EAST放電真空室真空運(yùn)行的幾個(gè)關(guān)鍵問題的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、聚變能是一種取之不盡的清潔能源，磁約束核聚變是其主要的研究形式，而托克馬克是當(dāng)前最有前景的實(shí)現(xiàn)方式。在托卡馬克放電真空室運(yùn)行的過程中，來自于第一壁的雜質(zhì)會導(dǎo)致能量輻射并降低等離子體品質(zhì)，過高的雜質(zhì)濃度還會引起等離子體啟動(dòng)困難、等離子體破裂等嚴(yán)重問題，營造超高真空環(huán)境可以降低雜質(zhì)對等離子體的影響。同時(shí)由于托卡馬克運(yùn)行要求，需要將大量未反應(yīng)的具有放射性的燃料抽離真空室，考慮到經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境影響，必須將排灰氣中的燃料氣體分離、提純、回收并且再

2、次利用。本論文針對以上關(guān)鍵問題，在EAST超導(dǎo)托卡馬克裝置上深入開展了清除雜質(zhì)、提高極限真空、分析排灰氣成分的實(shí)驗(yàn)研究。
　　本論文深入分析了2015年下半年EAST物理實(shí)驗(yàn)前的真空處理過程。在完成裝置真空預(yù)處理之后，對真空室進(jìn)行了745小時(shí)約200度烘烤，同時(shí)交替進(jìn)行了158.5小時(shí)的He輝光和52.5小時(shí)D2輝光壁處理，真空室的極限真空由壁處理前的1.1×10-4 Pa提高到1.8×10-6 Pa。在此期間共清除水131.6

3、g、H231.4 g，其中單獨(dú)烘烤期間對水的清除量達(dá)到86.62 g，占到總清除水量的65.82％，輝光期間清除的氫氣達(dá)到30.2 g，占到總清除氫的96.18％。研究還發(fā)現(xiàn)烘烤對H的清除效率為(7.2～94.0)×1014 atom/m2.s，He輝光為(1.8～5.2)×1017 atom/m2.s，D2輝光為(4.1～13.0)×1017 atom/m2.s。對壁處理的探索與總結(jié)有利于提高壁處理效率，縮短實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間，并為未來超導(dǎo)

4、托卡馬克裝置的超高真空的運(yùn)行提供參考。
　　鋰化是EAST常規(guī)的壁處理方法，但在鋰化壁條件下內(nèi)真空室的水泄漏會引起鋰涂層脫落和雜質(zhì)爆發(fā)等嚴(yán)重問題。EAST2016年冬季實(shí)驗(yàn)期間，真空室鋰化壁條件下發(fā)生了一次水泄漏，通過真空快速監(jiān)測及檢漏，及時(shí)將泄漏的水路排水并抽真空，在水泄漏發(fā)生后5小時(shí)內(nèi)完成故障處理。通過對后續(xù)的等離子體放電運(yùn)行及壁處理等數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，鋰化壁條件下水泄漏后產(chǎn)生的主要雜質(zhì)成分是氫和氧，進(jìn)而導(dǎo)致等離子體輻射升高、密

5、度難以維持等嚴(yán)重問題。7.5小時(shí)的He-ICRF放電清洗(20 kW，0.05 Pa)和1.5小時(shí)的鋰化涂層壁處理(～15 g)能夠有效地恢復(fù)真空和壁條件（共清除了0.192 g H2），壁處理之后真空室的雜質(zhì)成分基本恢復(fù)到水泄漏之前的水平，等離子體運(yùn)行也逐漸恢復(fù)正常。該研究結(jié)果為未來托克馬克類似事件的處理提供了重要的參考。
　　為了深入研究真空系統(tǒng)排出的燃料氣體成分，用于燃料氣體的回收利用，本論文介紹了一套可用于定量分析EAST

6、托卡馬克排灰氣所需要的排灰氣成分分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和搭建，該系統(tǒng)具備流導(dǎo)連續(xù)可調(diào)、能夠在(105-10-3 Pa)范圍內(nèi)正常工作。利用該系統(tǒng)研究了EAST排灰氣的氣體成分，結(jié)果顯示EAST正常等離子體的一天放電中，外置低溫泵所吸附的總氣體量約為1372.1Pa.m3，其中氫及其同位素占91.5％;實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)外置低溫泵回溫再生到69K時(shí)，再生氣體中只有燃料氣體H+D釋放，而其他雜質(zhì)的解吸主要發(fā)生在150K之后。因此在此基礎(chǔ)上提出一個(gè)利用低溫冷