专利名称：离子回旋氧等离子体清除磁约束装置中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，具体是一种离子回旋氧等离子体清 除磁约束装置中第一壁氢滞留的方法。
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HT-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，可以看到氖/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，尤其是等离子体放 电间隔中，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)。
并且离子感应解吸作用深度受到离子能量的限制，一般在等离子放电中只有几个 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。
EAST是一个全超导托卡马克装置，超导体反复励磁/退磁将导致磁体寿命降 低，并且需要满足等离子体放电间隔中氢同位素的清除，所以需要在在保持强的 纵向磁场存在的情况下进行氢同位素的清除。而离子回旋波清洗技术能够在强的 磁场环境中工作，为在全超导准温态高参数等离子体运行期间进行快速有效的氢 同位素清除提供了实验条件，所以开展离子回旋清洗技术及其物理机制的研究具 有非常重要的意义。ITER也将是全超导托卡马克装置，在EAST开展的先行实验 将为ITER装置中氚的清除提供实验数据和技术积累。
碳一氢再沉积层的离子回旋氧化清除技术及其机制的研究，对EAST超导装 置准稳态高参数运行、即将建设的ITER运行有着现实而深远的意义。为了在全 超导托卡马克EAST装置准稳态高参数物理实验中快速清除在第一壁的滞留的氢 同位素，同时为了避免因超导体反复励磁/退磁导致磁体寿命降低，提高装置经 济有效的运行能力，在保持强的纵向磁场存在的情况下，在HT-7和EAST超导托 卡马克装置中，采用能在强磁场存在下工作的、对未来装置最具实用价值的热壁 离子回旋氧化对第一壁的处理技术，直接研究快速有效的碳一氢再沉积层的清 除，同时优化其它气体离子回旋波对第一壁的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。另外，EAST作为在世界上第一个类ITER的全超导偏 滤器装置上开展热壁离子回旋氧化对第一壁的处理技术，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，减少富含氖 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
本发明的目的是提供一种离子回旋氧等离子体清除磁约束装置中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。 本发明采取的技术方案如下
离子回旋氧等离子体清除磁约束装置中第一壁氢滞留的方法，其特征在于 包括以下步骤
(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磁约
束装置第一壁壁温为400-470K的情况下，对真空室充入氧气或者充入含10-90% 氦气的氦氧混合气体，使用脉冲离子回旋波注入真空室放电激发产生氧等离子 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；(2)氧等离子体对第一壁的处理结束后，向真空室通入氦或者氘气，使用 脉冲离子回旋波注入真空室放电激发产生氦或者氘等离子体，对第一壁清洗，清 除在第一壁滞留的氧，并采用离子回旋硼化技术抑制氧的水平，实现等离子体快 速恢复。
所述的离子回旋氧等离子体清除磁约束装置中第一壁氢滞留的方法，其特征 在于利用磁约束装置内烘烤系统，将第一壁烘烤到400~470K;对真空室充入 氦和氧混合气体的比例为10%氧和90%氦。
所述的离子回旋氧等离子体清除磁约束装置中第一壁氢滞留的方法，其特征 在于所述的使用脉冲离子回旋波注入真空室放电激发产生氧等离子体，是使用
离子回旋天线，采用10-40kW脉冲离子回旋波，其频率为30MHZ ，氧等离子 体压强为0.01-0.1 Pa，纵向磁场保持在1.5-2.0T; —秒钟接通并断开一秒钟的脉 冲离子回旋波注入真空室，氧等离子体中的离子将对第一壁进行有效的轰击和相 互作用，在经过l-2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。
所述的离子回旋氧等离子体清除磁约束装置中第一壁氢滞留的方法，其特征 在于氧等离子体对第一壁的处理结束后，使用脉冲离子回旋波注入真空室放电 激发产生氦或者氘等离子体，其脉冲离子回旋波功率为10-20kW，频率为 30MHZ，氦或氘等离子体压强为0.05-0.1 Pa，纵向磁场保持在1.5-2.0T，经过 l-2小时的放电清洗。
所述的离子回旋氧等离子体清除磁约束装置中第一壁氢滞留的方法，其特征在于釆用离子回旋硼化技术抑制氧的水平，实现等离子体快速恢复，硼化材料
为C2B1QH12，离子回旋波功率为10-20kW，频率为30MHZ，纵向磁场保持在 1.5-2.0T。
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，纵向磁场保持在 1.5-2.0T的情况下，在壁温为400~470K的情况下，采用离子回旋等离子体技术， 采用与碳和氢都易于发生化学反应的氧气，形成离子回旋氧等离子体，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。同时这种对第一壁的处理可在纵场线圈不退磁的情况下进行，是更适 合于今后国际热核聚变实验堆ITER及未来聚变反应堆的一种对第一壁的处理 模式。
附图为HT-7离子回旋氧等离子体对第一壁的处理示意图。
具体实施例方式
