直線等離子體裝置中氬等離子體熱負(fù)荷特性研究

2015-07-10 歐　巍四川大學(xué)原子核科學(xué)技術(shù)研究所

　　利用自建的單陰極直流弧光放電直線等離子體裝置研究了氬等離子體的穩(wěn)態(tài)熱負(fù)荷特性，擬為研究等離子體性質(zhì)、及其與壁材料相互作用提供一定的參考。研究表明，實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的氬等離子體熱負(fù)荷可達(dá)0.5MW/m²，能持續(xù)穩(wěn)定放電5h以上；氬等離子體熱負(fù)荷與輸入功率成正比，熱效率隨輸入功率的增加而增大；等離子體熱負(fù)荷強(qiáng)烈依賴于磁場(chǎng)和氣體流量，磁場(chǎng)越強(qiáng)、流量越高熱負(fù)荷越大；同時(shí)，增加氣體流量或增強(qiáng)磁場(chǎng)，均可顯著提高等離子體熱效率。通過測(cè)量相同條件下距離陽極等離子體噴口215和430mm處的熱負(fù)荷發(fā)現(xiàn)，兩處熱負(fù)荷相差2倍，表明在軸向上熱負(fù)荷與距離成反比。

　　在未來聚變堆中，高熱負(fù)荷(極端情況下高達(dá)1GW/m²)與壁材料相互作用，除了因開裂和變形影響部件的力學(xué)性能外，還會(huì)造成壁材料熔化、蒸發(fā)以及增強(qiáng)輻照升華效應(yīng)，產(chǎn)生雜質(zhì)，研究表明雜質(zhì)的產(chǎn)生將嚴(yán)重惡化堆芯等離子體放電性能，降低正常運(yùn)行周期。

　　多年來，各國相繼建立了不同的熱負(fù)荷裝置，模擬聚變堆中等離子體邊界處的低溫高密度等離子體環(huán)境，研究高熱負(fù)荷與壁材料相互作用，這些裝置產(chǎn)生熱負(fù)荷的方法包括電子束、離子束、等離子體及紅外等加熱等。荷蘭的Pilot-PSI及Magnum-PSI、美國的PISCES 及日本名古屋大學(xué)的NAGDIS等利用直線等離子體裝置研究高熱負(fù)荷與壁材料相互作用。荷蘭的Magnum-PSI在1.3T的強(qiáng)磁場(chǎng)、放電電流為250A 的條件下可產(chǎn)生12MW/m2 的穩(wěn)態(tài)熱負(fù)荷，其上的瞬態(tài)熱負(fù)荷也可達(dá)到1GW/m²，這為利用直線等離子體裝置研究熱負(fù)荷性質(zhì)、模擬聚變堆中壁材料和等離子體相互作用提供了可能。在Pilot-PSI和Magnum-PSI基礎(chǔ)上，Temmerman等研究了氫、氦等離子體的熱負(fù)荷特性，給出了等離子體熱負(fù)荷的徑向分布，表明等離子體束的熱負(fù)荷在徑向上呈高斯分布，且等離子體熱負(fù)荷隨放電電流和磁場(chǎng)的增大而增大，表現(xiàn)出了很大的依賴關(guān)系；Ezumi等在直線裝置NAGDIS上測(cè)量了等離子體轟擊到靶板上的平均熱負(fù)荷隨壓強(qiáng)的變化，表明在放電電流為100A，外加磁場(chǎng)為0.25T時(shí)，壓強(qiáng)從1.3×10² 增加到7.0×10²Pa時(shí)，熱負(fù)荷從11減小到1.1kW/m²。

　　為了研究等離子體與壁材料相互作用，本課題組研制了低溫高密度直線等離子體裝置。為了了解裝置中等離子體所攜帶的熱負(fù)荷特性，本文通過測(cè)量不同輸出功率下氬等離子體在不同磁場(chǎng)、不同流量時(shí)的熱負(fù)荷，研究了氬等離子體的熱負(fù)荷特性，詳細(xì)介紹了磁場(chǎng)、氣體流量和輸出功率對(duì)氬等離子體熱負(fù)荷的影響，并分析了等離子體中熱效率的變化及不同位置處熱負(fù)荷的差異。

　　1、實(shí)驗(yàn)裝置及方法

　　圖1為本課題組研制的單陰極直線弧光放電等離子體裝置，包括等離子體源、等離子體輸運(yùn)腔室、水冷系統(tǒng)、磁場(chǎng)線圈、真空系統(tǒng)及熱負(fù)荷測(cè)試儀等。等離子體源采用單陰極直流級(jí)聯(lián)弧光放電，輸入功率最高可達(dá)80kW，產(chǎn)生的等離子體效率高，等離子體束穩(wěn)定。

直線等離子體裝置示意圖