表面法線間夾角呈餘弦分布，即遵守克努曾定律，所以通過單向開口的鋰化坩堝設計很難實現鋰的均勻塗覆。在EAST鋰化塗覆的過程中，在磁場的環境下，使用專門設計的離子迴旋天線，產生20-30千瓦的射頻波，將蒸發的鋰原子電離成鋰離子，在環向均勻ICRF等離子體的作用下，將離子彌散到第一壁，實現第一壁的均勻鍍膜。由於EAST放電可以在不同的等離子位型下放電，比如雙零位型(Double Null,DN),單零位型(Single Null, SN,包括上單零位型(Upper Single Null, USN)和下單零位型(Lower Single Null, LSN))，在不同的位型下，等離子與第一壁的主要的相互作用位置將不同，鋰塗覆的位置必須滿足不同位型等離子放電的需要，才能獲得各種不同位型下的高性能等離子體放電。所以，為EAST鋰化壁處理實驗設計帶蓋板的鋰化坩堝，通過蓋板的作用，靈活實現對不同位置第一壁的塗覆。本發明的有益效果在於本發明利用鋰是一種原子序數低、非常活潑的材料金屬，可以有效吸收真空室中的
O2,N2, CO, H2O, CO2等雜質，從而可以大大降低託卡馬克裝置中雜質含量和粒子再循環的特點，對磁約束裝置真空室內第一壁表面塗覆10-20納米金屬鋰塗層，可以快速、經濟、有效的實現對第一壁材料的改性，進而滿足聚變等離子體對第一壁低雜質汙染、低再循環的苛刻要求，實現對等離子體性能的改善。
圖I是本發明的鋰化坩堝的設計圖。圖2是向上下同時發射鋰蒸汽的坩堝示意圖。圖3是向上下同時發射鋰蒸汽時在EAST裝置內鋰蒸發的示意圖。
圖4是向上發射鋰蒸汽的坩堝示意圖。圖5是向下發射鋰蒸汽的坩堝示意圖。
具體實施例方式 如圖1-5所示，利用金屬鋰塗層作為改善全超導託卡馬克第一壁燃料再循環的方法，包括有鋰化坩堝系統、波紋管傳送系統，鋰化坩堝系統包括有鋰化坩堝I、加熱系統、測溫系統，加熱系統的加熱裝置為加熱絲，鋰化坩堝I為敞口坩堝，鋰化坩堝I內部的中間位置設有一個垂直於坩堝底部的擋板2，擋板2的頂部開有一個槽3，位於擋板2 —側的鋰化坩堝I的底部開有一個孔一 4,鋰化坩堝I頂部內側設有凹臺5,凹臺5上放有蓋板6,蓋板6上開有一個與坩堝底部的孔一 4相對應的孔二 7，蓋板6與鋰化坩堝I配合使用；
具體包括以下步驟
1)對磁約束裝置真空室進行抽氣檢漏；
2)在99.9%的高純氬的保護下將固態的鋰棒放入鋰化坩堝I內底部無孔的一側；
3)由於鋰是原子序數最小、非常活潑的金屬元素。鋰與真空室壁表面及空間的離子、原子和分子直接發生化學反應，在真空室內表面形成比較穩定的固態化合物，如=Li2C2,Li2O, LiOH, Li2CO3, LiHCO3等，降低了鋰膜的活性，所以在鋰化壁處理以前，先使用ICRF放電對真空室壁進行清洗，即使用離子迴旋射頻波(ICRF)產生的脈衝式等離子體放電對磁約束裝置真空室內的第一壁進行清洗；放電的參數為PHe=0. 05Pa，功率20-30kW，佔空比為I秒開並I秒關，放電清洗時間為1-2小時(He-ICRF清洗不僅可以有效清除雜質，也可以用於器壁所滯留的D2的清除，有效降低器壁所吸附的D2,改善粒子再循環，提高對等離子體體密度的控制能力。)；
4)在ICRF等離子體放電清洗過程中，將鋰化坩堝通過波紋管傳送系統壓縮送入到磁約束裝置真空室內；
