实现第一镜清洗技术　保障核聚变装置运行

2018-12-05

在磁约束聚变装置中，等离子体运行状态的获取和监测主要是通过各种常规光学诊断系统，这些光学诊断系统往往离不开反射镜，其中设置在真空室内直接面对等离子体的反射镜被称为第一镜。由于直接面对等离子体，第一镜表面会遭受各种射线的辐照及高能离子和电荷交换原子轰击产生的溅射、杂质再沉积等作用，其光学性能急剧恶化，使用寿命甚至会缩短至几十秒，与其理想寿命相差甚远。未来磁约束聚变装置需实现稳态等离子体运行，要求第一镜光学性能能够长时间维持，以保证诊断系统的正常工作。发展有效的清洗技术，清除第一镜表面沉积层，恢复第一镜反射率，延长第一镜寿命，保证光谱信号的稳定性和可靠性，是决定光学诊断系统在国际热核聚变实验堆（ITER）中应用的关键问题之一，也是现阶段磁约束聚变装置一个亟待解决的问题。在ITER的设计中，将有多达80块第一镜长期暴露在高参数等离子体中，其中60多块第一镜均需要清洗。未来ITER将会长时间运行，必须将第一镜清洗集成在相应的光学诊断系统中，以便在装置中对污染的第一镜进行原位清洗，ITER中有20套光学诊断系统已将清洗模块集成到系统整体设计中。现阶段所有的第一镜清洗研究仅停留在实验室水平，未考虑与托卡马克装置特殊结构和恶劣环境的兼容性，因此必须探讨在托卡马克环境下实施第一镜原位清洗技术的可行性。

位于中国科学院等离子体物理研究所的EAST 托卡马克是偏滤器结构的全超导装置，其结构和性能与 ITER 极为相似，是非常理想的实施等离子体原位清洗实验的平台，其材料测试平台 MAPES位于H水平窗口，可以很好地开展第一镜原位清洗关键技术及物理机制研究，如图1。陈俊凌研究员团队借助于EAST全超导托卡马克装置，从物理和工程上验证了射频等离子体原位清洗技术在托卡马克环境中应用的可行性。实验中采用与ITER边界汤姆逊散射诊断系统相似的原位清洗设计结构、第一镜材料和第一镜表面污染层。实验首先研究了不同清洗参数，如射频功率、工作气体、工作气压以及磁场大小和角度等参数对清洗自偏压的影响，如图2。在较低工作气压、较高磁场角度以及射频功率的清洗条件下可以获得绝对值较高的自偏压，加快清洗速率。在EAST磁场强度为1.7 T的情况下清洗半小时后，第一镜表面污染层被完全清除，第一镜全反射率基本得到恢复，如图3，其清洗速率比无磁场情况下的清洗速率高40倍以上。

该研究实现了第一镜清洗技术从实验室向托卡马克装置的重大突破，实验成果获得了ITER国际组织的高度肯定，对未来ITER光学诊断系统发展原位清洗技术具有重大参考意义。