[科普中国]-等离子体杂质

杂志来源——等离子体与器壁表面相互作用

托卡马克装置中以氘和氚作为核聚变燃料，等离子体中除氘氚燃料粒子以外的粒子(包括氢和氦等)称作杂质。杂质来源之一是真空泄漏，但更主要的来源于等离子体辐照下的器壁解吸放气和腐蚀产物等。因此，聚变装置首先要求严格的检漏，以最大限度地减小真空泄漏导致的杂质流入量；进一步还必须通过合适的器壁锻炼工艺，例如烘烤、辉光放电清洗、壁表面硼化或硅化处理以及偏滤器位型放电等技术措施，来减缓和控制等离子体辐照器壁下的杂质释放，同时减少工质再循环以能有效地控制等离子体密度。所以，杂质来源可分为3个方面：(1)真空室残余气体(包括泄漏)；(2)等离子体和真空室第一壁相互作用而导致的器壁释放杂质，包括器壁解吸和器壁腐蚀，这是主要的杂质源；(3)聚变产物α粒子(氦离子)俘获电子后成为氦原子，被称作聚变堆的氦灰。1

杂质对等离子体性能的影响杂质对等离子体性能的影响主要有两个效应：

(1)杂质增加等离子体的辐射功率损失。杂质导致两种主要的辐射过程。①韧致辐射——当电子在一个离子的电场中被减速时发生的辐射。韧致辐射功率随Zeff而增加。韧致辐射使聚变等离子体必须达到的最低等离子体温度有一个基本的限制。②线辐射——部分电离杂质离子的轨道电子在能级跃迁时发生的辐射。当杂质被完全电离而丢失所有电子，线辐射也就消失了。所以，对放电初期温度不高的等离子体，或高温等离子体的边缘，线辐射是主要的辐射损失方式。碳和氧等低Z杂质在高温等离子体中心会丢失所有的电子。但为要达到点火，必须克服杂质的辐射峰。点火是指单单依靠聚变反应释放的α粒子功率(总聚变功率的20%)，就足以维持聚变反应等离子体所需的温度的状态。碳的辐射峰位于10 eV左右。中z杂质铁和镍，高z杂质钨和钼，它们的辐射峰分别位于100 eV和1000eV附近。如含有0.1%的钨杂质就将使D-T等离子体不能实现点火。

(2)稀释等离子体的燃料离子密度，从而降低聚变反应堆的功率密度。托卡马克等离子体电流、密度和比压(等离子体压强与磁压强之比)都有一定的极限值。超过极限值，等离子体约束遭到破坏，等离子体电流瞬间降到零，这称为等离子体破裂。因此从电子密度和比压的运行极限考虑，一个杂质离子会产生多个电子，对一定的电子密度极限而言，一个完全电离的碳离子将需取代去6个燃料离子。所以，等离子体芯部只要有10%浓度的完全电离的碳杂质，就会使聚变堆输出功率减少50%。1

等离子体杂质水平的度量等离子体的总杂质水平采用等离子体的有效电荷数Zeff来度量，有

公式中的求和号下i包含所有离子的所有电离态。纯的氢等离子体的Zeff=1，杂质将使Zeff急剧增大。例如：HL-1等离子体Zeff≥1.5，JET等离子体Zeff通常在1．2～3范围内。1

等离子体杂质控制在杂质控制方面，15年来取得了重大的进展。在核聚变物理实验中，等离子体与第一壁相互作用产生的杂质及氢再循环问题是影响等离子体性能的关键因素之一。进行第一壁的涂层处理是获取良好的壁条件、抑制杂质及降低再循环最直接有效的办法。“九五”期间，在充分吸取国际聚变界先进经验的基础上，核工业西南物理研究院成功地在HL-1M装置上进行了装置第一壁的硼化、硅化及锂化研究，探索出了在不同参数条件下的优化壁处理方法，取得了丰硕的成果。实验证明，在HL-1M装置进行先进的壁处理后，等离子体的杂质浓度明显降低、等离子体辐射损失功率显著下降，有利于开展高密度等离子体的加料、加热、以及改善约束的物理实验研究。

