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发帖数: 15246 | 1 超导托卡马克被公认是探索、解决未来稳态聚变反应堆工程及物理问题的最有效途径。
中科院等离子体物理研究所是我国核聚变研究的重要基地。1994年通过国际合作成功研
制出HT-7超导托卡马克，这是一个可产生长脉冲高温等离子体的中型聚变研究装置。
2006年，中国自主设计、自主建造的全超导热核聚变实验装置EAST成功完成首次放电实
验，是世界上第一个成功建成运行的全超导非圆截面托卡马克核聚变实验装置。
针对为托卡马克放电提供基本的超高真空环境和良好的器壁条件，满足高参数长脉冲等
离子体放电，在EAST和HT-7装置上发展和改进了一系列的离子回旋壁处理前沿性技术，
开展了一系列等离子体与壁相互作用机理的实验研究。超导托卡马克由于纵场的长期存
在，常规的直流辉光清洗不能应用，而离子回旋壁处理可以在保持强的纵向磁场存在的
情况下工作，已成为国际热核聚变实验堆ITER装置优先考虑的壁处理技术。离子回旋壁
处理研究主要目标是降低装置杂质水平和控制粒子再循环，进一步的发展还将用于氢同
位素的清除，提高对等离子体密度的控制能力，改善等离子体约束性能，同时避免因超
导体反复励磁/退磁导致磁体寿命降低，提高装置经济有效的运行能力，对EAST超导装
置准稳态高参数运行，保证即将建设的ITER高效、安全运行有着现实而深远的意义。尤
其是在世界上第一个类ITER的全超导偏滤器全超导托卡马克EAST装置上利用专门为壁处
理设计的离子回旋天线，开展离子回旋壁处理尤为重要。
在HT-7、EAST超导装置上，分别在多种器壁条件下开展了离子回旋清洗，独立发展了一
系列离子回旋清洗、硼化、硅化、锂化等壁处理的研究，还开展了提供清除碳—氢共沉
积层以释放氢同位素为目标的射频氧化清除技术及其机制的研究，取得了一系列令国际
瞩目领先的前沿性、创新性研究成果，发表SCI文章20余篇，国际重大会议口头报告十
余次，特别是连续三届在国际等离子体与壁相互作用（PSI）大会均被邀请做大会报告
，其中李建刚研究员在第十九届PSI会议上作“Wall Conditioning towards the
Utilization in ITER”综述报告；申请并获批5项发明专利。
1、率先发展了新的离子回旋壁处理专用天线，拓展了离子回旋壁处理参数范围
包括HT-7装置在内的世界上主要托卡马克装置均采用与等离子体加热天线共用的离子回
旋壁处理天线，不仅工作气压范围非常有限，还容易发生打火，引起天线的损伤，为此
在EAST装置上研制了世界上唯一的不与离子回旋加热天线共用的壁处理天线，其功率可
以在300KW以内调节，波的频率为30MHz。离子回旋壁处理可以在2个特斯拉以上的强磁
场环境中长时间工作，并且可以通过改变磁场，实现对包括偏滤器在内的所有器壁的有
效清洗或改性。实验证明利用特别设计的离子回旋天线，壁处理参数范围明显提高，尤
其是EAST离子回旋壁处理工作气压可以达到几十帕，是国外装置上所能容许气压的几百
倍，易于利用离子回旋波获得等离子体，避免天线损伤，同时大大提高了粒子清除效率。
图1 EAST专门设计的用于离子回旋壁处理天线
2、大大优化离子回旋等离子体参数，改善等离子体均匀性，提高粒子清除率
采用He、D2作为工作气体的离子回旋清洗，可以在强的磁场条件下快速清除器壁所吸附
的杂质，可以在装置出现泄漏的情况下快速恢复放电，并在等离子体放电间隔清除氢同
位素，从而改善器壁状态，提高装置运行能力和改善等离子体品质。D2离子回旋清洗可
以有效的与氢进行同位素交换，有效地清除氢，降低等离子体中H/D比例，提高离子回
旋波对等离子体的加热效率，同时D2还可以与器壁所吸附的氧、碳等发生化学反应，有
利于杂质的清除。He离子回旋不仅可以有效清除杂质，也可以用于器壁所滞留的D2的清
除，有效降低器壁所吸附的D2，改善粒子再循环，提高对等离子体体密度的控制能力。
实验发现，在几个特斯拉背景纵场条件下，提高附加10%-20%的垂直场，改变了磁场的
