四、 等离子体与壁的相互作用(至偏滤器).

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1、四、离子体与器壁的相互作用导言1：第一壁的三个作用（燃烧plasma）（1）保证高真空；（2）吸收a粒子能量、辅助加热的能量（3）能将聚变反应产生的He离子中性化，再抽出托卡马克。导言2：等离子体与第一壁表面的相互作用（PSI:plasmasurfaceinteraction）不可避免，是磁约束聚变的必需面临的问题。导言3：面对等离子体材料和等离子体间的相互作用非常复杂，主要考虑两种影响。（1）器壁对等离子体的影响面向等离子体物质材料放出的各种粒子（包括所吸附的工作气体、杂质气体和组成材料本身的元素），进入等离子体约束区后对等离子

2、体约束特性造成的影响。（2）等离子体对器壁的影响器壁材料受等离子体中粒子、辐射作用后产生损伤。1.托卡马克燃烧plasma对PlasmaFacingMaterials（PFMS）的相互作用――概要介绍●相互作用中的主要载能体：●燃烧等离子体中的中子（14.1Mev）；●燃烧等离子体中的阿尔法粒子（3.5Mev）；●D、T离子，电子：(通常情况，主要由离子造成第一壁损失)●电磁辐射（x射线，紫外、可见、红外热）；附：托卡马克中流向壁的热通量与其他过程的比较太阳表面的辐射通量●相互作用的形式（解释部分术语）――――――――――上图中相

3、关名词解释：物理溅射：入射粒子（高于阈能）+固体原子è自由原子or离子；特性：l入射粒子、靶原子之间的传递有关（传递系数∝M1M2/(M1＋M2)2l与靶物质的表面能有关；l与入射粒子、靶物质的化学性质无关；l与靶物质温度无关；l任何物质均可以被物理溅射。辐射增强升华(Radiationenhancedsublimation，RES)；发生区域T>1500oC；在高能粒子轰击下，靶材料内部产生间隙原子、空穴（成对产生）；当靶材料温度低时，间隙原子、空穴很快复合；当靶材料温度高时，间隙原子向靶表面运动，间隙与周围原子的结合能低，可以

4、热解吸èèè辐射增强升华。碳、金属均可以产生辐射增强升华。化学溅射：入射粒子与固体表面物质结合，形成可挥发的分子。在PFMs中主要发生在碳材料中，如H、O与C结合成CH或CO等（说明：以上过程直接造成物质损耗，以下过程造成物性恶化）起泡：大量氦气进入器壁会引起壁材料起泡等物理现象，使材料性能变质辐照损伤：长期高能中子辐照使材料原子核发生位移，肿胀、硬化、脆化和蠕变等变化；核活化：元素与中子发生核反应，产生新的放射性核素。再沉积（redeposition）：见下图。―――――――――――●在上面多种作用下，聚变堆第一壁必须满足指标要

5、求：（1）高热导率，高熔点，在稳态运行下，能承受10MW/m2的热通量；（2）高腐蚀率，具有可以接受的使用寿命（如在ITER中可以放电3000次，ITER每次放电1000秒）；（3）高机械强度；（4）低出气率；（5）第一壁中氚滞留的质量不能超过350克。●对第一壁作用中的基本问题壁处理：除去杂质（Z>2，特别是氧）、降低氘（氢）的再循环；面对等离子体的材料选择低Z（主要是碳、铍）材料、高Z材料：W、Mo，腐蚀和再沉积；氚的滞留和去除；中子辐照（邱励俭书有详细论述）中子造成材料损伤的说明对材料性能影响最大的是中子辐照；而且需要中子穿

6、过第一壁、进入包层（在包层中通过反应生产氚，产生热量发电）。中子造成的损伤有：Ø产生原子位移，造成缺陷（可由退火过程逆转）；Ø脆化、肿胀（swelling）（不可逆转）；Ø原子嬗变（不可逆）。●等离子体与第一壁相互作用的影响结果对壁：造成壁材料损伤（辐照、活化、蒸发、溅射、起泡）、影响系统安全、寿命；对等离子体：等离子体参数、能量约束时间下降。●等离子体与第一壁相互作用的实验例子Ø托卡马克放电对第一壁的影响êêêêêêêêêê.Ø第一壁材料对托卡马克等离子体的影响（涡流等电磁effects除外）影响1：壁物质成分进入等离子体，影响

7、燃料粒子再循环壁循环解释：离子约束时间小于放电时间；一次放电中，离子与壁作用多次（碰壁复合，成为中性粒子，被壁吸附，受热或轰击后进入等离子体，再次电离，由此反复循环）；希望：循环小。上图：在不同壁处理条件下，注入H2后H2分压随时间的变化。(O)nodischarge；(●)硼化；(+),硅化；(æ)镀锂膜。&结果：氢循环，镀Li最好（氢最低）&H循环机理：u壁材料可以物理吸附、或化学吸附H2分子；u硼化壁吸收H2.ààH2循环高u硅化、镀锂膜时，壁不吸附H2，对H原子、离子由很强的亲合力ààH2循环低。影响2：壁材料进入等离子体

8、，有效Z提高，等离子体辐射功率增加（有图说明）上图：不同壁处理下芯部等离子体热辐射随时间的变化（HL-1M）●沉积B4C膜（硼化）DC辉光放电镀膜，气体:C2B10Hè沉积a-B/C:H，厚度50–70nm；●沉积硅膜（硅化）DC放电，气体：He＋