壁的硼化技术在国际上是成熟的技术，在HL-1M装置曾得到过广泛应用，取得了很好的效果，然而含硼材料毒性很大，出于安全考虑，HL-1M装置近年来已逐渐放弃它的使用。壁锂化处理目前只有在美国的TFTR、日本的JIPPT-IIU等少数装置上采用，它是一种还在继续探索的新技术。在HL-1M装置上发展的锂化技术具有操作简单、费用低，而且成膜质量高，膜厚均匀可控，有效寿命较长等特点，是创新性成果。硅化技术具有费用低、使用方便、能有效清除难于排除的氧杂质等优点，目前正在HL-1M装置上广泛应用，取得了良好的效果。

随着器壁硼化、硅化、锂化等先进壁处理技术及等离子体反馈控制技术等的应用，HL-1M装置稳定运行区不断拓宽，为开展高参数物理实验准备了良好的条件。

壁处理在HT-7装置上也得到了广泛应用，取得了很好的效果，特别是探索出了在超导托卡马克装置上进行硼化的先进技术，研究了用粒子回旋共振加热(ICRH)进行硼化和硅化的技术，以及硼膜、硅膜的成膜特性，对硼化和硅化前后等离子体品质进行了比较，在此基础上进一步完善和改进了射频波清洗涂层的技术。

聚变装置第一壁的处理是获得高品质等离子体的关键，这已成为各国科学家的共识。对于常规的托卡马克装置，通过长期的研究，目前已发展出了基于直流辉光的清洗、硼化、硅化、锂化等一系列有效的第一壁处理手段。这对获得高品质、高温等离子体及热核聚变的研究做出了巨大的贡献。对于超导实验装置，由于存在一个恒定的磁场，使得直流辉光放电变得几乎不可能。以往为常规聚变装置所发展的基于直流辉光放电的第一壁处理手段已不可能应用于超导托卡马克上。因此有必要发展适合于超导托卡马克装置的新型的第一壁处理技术，以填补大型超导聚变装置在第一壁处理上的空白。

射频第一壁处理技术是想将一定功率、一定频率的高频电磁波通过离子回旋共振加热系统注入到超导托卡马克中，利用超导托卡马克中存在的恒定磁场而存在波的共振层这一特性，将超导托卡马克中的中性气体电离，产生稀薄等离子体。利用此稀薄等离子体与器壁的相互作用来达到清洗、硼化、硅化、锂化等第一壁处理的目的。目前基于射频技术的第一壁的处理技术研究并不多见。仅有少数几家聚变实验室开展了初期的研究工作。随着新一代大型超导聚变装置建设的临近，大型超导聚变装置第一壁处理的问题已引起国际聚变界的重视。

几年来，在HT-7超导托卡马克上发展起来的全新的壁处理技术，即射频壁处理技术，是针对未来超导聚变堆而发展起来的先进技术。包括对第一壁杂质的清洗、氢及再循环控制、硼化和硅化等多项内容。

利用离子回旋波能十分有效地产生射频等离子体。与辉光放电等离子体相比，射频等离子体的密度要高5～10倍，离子温度高达1~2keV，高出辉光等离子体离子温度三个量级。因此对第一壁轰击能量和密度都要比辉光等离子体高很多倍，从而可以高效快速的清除吸附在第一壁表面的杂质粒子。工作气体可采用氦和氘。射频氦等离子体对除氢和再循环控制特别有效，而氘射频等离子体对杂质的去除则更加快捷。杂质的清除效率特别高。三年的实验结果表明，利用射频技术，对氢的清除率是辉光清洗的20倍，而对水和一氧化碳等杂质的清除率则比辉光放电高出两个量级以上。

在装置中充硅烷或碳硼烷气体，就可以利用射频等离子体进行第一壁镀膜，即射频硼化和射频硅化。硼化或硅化的工艺差别不大，但所充的工作气体和处理过程大不一样。硼化处理包括预清洗、硼化和除氢三个过程，大约需4小时。而硅化则十分简单，无需预清洗和除氢处理，仅需要一小时。两种壁处理都能大大改善等离子体的性能，获得高品质等离子体。2