等離子體雜質

託卡馬克裝置中以氘和氚作為核聚變燃料，等離子體中除氘氚燃料粒子以外的粒子(包括氫和氦等)稱作雜質。雜質來源之一是真空泄漏，但更主要的來源於等離子體輻照下的器壁解吸放氣和腐蝕產物等。因此，聚變裝置首先要求嚴格的檢漏，以最大限度地減小真空泄漏導致的雜質流入量；進一步還必須通過合適的器壁鍛鍊工藝，例如烘烤、輝光放電清洗、壁表面硼化或硅化處理以及偏濾器位型放電等技術措施，來減緩和控制等離子體輻照器壁下的雜質釋放，同時減少工質再循環以能有效地控制等離子體密度。所以，雜質來源可分為3個方面：(1)真空室殘餘氣體(包括泄漏)；(2)等離子體和真空室第一壁相互作用而導致的器壁釋放雜質，包括器壁解吸和器壁腐蝕，這是主要的雜質源；(3)聚變產物α粒子(氦離子)俘獲電子後成為氦原子，被稱作聚變堆的氦灰。 ^[1] 

雜質對等離子體性能的影響主要有兩個效應：

(1)雜質增加等離子體的輻射功率損失。雜質導致兩種主要的輻射過程。①韌致輻射——當電子在一個離子的電場中被減速時發生的輻射。韌致輻射功率隨Z_eff而增加。韌致輻射使聚變等離子體必須達到的最低等離子體温度有一個基本的限制。②線輻射——部分電離雜質離子的軌道電子在能級躍遷時發生的輻射。當雜質被完全電離而丟失所有電子，線輻射也就消失了。所以，對放電初期温度不高的等離子體，或高温等離子體的邊緣，線輻射是主要的輻射損失方式。碳和氧等低Z雜質在高温等離子體中心會丟失所有的電子。但為要達到點火，必須克服雜質的輻射峯。點火是指單單依靠聚變反應釋放的α粒子功率(總聚變功率的20%)，就足以維持聚變反應等離子體所需的温度的狀態。碳的輻射峯位於10 eV左右。中z雜質鐵和鎳，高z雜質鎢和鉬，它們的輻射峯分別位於100 eV和1000eV附近。如含有0.1%的鎢雜質就將使D-T等離子體不能實現點火。

(2)稀釋等離子體的燃料離子密度，從而降低聚變反應堆的功率密度。託卡馬克等離子體電流、密度和比壓(等離子體壓強與磁壓強之比)都有一定的極限值。超過極限值，等離子體約束遭到破壞，等離子體電流瞬間降到零，這稱為等離子體破裂。因此從電子密度和比壓的運行極限考慮，一個雜質離子會產生多個電子，對一定的電子密度極限而言，一個完全電離的碳離子將需取代去6個燃料離子。所以，等離子體芯部只要有10%濃度的完全電離的碳雜質，就會使聚變堆輸出功率減少50%。 ^[1] 

等離子體的總雜質水平採用等離子體的有效電荷數Z_eff來度量，有

公式中的求和號下i包含所有離子的所有電離態。純的氫等離子體的Z_eff=1，雜質將使Z_eff急劇增大。例如：HL-1等離子體Z_eff≥1.5，JET等離子體Z_eff通常在1．2～3範圍內。 ^[1] 

在雜質控制方面，15年來取得了重大的進展。在核聚變物理實驗中，等離子體與第一壁相互作用產生的雜質及氫再循環問題是影響等離子體性能的關鍵因素之一。進行第一壁的塗層處理是獲取良好的壁條件、抑制雜質及降低再循環最直接有效的辦法。“九五”期間，在充分吸取國際聚變界先進經驗的基礎上，核工業西南物理研究院成功地在HL-1M裝置上進行了裝置第一壁的硼化、硅化及鋰化研究，探索出了在不同參數條件下的優化壁處理方法，取得了豐碩的成果。實驗證明，在HL-1M裝置進行先進的壁處理後，等離子體的雜質濃度明顯降低、等離子體輻射損失功率顯著下降，有利於開展高密度等離子體的加料、加熱、以及改善約束的物理實驗研究。