5)放電清洗結束後，通過調節加熱系統中加熱絲的電壓，開始進行鋰棒加熱，當溫度加熱到大約攝氏300度左右，在真空室內的鋰化坩堝附近開始泛紅，隨著坩堝溫度的逐漸增力口，真空室內顏色逐漸變成血紅色，而且越來越紅(由於LiI線的波長是671納米，在紅色可見光波的範圍，故鋰化放電的顏色為紅色，可以通過觀察放電過程中真空室內的顏色來判斷鋰化的均勻程度)；最終鋰化坩堝的加熱電壓維持在大約80-90V，鋰化坩堝的蒸發溫度穩定在攝氏550-600度；
6)鋰將從坩堝蒸發，在電場作用下將鋰離子彌散，擴散到真空室內，通過兩種不同的機制塗覆到第一壁上① 通過ICRF等離子體電離，在環向均勻ICRF等離子體的作用下彌散到第一壁，實現第一壁的均勻塗覆；具體操作如下
蓋板6置於鋰化坩堝I頂部的凹臺5上，鋰蒸汽從蓋板上的孔二 7和鋰化坩堝底部的孔一 4中擴散出來，擴散出來進入真空室後，在有強磁場的條件下，注入20-30千瓦的射頻波，使其產生均勻的脈衝式等離子體放電，放電介質為氦氣，在放電的過程中，鋰離子被均勻的塗覆到第一壁表面，通過控制鋰化坩堝的加熱溫度及鋰化坩堝加熱時間的長短來控制鋰的蒸發量，從而控制鋰塗層的厚度為10-20納米；
②通過化學氣相沉積的方式實現鋰塗覆，根據不同等離子物理放電的需要，通過使用設計巧妙的鋰蒸發坩堝和使用不同的蓋板，靈活實現對第一壁表面局部和整體進行塗覆；具體操作如下
如圖1、2、3所示，帶有孔的蓋板6放在鋰化坩堝頂部I的凹臺5上，鋰蒸汽從蓋板上的孔二 7和鋰化坩堝I底部的孔一 4中擴散出來，鋰蒸氣進入真空室後，向上、下兩個方向發散，通過化學氣相沉積的方式實現真空室內上、下偏濾器區域的整體塗覆，通過控制鋰化坩堝的加熱溫度及鋰化坩堝加熱時間的長短來控制鋰的蒸發量，從而控制鋰塗層的厚度為10-20納米。如圖1、4、5所示，通過化學氣相沉積的方式實現鋰塗覆，還可以使用小蓋板分別蓋上鋰化坩堝的底部和頂部的小孔，鋰蒸汽將分別從坩堝頂部蓋板上的孔二及底部的孔一中發射出來，分別向上和向下兩個方向發射鋰蒸汽，通過化學氣相沉積的方式分別實現上偏濾器及下偏濾器的局部塗覆。鋰化坩堝和蓋板的材料為耐鋰腐蝕的316L不鏽鋼。加熱絲的參數為220V，27Q, I. 5kW。通過離子迴旋等離子體輔助的鋰化壁處理，在環向獲得較均勻的鋰塗覆。通過使用設計巧妙的坩堝和不同的蓋板，對EAST裝置第一壁的整體及局部實現了靈活鋰塗覆。通過對磁約束裝置真空室內第一壁表面塗覆10-20納米金屬鋰塗層，實現了快速、經濟、有效的對第一壁材料改性。發現鋰化壁處理極其有效地改善了粒子再循環，降低等離子體雜質水平，減少等離子體雜質輻射，有效降低H/ (H+D)，和抑制MHD行為，極大提高等離子體約束能力，理論上預測研究實驗上都觀察到降低從L模轉換到H模放電閾值功率，促進H模等離子體的獲得，也有利於高參數、長脈衝放電。目前可以確認鋰化壁處理是EAST目前的最佳壁處理模式。這有可能從根本上改變託卡馬克等離子體的性質，為EAST更高參數、更長脈衝、高品質H模放電、提高離子迴旋加熱效率提供良好的第一壁條件，對ITER和將來的DEMO也有深遠的意義。
權利要求
1.一種利用金屬鋰塗層作為改善全超導託卡馬克第一壁燃料再循環的方法，其特徵在於，包括有鋰化坩堝系統、波紋管傳送系統，所述的鋰化坩堝系統包括有鋰化坩堝、加熱系統、測溫系統，加熱系統的加熱裝置為加熱絲，所述的鋰化坩堝為敞口坩堝，鋰化坩堝內部的中間位置設有一個垂直於坩堝底部的擋板，擋板的頂部開有一個槽，位於擋板一側的鋰化坩堝的底部開有一個孔一，鋰化坩堝頂部內側設有凹臺，凹臺上放有蓋板，蓋板上開有一個與坩堝底部的孔一相對應的孔二，蓋板與鋰化坩堝配合使用； 具體包括以下步驟 對磁約束裝置真空室進行抽氣檢漏； 在99. 