磁约束装置等离子体与壁的相互作用
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磁约束装置等离子体与壁 的相互作用
ASIPP
HT-7
Plasma production
P a ) P a rtia l p re s s u re × ( P a )
B efore ICRF wall conditioning
• Resonant lays inside VV
4
18
3.5
Enough E
第二是物质材料本身受等离子体中粒子长 期作用后的损伤。
磁约束装置等离子体与壁 的相互作用
壁附近最基本分布图像
边界氢分布
磁约束装置等离子体与壁 的相互作用
Plasma configuration and internal structure
940.5 1664
磁约束装置等离子体与壁 的相互作用
基本图像及过程
磁约束装置等离子体与壁 的相互作用
Why O must be reduced?
Higher density limit due to lower O content
磁约束装置等离子体与壁 的相互作用
氧杂质问题
• 在石墨限制器中，氧起着特殊的作用。当高能氧 离子先滞留在植入区，直到每个碳原子+约0.25 个氧原子，而后它以CO和CO2的形态再发射，其 产额接近1。
• 损伤机制：
• 溅射；蒸发；解吸；起弧；背散射；反扩散； 表面起泡；氢在晶界处析出等；中子辐照引起 的体损伤等
磁约束装置等离子体与壁 的相互作用
面对等离子体材料和等离子体间的相互 作用非常复杂
第一是器壁（或更一般的面向等离子体物 质材料）中放出的各种粒子（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 离子体约束特性造成的影响；
• 这些分子不都是以热能的形式释放，而显示有 一约0.25eV的快成份。在主等离子体中有较高的 穿透几率，在吸解和电离后，CO和CO2成为等离 子体碳杂质和氧杂质源。
• 氧离子轰击碳形成CO和CO2差不多为1的产额 及其挥发性意味着：在碳壁装置中氧以接近于1的 再循环系数再循环。
磁约束装置等离子体与壁 的相互作用
• This might be done with main discharges themselves but time consuming by low power cw discharges
• Lacking in O,H makes wide area of walls a good sink of the particles(wall pumping)
Why hydrogen recycling must be reduced
• 石hi墨gh中e因r H多f孔ac而to吸r 附du的eHto2和loHw2eOr，reCcOy和cliCnOg2气
体以及石墨中因H粒子的化学溅射而产生的挥发 性CHx等参与再循环，使得燃料粒子的再循环有 可能大于1
磁约束装置等离子体与壁 的相互作用
磁约束装置等离子体与壁的 相互作用
磁约束装置等离子体与壁 的相互作用
内容
• 基本概念和图像； • 基本问题； • 壁处理； • 石墨材料； • 目前该领域的前沿问题 • 稳态运行下的重要问题 • 下一代装置的新问题。
磁约束装置等离子体与壁 的相互作用
几个较为重要的概念
• 物理溅射：入射粒子+固体原子-自由原子 E=（m1+m2)2 W0 /4m1m2
• 化学溅射：入射粒子与碳结合成挥发分子。 主要发生在碳材料中。如H、O与C结合 成CH或CO等
• 辐射增强升华 (Radiation enhanced sublimation)；T>1500C
• 热升华；再循环；
• 解吸和起弧.
磁约束装置等离子体与壁 的相互作用
基本概念
• PMI过程一方面会造成PFM的损伤；另一方面 会给等离子体引入杂质，此外还将对燃料粒子 的再循环产生影响。
3 2.5
Suitable filling pressure
2 1Fra Baidu bibliotek5
19
28
17
1
• Te: He 4~10eV
0.5 2 3 4
16
0
46
H2 2~5eV • Ti :H2: 0.5~ 2keV,
D2: 0.3~0.5 keV high tail up to 30keV • ne~ 0.5 ~ 3x1017m-3
• 中子辐照后材料活化及变性
磁约束装置等离子体与壁 的相互作用
等离子体与壁相互作用中的基本问题
• 壁处理：除去杂质（Z>2，特别是氧）、 降底氢的再循环。
• 面对等离子体的材料低Z（主要是碳、铍） 材料、高Z材料：W、Mo。
• Erosion and redeposition; • 氚及灰的滞留和去除； • 中子辐照
磁约束装置等离子体与壁 的相互作用
边缘等离子体和其周围壁的相互作用将对等 离子体芯部产生重要的影响
• 边缘等离子体是热绝缘层，同时控制杂质进入 到等离子体芯部；
• 壁受很强的热负荷以及来自芯部粒子的轰击， 材料腐蚀及杂质产生；
• 氢的再循环过程的控制及对等离子体密度控制 的影响；
• 在热和粒子作用下材料性能的稳定及使用安全 性/微观结构的变化
壁处理的方法
• 烘烤：100-350C，去除装置中的水。 • GDC: H2(He),0.2-2kV, 1-5A, E=eV,去除装
置中的去氧、碳等轻杂质。 • TDC: 高频率的短脉冲等离子体放电，去除
装置中的去氧、碳等轻杂质。 • 射频清洗：在有磁场的情况下，利用离子
回旋共振产生等离子体，去除装置中的去 氧、碳等轻杂质。
• To deplete oxygen and hydrogen on the top surface of the plasma facing walls Discharge Cleaning: O, H from walls to pump Gettering, coating: O,H depleted fresh film
磁约束装置等离子体与壁 的相互作用
壁处理的目的
• 1、降底杂质，特别是氧（重杂质含量小于 0.02%，轻杂质控制在2-3%以下）
• 2、控制再循环 • 3、屏蔽金属（来自第一壁）杂质 • 4、去除C/D复合涂层
磁约束装置等离子体与壁 的相互作用
Role of the wall conditioning
ASIPP
HT-7
Plasma production
P a ) P a rtia l p re s s u re × ( P a )
B efore ICRF wall conditioning
• Resonant lays inside VV
4
18
3.5
Enough E
第二是物质材料本身受等离子体中粒子长 期作用后的损伤。
磁约束装置等离子体与壁 的相互作用
壁附近最基本分布图像
边界氢分布
磁约束装置等离子体与壁 的相互作用
Plasma configuration and internal structure
940.5 1664
磁约束装置等离子体与壁 的相互作用
基本图像及过程
磁约束装置等离子体与壁 的相互作用
Why O must be reduced?