离子回旋氧等离子体清除磁约束装置中第一壁氢滞留的方法，首先使用等离 子体辅助化学清除方法，纵向磁场保持在1.5-2.0T的情况下，首先将第一壁温烘 烤到400 470K，对真空室充入氧气或者一定比例的氦和氧混合气体，使用脉冲 离子回旋波注入激发氧等离子体放电，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。在于核聚变实验装置中使用离子回旋天 线，对第一壁的处理过程中的离子回旋波功率为10-40kW ，频率为30MHZ ， 氧等离子体压强为0.01-0.1 Pa 。 一秒钟接通并断开一秒钟的脉冲离子回旋波注 入激发产生氧等离子体。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1-2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。
在采用离子回旋氧等离子体去除核聚变装置第一壁氢滞留后，采用氦离子回 旋清洗清除在第一壁滞留的氧，并采用硼化技术抑制氧的水平，实现等离子体快 速恢复。氧等离子体对第一壁的处理结束后，采用氦离子回旋清洗清除在第一壁滞留的氧，离子回旋波功率为10-20kW，频率为30MHZ，氦等离子体压强为 0.05-0.1 Pa。采用离子回旋硼化技术抑制氧的水平，实现等离子体快速恢复。硼 化材料为C2B10H12，离子回旋波功率为10-20kW，频率为30MHZ。
在纵向磁场保持在1.5-2.0T的情况下，在HT-7和EAST超导托卡马克装置 上，离子回旋氧等离子体可以有效清除再沉积层和并释放氢同位素。长时间连 续脉冲离子回旋氧化被证明是最有效的粒子清除方法。
在离子回旋氧等离子体处理过程中，氘可以在400-500K的壁温情况下释放 出来，远低于烘烤出气所需要的温度。在离子回旋氧等离子体处理过程中，再沉 积层的清除主要以CO和C02形式抽除，氢的释放主要以水的形式释放。在He/O 混合气体离子回旋氧等离子体处理中，有很小比例的C-H化合物释放。离子回 旋氧等离子体处理具有对碳沉积层很好的清除效果，其清除率是氦离子回旋清洗 和氘离子回旋清洗高几十倍。离子回旋氧等离子体处理对H也有很好的清洗效 果，其清除率约是He-ICR清洗的4-6倍。He在He/O混合气体离子回旋氧等离 子体处理中能够提高氧化实验对再沉积层清除，提高氢的释放，同时也降低了氧 在壁上的滞留。高功率、高气压离子回旋氧等离子体处理有利于再沉积层清除和 氢的释放。
氦离子回旋清洗和気离子回旋清洗均可以有效地用来进行氧的清除，促进壁 状态的恢复。在He的环境中进行烘拷也能导致氧的较快解吸。高功率、高气压 He-ICR清洗更有利于氧的清除。氖离子回旋清洗具有很好除氧能力，对氧的清 除率可以达到约7 9xl0"O-atoms/hour，大约是氦离子回旋清洗的5-10倍。在离 子回旋氧等离子体处理后进行硼化有利于等离子体放电的恢复。
离子回旋氧等离子体处理可以在很强的磁场环境中应用，并且对再沉积层的 清除率相对比较高，非常适合于未来大型超导托卡马克装置的应用，使的其成为
最有应用前景的再沉积层清除技术。
权利要求
1、离子回旋氧等离子体清除磁约束装置中第一壁氢滞留的方法，其特征在于包括以下步骤(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磁约束装置第一壁壁温为400～470K的情况下，对真空室充入氧气或者充入含10-90％氦气的氦氧混合气体，使用脉冲离子回旋波注入真空室放电激发产生氧等离子体，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；(2)氧等离子体对第一壁的处理结束后，向真空室通入氦或者氘气，使用脉冲离子回旋波注入真空室放电激发产生氦或者氘等离子体，对第一壁清洗，清除在第一壁滞留的氧，并采用离子回旋硼化技术抑制氧的水平，实现等离子体快速恢复。
2、 根据权利要求1所述的离子回旋氧等离子体清除磁约束装置中第一壁氢滞留 的方法，其特征在于利用磁约束装置内烘烤系统，将第一壁烘烤到400~470K; 对真空室充入氦和氧混合气体的比例为10%氧和90%氦。
3、 根据权利要求1所述的离子回旋氧等离子体清除磁约束装置中第一壁氢滞留 的方法，其特征在于所述的使用脉冲离子回旋波注入真空室放电激发产生氧等 离子体，是使用离子回旋天线，采用10-40kW脉冲离子回旋波，其频率为 30MHZ ，氧等离子体压强为0.01-0.1 Pa，纵向磁场保持在1.5-2.0T; —秒钟接 通并断开一秒钟的脉冲离子回旋波注入真空室，氧等离子体中的离子将对第一壁 进行有效的轰击和相互作用，在经过l-2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。
4、 根据权利要求1所述的离子回旋氧等离子体清除磁约束装置中第一壁氢滞留 的方法，其特征在于氧等离子体对第一壁的处理结束后，使用脉冲离子回旋波 注入真空室放电激发产生氦或者氘等离子体，其脉冲离子回旋波功率为 10-20kW，频率为30MHZ，氦或氘等离子体压强为0.05-0.1 Pa，纵向磁场保持 在1.5-2.0T，经过1-2小时的放电清洗。
5、 根据权利要求1所述的离子回旋氧等离子体清除磁约束装置中第一壁氢滞留 的方法，其特征在于采用离子回旋硼化技术抑制氧的水平，实现等离子体快速 恢复，硼化材料为C2B1()H12，离子回旋波功率为10-20kW，频率为30MHZ，纵向磁场保持在1.5-2.0T。
全文摘要
本发明公开了一种离子回旋氧等离子体清除磁约束装置中第一壁氢滞留的方法，根据磁约束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，纵向磁场保持在1.5-2.0T的情况下，在壁温为400～470K的情况下，采用离子回旋等离子体技术，采用与碳和氢都易于发生化学反应的氧气，形成离子回旋氧等离子体，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。该种技术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。同时这种对第一壁的处理可在纵场线圈不退磁的情况下进行，是更适合于今后国际热核聚变实验堆ITER及未来聚变反应堆的一种对第一壁的处理模式。
文档编号H05H1/24GK101533679SQ20091011659
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, 赵燕平 申请人:中国科学院等离子体物理研究所