9%的高純氬的保護下將固態的鋰棒放入鋰化坩堝內底部無孔的一側； 使用離子迴旋射頻波(ICRF)產生的脈衝式等離子體放電對磁約束裝置真空室內的第一壁進行清洗；放電的參數為工作氣體為氦，PHe=0. 05Pa，功率20-30kW，佔空比為I秒開並I秒關，放電清洗時間為1-2小時； 在ICRF等離子體放電清洗過程中，將鋰化坩堝通過波紋管傳送系統壓縮送入到磁約束裝置真空室內； 放電清洗結束後，調節加熱系統中加熱絲的電壓，開始進行鋰棒加熱，當溫度加熱到大約攝氏300度左右，在真空室內的鋰化坩堝附近開始泛紅，隨著坩堝溫度的逐漸增加，真空室內顏色逐漸變成血紅色，而且越來越紅；最終鋰化坩堝的蒸發溫度穩定在攝氏550-600度； 鋰將從坩堝蒸發，在電場作用下將鋰離子彌散，擴散到真空室內，通過以下兩種不同的機制塗覆到第一壁上 ①通過ICRF等離子體電離，在環向均勻ICRF等離子體的作用下彌散到第一壁，實現第一壁的均勻塗覆；具體操作如下 蓋板置於鋰化坩堝頂部的凹臺上，鋰蒸汽從蓋板上的孔二和鋰化坩堝底部的孔一中擴散出來進入真空室，在有強磁場的條件下，注入20-30千瓦的射頻波，使其產生均勻的脈衝式等離子體放電，放電介質為氦氣，在放電的過程中，鋰離子被均勻的塗覆到第一壁表面，通過控制鋰化坩堝的加熱溫度及鋰化坩堝加熱時間的長短來控制鋰的蒸發量，從而控制鋰塗層的厚度為10-20納米； ②通過化學氣相沉積的方式實現鋰塗覆，根據不同等離子物理放電的需要，通過使用設計巧妙的鋰蒸發坩堝和使用不同的蓋板，靈活實現對第一壁表面局部和整體進行塗覆；具體操作如下 帶有孔的蓋板放在鋰化坩堝頂部的凹臺上，鋰蒸汽從蓋板上的孔二和鋰化坩堝底部的孔一中擴散出來，鋰蒸氣進入真空室後，向上、下兩個方向發散，通過化學氣相沉積的方式實現真空室內上、下偏濾器區域的整體塗覆，通過控制鋰化坩堝的加熱溫度及鋰化坩堝加熱時間的長短來控制鋰的蒸發量，從而控制鋰塗層的厚度為10-20納米。
2.根據權利要求I所述的利用金屬鋰塗層作為改善全超導託卡馬克第一壁燃料再循環的方法，其特徵在於，所述的通過化學氣相沉積的方式實現鋰塗覆，還可以使用小蓋板分別蓋上鋰化坩堝的底部和頂部的小孔，鋰蒸汽將分別從坩堝頂部蓋板上的孔二及底部的孔一中發射出來，分別向上和向下兩個方向發射鋰蒸汽，通過化學氣相沉積的方式分別實現上偏濾器及下偏濾器的局部塗覆。
3.根據權利要求I所述的利用金屬鋰塗層作為改善全超導託卡馬克第一壁燃料再循環的方法，其特徵在於，所述的鋰化坩堝和擋板、蓋板的材料為耐鋰腐蝕的316L不鏽鋼。
4.根據權利要求I所述的利用金屬鋰塗層作為改善全超導託卡馬克第一壁燃料再循環的方法，，其特徵在於，所述的加熱絲的參數為220V，27 Q，I. 5kW。
全文摘要
本發明公開了一種利用金屬鋰塗層作為改善全超導託卡馬克第一壁燃料再循環的方法，包括有鋰化坩堝系統、波紋管傳送系統，鋰化坩堝系統包括有鋰化坩堝、加熱系統、測溫系統，加熱系統的加熱裝置為加熱絲，通過射頻放電輔助沉積或化學氣象沉積的方法對磁約束裝置真空室內第一壁表面塗覆10-20納米金屬鋰塗層，以實現對第一壁材料的改性，滿足聚變等離子體對第一壁低雜質汙染、低再循環的苛刻要求。本發明通過對第一壁表面實施鋰塗層，可以快速、經濟、有效的實現對等離子體性能的改善，以便滿足不同等離子體物理試驗的需求。
文檔編號C23C14/32GK102653856SQ20121011153
公開日2012年9月5日 申請日期2012年4月16日 優先權日2012年4月16日
發明者孫震, 左桂忠, 李建剛, 胡建生 申請人:中國科學院等離子體物理研究所