Higher density limit due to lower O content
磁约束装置等离子体与壁 的相互作用
氧杂质问题
• 在石墨限制器中，氧起着特殊的作用。当高能氧 离子先滞留在植入区，直到每个碳原子+约0.25 个氧原子，而后它以CO和CO2的形态再发射，其 产额接近1。
• 损伤机制：
• 溅射；蒸发；解吸；起弧；背散射；反扩散； 表面起泡；氢在晶界处析出等；中子辐照引起 的体损伤等
磁约束装置等离子体与壁 的相互作用
面对等离子体材料和等离子体间的相互 作用非常复杂
第一是器壁（或更一般的面向等离子体物 质材料）中放出的各种粒子（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 离子体约束特性造成的影响；
• 这些分子不都是以热能的形式释放，而显示有 一约0.25eV的快成份。在主等离子体中有较高的 穿透几率，在吸解和电离后，CO和CO2成为等离 子体碳杂质和氧杂质源。
• 氧离子轰击碳形成CO和CO2差不多为1的产额 及其挥发性意味着：在碳壁装置中氧以接近于1的 再循环系数再循环。
磁约束装置等离子体与壁 的相互作用
• This might be done with main discharges themselves but time consuming by low power cw discharges
• Lacking in O,H makes wide area of walls a good sink of the particles(wall pumping)
Why hydrogen recycling must be reduced
• 石hi墨gh中e因r H多f孔ac而to吸r 附du的eHto2和loHw2eOr，reCcOy和cliCnOg2气
体以及石墨中因H粒子的化学溅射而产生的挥发 性CHx等参与再循环，使得燃料粒子的再循环有 可能大于1
磁约束装置等离子体与壁 的相互作用
磁约束装置等离子体与壁的 相互作用
磁约束装置等离子体与壁 的相互作用
内容
• 基本概念和图像； • 基本问题； • 壁处理； • 石墨材料； • 目前该领域的前沿问题 • 稳态运行下的重要问题 • 下一代装置的新问题。
磁约束装置等离子体与壁 的相互作用
几个较为重要的概念
• 物理溅射：入射粒子+固体原子-自由原子 E=（m1+m2)2 W0 /4m1m2
• 化学溅射：入射粒子与碳结合成挥发分子。 主要发生在碳材料中。如H、O与C结合 成CH或CO等
• 辐射增强升华 (Radiation enhanced sublimation)；T>1500C
• 热升华；再循环；
• 解吸和起弧.
磁约束装置等离子体与壁 的相互作用
基本概念
• PMI过程一方面会造成PFM的损伤；另一方面 会给等离子体引入杂质，此外还将对燃料粒子 的再循环产生影响。
3 2.5
Suitable filling pressure
2 1Fra Baidu bibliotek5
19
28
17
1
• Te: He 4~10eV
0.5 2 3 4
16
0
46
H2 2~5eV • Ti :H2: 0.5~ 2keV,
D2: 0.3~0.5 keV high tail up to 30keV • ne~ 0.5 ~ 3x1017m-3
• 中子辐照后材料活化及变性
磁约束装置等离子体与壁 的相互作用
等离子体与壁相互作用中的基本问题
• 壁处理：除去杂质（Z>2，特别是氧）、 降底氢的再循环。
• 面对等离子体的材料低Z（主要是碳、铍） 材料、高Z材料：W、Mo。
• Erosion and redeposition; • 氚及灰的滞留和去除； • 中子辐照
磁约束装置等离子体与壁 的相互作用
边缘等离子体和其周围壁的相互作用将对等 离子体芯部产生重要的影响
• 边缘等离子体是热绝缘层，同时控制杂质进入 到等离子体芯部；
• 壁受很强的热负荷以及来自芯部粒子的轰击， 材料腐蚀及杂质产生；
• 氢的再循环过程的控制及对等离子体密度控制 的影响；
• 在热和粒子作用下材料性能的稳定及使用安全 性/微观结构的变化
壁处理的方法
• 烘烤：100-350C，去除装置中的水。 • GDC: H2(He),0.2-2kV, 1-5A, E=eV,去除装
置中的去氧、碳等轻杂质。 • TDC: 高频率的短脉冲等离子体放电，去除
装置中的去氧、碳等轻杂质。 • 射频清洗：在有磁场的情况下，利用离子
回旋共振产生等离子体，去除装置中的去 氧、碳等轻杂质。
• To deplete oxygen and hydrogen on the top surface of the plasma facing walls Discharge Cleaning: O, H from walls to pump Gettering, coating: O,H depleted fresh film
磁约束装置等离子体与壁 的相互作用
壁处理的目的
• 1、降底杂质，特别是氧（重杂质含量小于 0.02%，轻杂质控制在2-3%以下）
• 2、控制再循环 • 3、屏蔽金属（来自第一壁）杂质 • 4、去除C/D复合涂层
磁约束装置等离子体与壁 的相互作用
Role of the wall conditioning