专利名称：直流辉光氧等离子体去除核聚变装置第一壁氢滞留的方法
技术领域：
本发明涉及真空技术和磁约束聚变领域；具体是一种核聚变装置中直流辉光 氧等离子体去除在第一壁的氢滞留的壁处理方法。
背景技术：
杂质抑制是托卡马克运行的重要课题。目前的托卡马克需要通过第一壁锻炼 限制等离子体中的杂质，获得高品质的等离子体。而在即将进行的准稳态高参数 等离子体运行的全超导托卡马克装置中，如EAST、 ITER,除了完成杂质限制外， 还需要解决真空室里的氢同位素的滞留。在托卡马克聚变实验装置中进行 a-C:H(D， T)的沉积层的清除技术和机制的研究，能为EAST和以后的聚变堆的建 造、运行和实验提供科学认识。
由于石墨材料低的原子序数和良好的热性能，它被普遍做为目前聚变装置的 第一壁材料，并且将是EAST第一壁主要材料。然而，以碳材料为第一壁装置，碳 的腐蚀及其再沉积导致的氢同位素的滞留将严重影响粒子的再循环，影响等离子 体的密度控制，影响装置的经济有效的运行，并且在未来装置中氚的滞留也会带 来严重的安全问题和环境问题。在HT-7上， 一般氘等离子体放电过程中，超过90% 氘在放电结束前滞留在真空室内，并有约60%的氘永久滞留在真空室内。氘在肌-7 装置中大量滞留也是制约长脉冲等离子体运行的重要因素之一。在ITER的设计参 数中，可以看到氘/氚的滞留高达2-5g/pulse，而在第一壁上的滞留只能限制在 350g以下，否则等离子体将无法有效运行，意味着每70-175次等离子放电后就需 要对氘/氚进行清除。
HT-7装置是一个石墨限制器类型的托卡马克装置；在即将进行准稳态高参数 运行的EAST装置中，碳材料的第一壁的面积约为60m2，将会产生大量的再沉积层， 并导致大量氘的滞留，将导致大量粒子再循环，破坏等离子体密度控制，从而影 响装置有效运行。这些都要求在装置等离子体运行期间，能够快速进行氢同位素 的清除，而在装置内直接研究快速有效的再沉积层的清除技术是非常必要的。理论上，氢同位素可以通过热解吸或者离子感应解吸的方式从材料中清除。 然而，氢同位素从碳材料中热解吸出来所需要的温度相当高(典型的需要900K)。 为了减少第一壁的放气量，提高极限真空度，必须充分清除第一壁上吸附的气体。 最常用的方法是升高第一壁的温度，但这受到密封材料和周围条件的限制。如果 同时或者随后进行等离子体辅助壁处理，烘烤效果可以得到增强。目前托卡马克 实验装置上一般采用采用氦气、氩气，利用低能量的直流辉光放电清洗(GDC)、 基于射频技术的离子回旋辅助放电(ICRF)和电子回旋辅助放电(ECRF)等技术 得以实现。并且这些常规放电清洗作用深度受到离子能量的限制，只能清洗几个 纳米的深度，无法清除在几十微米厚的再沉积层中俘获的氢同位素。这样，从 厚的再沉积层中清除氢同位素需要清除再沉积层本身。在氧存在的条件下通过等 离子放电产生氧化反应，或者机械剥离的方式有可能清除再沉积层本身。
直流辉光放电清洗技术(GDC)是一种很常规的、历史悠久的壁处理技术。在 直流辉光氧等离子体放电(O-GDC)放电中，氧被分解和电离，形成较高能量的 氧粒子，能有效地与壁表面再沉积层相互作用。0-GDC中具有若干优点。 一、作 用面积比较大；二、工作压强比较高；三、操作相对简单。在HT-7装置中，直 流辉光氧化壁处理主要包括纯氧和He/0混合物下的不同气压氧化实验，以及长 时间的氧化实验等。主要研究目标是(1)直流辉光氧化壁处理中再沉积层和氢 清除的研究；(2)工作气体成分、工作气压以及壁处理时间对再沉积层和氢的清 除效果影响的研究；(3)直流辉光氧化壁处理后氧的清除。
在HT-7和EAST超导托卡马克装置中，采用对未来装置最具实用价值的热壁 直流辉光氧化壁处理技术，直接研究快速有效的碳一氢再沉积层的清除，同时优 化其它气体直流辉光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，为解决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，提高密度控制能力有非常重要的意 义。也可以为ITER聚变装置中氚的滞留提供实验基础和数据积累，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。
发明内容
