HT-7限制器的进一步改造 - EAST.PPT

聚变第一壁材料的研究进展与HT-7U第一壁材料研究 陈俊凌 2001年4月18日 面对等离子体材料 1970’s后期，PLT装置第一次使用石墨限制器 起因：PLT采用NBI辅助加热系统； 限制器：起初用W为限制器，但在高功率和低的等离子体密度情形下，获得了很高的边缘等离子体温度和功率密度，引发W的溅射，辐射损失大； 改进：用石墨限制器替代了W限制器，结果获得了巨大成功。主要原因在于石墨材料属于低Z材料，辐射损失小；表面过热时只会升华，而不熔化。 从此，炭材料成为核聚变装置中限制器和偏滤器设计时优先考虑的材料 到80年代中期许多托卡马克装置在运行时都采用石墨限制器或偏滤器板 与此同时，实验室中针对石墨材料的测试和模拟开始广泛进行，旨在阐明石墨与氢等离子体的化学反应 炭的化学腐蚀和RES行为； 中子辐照下炭材料的一些性能和结构变化； 炭与氢的同位素的共沉积行为； 目前炭材料仍然是世界范围内大型托卡马克的主要面对等离子体材料 除了作为限制器和偏滤器，炭材料还在扩大其使用范围，如覆盖整个真空壁 象TFTR，DIII-D，JT-60U，Tore Supra，ASDEX-U（现在在发展高Z的W）等采用全炭壁。 低化学溅射，抗RES，高热通量炭基复合材料成为目前的研究重点 炭材料内部改性（添加B，Si，Ti，V，Zr，Ni，W或其炭化物等）； 表面涂层（B4C，SiC，TiC，W等）； 高导热率石墨和CFC复合材料； 石墨（CFC材料）和铜热沉的连接技术及其性能评价。 硼化石墨已经在TEXTOR和DIIID，W7-X 等装置上获得成功应用。 问题：低的热导率是硼化石墨的主要缺点。 俄罗斯牌号为RG-Ti的掺杂石墨在TEXTOR上用作限制器； 取得了一些结果，但是主要问题是RG-Ti材料内存在的杂质影响仍然比较明 显；另外就是在热负荷达30MW/m2的情况下，材料表面温度高达2400℃，从 而引发炭的大量升华。 1994/1995年的一轮实验，将两块Ti掺杂石墨RG-Ti-91瓦片替代了石墨瓦片安装在ASDEX-U的偏滤器上，进行了实验。 结果：放电次数达670次，脉冲长度为2s。实验中观察到RG-Ti-91瓦片的安 装对放电性能没有影响，也就是说，在等离子体中没有检测到其它 杂质如Ti的存在。这两片瓦表面温升与其它的细晶粒石墨相比降低 了2倍。实验后对样品的表面检测发现，一些炭被腐蚀，TiC晶体颗 粒暴露在表面，这与实验室用离子束轰击后的结果是一致的。 CFC材料目前在装置上主要用作限制器和偏滤器板瓦 1. 纤维的导热高（主要原因） 2. 基体炭的导热（中间相沥青，CVI热解炭） 高导热炭纤维 VGCF（气相生长炭纤维），据报道单丝热导值可达1960W/mK 高模量中间相沥青炭纤维 高导热CFC复合材料 ASDEX-U用W涂层（几十～550μm）石墨（1m2?5m2）作为覆盖内壁发现中心等离子体钨杂质含量并没有明显增加; 石墨（CFC）表面W涂层作为偏滤器材料具有以下优点： 偏滤器的运行环境：热负荷约为10~30MW/m2；粒子负荷约为高于1019/cm2s；低的等离子体温度小于50eV; 可充分利用石墨或CFC材料的高热导及W材料的高的溅射域值; 偏滤器磁场位形设计还可防止溅射出的W杂质返回到芯部等离子体; 对于CFC和W,在高热负荷（1800MW/m2，1.5~2ms）等离子体破裂热冲击下的失重行为： 失重和腐蚀坑及融化的面积随着材料的温度升高变大； CFC表面的火花：高温下要小于低温下，与失重不一致；  建立HT-7装置中材料实验站问题 HT-7正在积极向国际化大装置迈进的过程中，李建刚老师已在积极筹划其进一步的改造工作，为抓住这一难得的机会，在HT-7装置的进一步改进中，考虑材料实验站的问题。 Test limiter加上必要的诊断就是一个很好的材料试验站，不仅TEXTOR装置这么做，象DIII－D偏滤器诊断上就有这样的材料试验送样和分析机构。改造中想将Test limiter考虑在进一步改造计划中，以前的送样结构中缺少对材料的诊断，如温度、光谱、摄像机初步成像和Ha等诊断措施，只能靠取出后的肉眼观察和其它分析，缺少对其在等离子体中的环境行为评价。 * 面临的任务： （1）开发高性能的新型材料； （2）探索大大提高现有材料性能