面向CRAFT高束流直线装置的等离子体源预研
材料是限制未来热核聚变应用的关键因素之一。在未来聚变堆如ITER(InternationalThermonuclearExperimentalTokamak)和CFETR(ChinaFusionEngineeringTestReactor)运行时，聚变等离子体与壁材料将发生强烈的相互作用(PWI，Plasma-WallInteractions)。面对聚变堆边界等离子体大于1×1024m-2s-1的强粒子流轰击，壁材料上发生的滞留、起泡和共沉积等问题将严重影响等离子体的稳定性和堆运行的安全性。因此，为了未来聚变堆的可靠设计和安全运行，迫切需要深入开展PWI研究。尽管现有托卡马克装置可以提供PWI研究的真实环境，但是也受限于装置的有效运行时间和经济成本，并且由于内在的复杂性，不利于深入了解PWI的基本过程。 直线等离子体装置是一种结构简单、稳定可靠的等离子体发生装置，可有效模拟聚变堆边界等离子体环境并被用于开展PWI相关研究。目前国际上有两种技术路线的直线等离子体装置能够达到聚变堆边界等离子体参数:即波驱动耦合路线和级联弧路线;而国内在大型稳态高束流等离子体源研发方面尚处于起步阶段。目前，“十三五”国家重大科技基础设施“聚变堆主机关键系统综合研究设施”项目CRAFT(ComprehensiveResearchFacilityforFusionTechnology)正在建设的“偏滤器等离子体与材料相互作用研究平台”，预期将在靶板处获得束流密度高于1×1024m-2s-1的等离子体，达到未来聚变堆边界等离子体参数水平，可开展偏滤器材料/部件模块的原位/离位分析。本论文针对该平台的高束流等离子体源，比较分析了波驱动耦合和级联弧两种类型等离子体源的放电特性，并开展了相关的工程预研工作。 在波驱动耦合等离子体源中利用螺旋波与微波耦合方式产生高束流等离子体。首先，在螺旋波等离子体放电实验中，研制了一套基于石英管的螺旋波等离子体源，并在氩气放电条件下成功获得最高阶“蓝芯”模式放电;为了增加螺旋波等离子体源高功率稳态运行时间，首次尝试了利用法拉第屏代替放电管的方案，并成功放电。其次，在微波等离子体放电实验中，针对微波驱动段馈口在高功率传输中易损坏的问题，设计并研制了空气冷却的微波馈口，实验结果表明:在入射功率48kW、反射功率40kW的条件下，微波馈口的温度为51℃，远低于陶瓷馈口使用的极限温度，验证了气冷陶瓷馈口在高功率微波的工程应用的可行性。再者，开展了基于法拉第屏的射频和微波耦合放电实验，实验结果表明:2.4kW射频功率注入后，微波腔室内的电子密度得到明显提高，等离子体密度和发光强度均呈现周期性的涨落现象。最后，利用现有的微波等离子体源开展了微波馈口的连续工作可靠性研究，结果表明:可以通过调节微波等离子体共振面远离馈口，使馈口在通量为～0.5×1020m-2s-1时连续工作120h以上，延长了馈口的服役寿命。 在级联弧等离子体源研发中，开展了20MW·m-2级的级联片结构设计及热力学分析，优化了级联片的厚度、尺寸和内部水冷方式;利用有限元方法，采用常规磁体，完成了轴向磁感应强度为～1T的稳态高磁场设计;对真空系统开展了设计分析及真空泵组选型;还设计并研制了大于10MW·m-2热流的主动水冷朗缪尔探针，用于对靶板附近等离子体的诊断测量。在搭建的级联弧等离子体源预研平台上，系统地研究了放电电流、背景磁场和进气流量等参数对靶板束流密度影响规律。结果表明:放电电流的增加会通过增加电极间的电场加速气体的电离而提高等离子体的束流;随着源区的磁场增加，靶板处获得束流密度逐渐增加。而由于磁镜效应的存在，靶区的磁场增加将会阻碍靶板区束流密度的增加:在一定的放电电流条件下，随着进气量的增加，被电离的中性气体增加，从而增加了靶板处的束流密度。通过对放电电流、磁场和迸气量的优化，完成了以下里程碑实验:(1)束流密度大于1×1023m-2s-1、放电时间大于8h的长寿命测试;(2)束流密度大于5×1023m-2s-1、放电时间大于1h的高束流实验;(3)束流密度大于1×1024m-2s-1、放电时间大于1000s的稳态高密度等离子体实验。 通过以上两条路线的调研分析、预研设计和实验工作，了解了相关的技术现状，开展了关键技术的预研，获得了第一手的数据。鉴于波驱动方案的难度和风险，选择了级联弧方案作为“偏滤器等离子体与材料相互作用研究平台”的技术路线，为CRAFT项目的顺利推进奠定了坚实基础。
聚变堆;CRAFT高束流直线装置;等离子体源
中国科学技术大学
博士
核能科学与工程
罗广南;苌磊
2021
中文
TL64
2022-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）