壁的硼化技術在國際上是成熟的技術，在HL-1M裝置曾得到過廣泛應用，取得了很好的效果，然而含硼材料毒性很大，出於安全考慮，HL-1M裝置近年來已逐漸放棄它的使用。壁鋰化處理目前只有在美國的TFTR、日本的JIPPT-IIU等少數裝置上採用，它是一種還在繼續探索的新技術。在HL-1M裝置上發展的鋰化技術具有操作簡單、費用低，而且成膜質量高，膜厚均勻可控，有效壽命較長等特點，是創新性成果。硅化技術具有費用低、使用方便、能有效清除難於排除的氧雜質等優點，目前正在HL-1M裝置上廣泛應用，取得了良好的效果。

隨着器壁硼化、硅化、鋰化等先進壁處理技術及等離子體反饋控制技術等的應用，HL-1M裝置穩定運行區不斷拓寬，為開展高參數物理實驗準備了良好的條件。

壁處理在HT-7裝置上也得到了廣泛應用，取得了很好的效果，特別是探索出了在超導託卡馬克裝置上進行硼化的先進技術，研究了用粒子迴旋共振加熱(ICRH)進行硼化和硅化的技術，以及硼膜、硅膜的成膜特性，對硼化和硅化前後等離子體品質進行了比較，在此基礎上進一步完善和改進了射頻波清洗塗層的技術。

聚變裝置第一壁的處理是獲得高品質等離子體的關鍵，這已成為各國科學家的共識。對於常規的託卡馬克裝置，通過長期的研究，目前已發展出了基於直流輝光的清洗、硼化、硅化、鋰化等一系列有效的第一壁處理手段。這對獲得高品質、高温等離子體及熱核聚變的研究做出了巨大的貢獻。對於超導實驗裝置，由於存在一個恆定的磁場，使得直流輝光放電變得幾乎不可能。以往為常規聚變裝置所發展的基於直流輝光放電的第一壁處理手段已不可能應用於超導託卡馬克上。因此有必要發展適合於超導託卡馬克裝置的新型的第一壁處理技術，以填補大型超導聚變裝置在第一壁處理上的空白。

射頻第一壁處理技術是想將一定功率、一定頻率的高頻電磁波通過離子迴旋共振加熱系統注入到超導託卡馬克中，利用超導託卡馬克中存在的恆定磁場而存在波的共振層這一特性，將超導託卡馬克中的中性氣體電離，產生稀薄等離子體。利用此稀薄等離子體與器壁的相互作用來達到清洗、硼化、硅化、鋰化等第一壁處理的目的。目前基於射頻技術的第一壁的處理技術研究並不多見。僅有少數幾家聚變實驗室開展了初期的研究工作。隨着新一代大型超導聚變裝置建設的臨近，大型超導聚變裝置第一壁處理的問題已引起國際聚變界的重視。

幾年來，在HT-7超導託卡馬克上發展起來的全新的壁處理技術，即射頻壁處理技術，是針對未來超導聚變堆而發展起來的先進技術。包括對第一壁雜質的清洗、氫及再循環控制、硼化和硅化等多項內容。

利用離子迴旋波能十分有效地產生射頻等離子體。與輝光放電等離子體相比，射頻等離子體的密度要高5～10倍，離子温度高達1~2keV，高出輝光等離子體離子温度三個量級。因此對第一壁轟擊能量和密度都要比輝光等離子體高很多倍，從而可以高效快速的清除吸附在第一壁表面的雜質粒子。工作氣體可採用氦和氘。射頻氦等離子體對除氫和再循環控制特別有效，而氘射頻等離子體對雜質的去除則更加快捷。雜質的清除效率特別高。三年的實驗結果表明，利用射頻技術，對氫的清除率是輝光清洗的20倍，而對水和一氧化碳等雜質的清除率則比輝光放電高出兩個量級以上。

在裝置中充硅烷或碳硼烷氣體，就可以利用射頻等離子體進行第一壁鍍膜，即射頻硼化和射頻硅化。硼化或硅化的工藝差別不大，但所充的工作氣體和處理過程大不一樣。硼化處理包括預清洗、硼化和除氫三個過程，大約需4小時。而硅化則十分簡單，無需預清洗和除氫處理，僅需要一小時。兩種壁處理都能大大改善等離子體的性能，獲得高品質等離子體。 ^[2]