本发明公开了一种直流辉光氧等离子体去除核聚变装置第一壁氢滞留的方法，为核聚变装置等离子体物理实验经济有效运行创造优化的壁条件，减少未来 装置放射性氚在第 一壁滞留导致的安全和环境问题。 本发明的技术方案如下
直流辉光氧等离子体去除核聚变装置第一壁氢滞留的方法，其特征在于 (1)利用等离子体辅助下氧与碳氢再沉积层发生化学反应的方法在核聚 变装置第一壁壁温为400-470K的情况下，对核聚变装置真空室充入纯氧气或者 充入含10-90%氦气的氦氧混合气体，使用直流辉光放电激发产生氧等离子体 1-10小时，对真空室第一壁进行有效的轰击和相互作用，有效地清除滞留在第
一壁上的氢滞留，达到对第一壁再沉积层清除的作用，同时清除再沉积层中氢同
位素；
(2)在采用直流辉光放电激发氧等离子体去除核聚变装置第一壁氢滞留后， 向真空室通入氦气或者氘气，使用直流辉光放电激发产生氦或者気等离子体2-3 小时，清洗清除在第一壁滞留的氧，实现等离子体快速恢复。
所述的直流辉光氧等离子体去除核聚变装置第一壁氢滞留的方法，其特征在 于利用核聚变装置内烘烤系统，将器第一壁烘烤到400-470K;真空室所充氦 和氧混合气体的比例为10%氧和90°/。氦，充气气压10-20Pa。
所述的直流辉光氧等离子体去除核聚变装置第一壁氢滞留的方法，其特征在
于所述的直流辉光放电是以真空室为负极，2-4根伸入真空室中电极为正极，
正、负极之间施加电压为1-2千伏，将气体击穿并产生稳定的直流辉光放电，待 直流辉光放电正常后，调节辉光放电电流每个电极为2-4A，并将放电电压稳定 在200-300V，气压稳定在0. 5-10Pa。
根据装置内碳和氢共同沉积的特点，使用等离子体辅助化学清除方法，在 HT-7超导托卡马克和与ITER相似位型的EAST装置上，在壁温为400-470K的 情况下，采用直流辉光等离子体技术，采用与碳和氢都易于发生化学反应的氧气， 形成射频氧等离子体，实现第一壁碳氢再沉积层的清除，从而有效地清除滞留在 装置第一壁上的氢滞留。氧化壁处理结束后，采用氦或者氘辉光放电清洗清除在 第一壁滞留的氧，实现等离子体快速恢复。
直流辉光氧等离子体放电(O-GDC)具有两点优点 (1)具有较高的再沉积层清除率。(2)可以对GDC等离子体照射到的所有表面上的再沉积层都可以进行有效清除。虽然直流辉光氧等离子体放电在很强的磁场环境中不能应用，但为了解决氢同位素(主要是氚)的滞留在装置维修或者暴露大气情况下对人员和环境的影响，则不需要考虑处理时间的长短，也不用考虑氧滞留对后续放电的影响，适合于未来大型托卡马克装置的应用。
本发明是一个独特和有效的技术方法，为清除第一壁再沉积层、降低装置内氢滞留，降低粒子再循环，为核聚变装置高效运行创造很好的壁条件，为未来核聚变装置减少放射性氚在第一壁滞留导致的安全和环境问题。
图1为HT-7直流辉光氧等离子体壁处理示意图
具体实施例方式
首先，利用核聚变实验装置HT-7内烘烤系统，将第一壁烘烤到400-470K，并对真空室充纯氧气，或者氦和氧混合气体，如10%氧和90%氦，充气气压10-20Pa。
在核聚变实验装置中使用直流辉光放电，以真空室为负极，2-4根伸入真空室中电极为正极，两极之间施加电压为电压为1-2千伏，将气体击穿并产生稳定的直流辉光等离子体放电，调节辉光放电电流每个电极为2-4A，并将电压稳定在200-300V，气压稳定在0. 5-10Pa。氧等离子体中的离子将对真空室第一壁进行有效的轰击和相互作用，在经过1-10小时的放电清洗后，达到对第一壁再沉积层清除的作用，同时清除再沉积层中氢同位素。
氧化壁处理结束后，采用氦或者D2直流辉光放电清洗清除在第一壁滞留的氧，调节辉光放电电流每个电极为2-4A，电压稳定在200-300V，气压稳定在0.5-10Pa。
在第一壁温度在400-470K的情况下，在没有纵场的条件下，在HT-7装置上成功进行了一系列的纯02和He/02混合物中直流辉光氧等离子体放电实验，并且开展了氦或氘直流辉光放电清洗实验。在直流辉光氧等离子体放电处理过程中，可以得到这样的结论碳沉积层的清除主要是以CO和C02的形式清除的；再沉积层中包含的H主要是以水的形式(HA HDO, D20)释放的。没有发现很明显的碳氢化合物的生成。-470K的情况下，直流辉光氧等离子体放电处理是一种在较低温度下清除再沉积层并释放氢在第一壁上滞留的有效方法。在直流辉光氧等离子体放电处理过程中，在较低的第一壁温度，400-470 K之间，D能够大量被释放，远远低于在真空状态下热烘烤所需要的温度(约800K)，也低于在中性气体氧化中所需要的温度(520-750K)。直流辉光放电促进了高能氧粒子同C:D膜之间的反应。在直流辉光氧等离子体放电处理中，H、 D总的的清除率比其以H2、 D2分子清除的清除率分别高20和50倍，表明大部分氢都同氧发生了氧化反应。如果考虑到水在相对低温的壁上的吸附，氢的实际释放比目前的估算还要高一些。