拓扑结构，抵消了环效应带来的粒子漂移，可以有效的改善离子回旋等离子体的均匀度
，提高等离子体密度，改善对器壁清洗的效果。采用离子回旋清洗，其对杂质和氢同位
素清除能力均比辉光放电清洗高出数倍，可以提高清洗效率。
图2 典型的放电间隔离子回旋放电清洗 图3 全金属
壁条件下离子回旋放电清洗同工作气压的关系
图4 He和D2离子回旋清洗过程中气体分压及其演变情况
图5 附加垂直场对离子回旋放电等离子体均匀度的影响
3、积极探索和发展离子回旋等离子体涂层技术，实现面对等离子体材料表面的改性，
为等离子体放电提供良好的器壁状态
通过离子回旋壁处理，如硼化、硅化和锂化，降低等离子体杂质，可以实现等离子体的
高效运行，对提高等离子体参数具有极其重要的意义。尤其是锂化后，壁的再循环得到
有效的控制，高密度、大电流等离子体更容易获得。硼膜、硅膜，尤其是锂膜，对氧有
很强的吸附能力，并且对碳杂质和金属杂质产生屏蔽效果，降低装置内的杂质水平，对
提高等离子体运行效率，改善等离子体约束性能，提升等离子体运行参数都有非常显著
的效果。
在EAST装置上，首次采用了D2作为辅助气体开展了硼化，实验证明这种方法可以有效地
减低H/D比，有利于等离子体加热。另外，锂与氢同位素可以发生非常强的化学反应，
在第一壁上生成非常稳定LiH层，从而控制粒子再循环，提高对等离子体密度的控制能
力。离子回旋硼化形成的硼膜分布均匀，结构致密，在EAST装置中的寿命可以达到几个
星期，可以经受上千次高参数等离子体放电的轰击。硅化相对比较快速，可以在等离子
体放电间隔实现快速壁处理，快速恢复器壁状态。采用离子回旋放电技术所实现的锂膜
寿命明显比辉光放电所获得的锂膜具有更长的寿命。
图6 典型的离子回旋硼化过程及硼膜特性
图7 He和D2作为辅助气体的离子回旋硼化后H/D比变化
图8 离子回旋锂化过程中CCD图片(温度为锂的加热温度)
图9 锂化后等离子体辐射降低，电子温度明显提高
4、全面系统地开展了直接快速清除碳—氢共沉积层的射频氧化壁处理
在EAST装置上，利用离子回旋技术，成功开展了氧化壁处理实验，采用能在强磁场存在
下工作的、直接快速有效地清除碳—氢共沉积层的、对未来装置最具实用前景的热壁射
频氧化壁处理技术，同时优化其它气体射频壁处理技术以降低氧对装置的污染，满足氢
同位素的快速清除和等离子体的快速恢复两个方面，以解决EAST中准稳态高参数下等离
子体放电中氘在第一壁滞留问题，降低粒子再循环，提高密度控制能力。这一技术同时
也为ITER聚变装置中氚的滞留提供实验基础和数据积累，对实现持续经济有效的运行，
减少富含氚等放射性物质的第一壁器件对人体的伤害和对环境影响有非常重要的意义。
通过对HT-7和EAST装置氧化壁处理实验结果进行分析，优化出快速的射频氧化壁处理方
式，提高对再沉积层及氢的清除率，降低氧滞留。以及优化快速清除第一壁中所吸附的
氧方法，快速恢复器壁状态，以满足等离子体放电的要求。从不同的模型得到的结果均
表明一个小时O- ICR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
处理技术可以发展成为未来装置再沉积层和氚的有效清除手段。离子回旋氧化壁处理已
经成为未来ITER装置最有应用前景的碳氢共沉积层的清除技术，可以解决ITER装置氚滞
留导致的运行问题和安全问题。
图10 全碳壁离子回旋氧化壁处理过程中粒子清除率 图11 HT-7和EAST不
同壁条件下离子回旋氧化壁处理比较
图12 离子回旋氧化壁处理前后碳氢共沉积层清除情况
总之，离子回旋壁处理技术已经发展成为HT-7、EAST壁处理的最有效手段，已经成为HT
-7和EAST装置运行的常规技术，为等离子体放电提供了良好的器壁条件，保障了装置的
高效运行，为获得高参数长脉冲等离子体提供了良好的器壁条件，也为未来ITER装置的
壁处理，尤其为粒子再循环的控制提供了技术支持和数据积累。 |
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