在纵场不存在的情况下，直流辉光氧等离子体放电能够对再沉积层进行快速地、可以控制地清除。在气压范围为0.5—1.5Pa，在145分钟内纯氧直流辉光氧等离子体放电对H、 D、 C的平均清除率分别为5.2 X 1022 H-atoms/hour,5 . 65X1021 D-atoms/hour和5. 53X 1022 C-atoms/hour。在121112的面对等离子体表面，相应地再沉积层的平均清除率为-1. 19ixm/day (26. 5g-C/day)。直流辉光氧等离子体放电处理对氢和再沉积层的清除效果明显比氦或氘直流辉光放电清洗高几十倍。
在直流辉光氧等离子体放电氧化壁实验中，氧的压强对氧化物的形成有很大影响。增加氧的分压，C和D的清除率增加，而H的清除率下降。取决于氧的供应量，C0可以转化为C02。在高的工作压强下，低的H清除率的原因可能是由于对装置充氧增加了第一壁间的热交换(而加热功率保持不变)，从而降低了内衬温度，以致降低。
He在直流辉光氧等离子体放电中促进了氧化反应，有利于再沉积层的清除和氢的释放，同时也降低了氧的滞留，有利于降低氧化实验对装置的污染。虽然在长时间直流辉光氧等离子体放电中，氧化反应速度和粒子清除率下降，但仍然维持相对高的水平，说明长时间的直流辉光氧等离子体放电仍然有利于再沉积层和H的清除。
氦或氘直流辉光放电清洗被证明是一种有效清除氧污染的手段。氖直流辉光放电清洗对H和0的清除效果明显优于氦直流辉光放电。
权利要求
1、直流辉光氧等离子体去除核聚变装置第一壁氢滞留的方法，其特征在于(1)利用等离子体辅助下氧与碳氢再沉积层发生化学反应的方法在核聚变装置第一壁壁温为400-470K的情况下，对核聚变装置真空室充入纯氧气或者充入含10-90％氦气的氦氧混合气体，使用直流辉光放电激发产生氧等离子体1-10小时，对真空室第一壁进行有效的轰击和相互作用，有效地清除滞留在第一壁上的氢滞留，达到对第一壁再沉积层清除的作用，同时清除再沉积层中氢同位素；(2)在采用直流辉光放电激发氧等离子体去除核聚变装置第一壁氢滞留后，向真空室通入氦气或者氘气，使用直流辉光放电激发产生氦或者氘等离子体2-3小时，清洗清除在第一壁滞留的氧，实现等离子体快速恢复。
2、 根据权利要求1所述的直流辉光氧等离子体去除核聚变装置第一壁氢滞留的 方法，其特征在于利用核聚变装置内烘烤系统，将器第一壁烘烤到400-470K; 真空室所充氦和氧混合气体的比例为10%氧和90%氦，充气气压10-20Pa。
3、 根据权利要求1所述的直流辉光氧等离子体去除核聚变装置第一壁氢滞留的 方法，其特征在于所述的直流辉光放电是以真空室为负极，2-4根伸入真空 室中电极为正极，正、负极之间施加电压为1-2千伏，将气体击穿并产生稳定的 直流辉光放电，待直流辉光放电正常后，调节辉光放电电流每个电极为2-4A， 并将放电电压稳定在200-300V，气压稳定在0. 5-10Pa。
全文摘要
本发明公开了直流辉光氧等离子体去除核聚变装置第一壁氢滞留的方法，主要是为核聚变装置等离子体物理实验经济有效运行创造优化的壁条件，减少未来装置放射性氚在第一壁滞留导致的安全和环境问题。本发明的特征在于根据装置内碳和氢共同沉积的特点，使用等离子体辅助化学清除方法，在HT-7超导托卡马克和与ITER相似位型的EAST装置上，在第一壁壁温为400-470K的情况下，采用直流辉光等离子体技术，采用与碳和氢都易于发生化学反应的氧气，形成射频氧等离子体，实现第一壁碳氢再沉积层的清除，从而有效地清除滞留在装置第一壁上的氢滞留。为清除第一壁再沉积层、降低装置内氢滞留，降低粒子再循环，为核聚变装置高效运行创造很好的壁条件，为未来核聚变装置减少放射性氚在第一壁滞留导致的安全和环境问题。
文档编号H05H1/24GK101533680SQ20091011659
公开日2009年9月16日 申请日期2009年4月20日 优先权日2009年4月20日
发明者李建刚, 王小明, 胡建生 申请人:中国科学院等离子体物理研究所