[发明专利]利用金属锂涂层作为改善全超导托卡马克第一壁燃料再循环的方法

说明书

技术领域：

本发明涉及聚变反应堆真空室内部第一壁材料改性领域，具体是利用射频放电和化学气相沉积两种方法实现对真空室第一壁表面的涂覆，从而实现改善全超导托卡马克第一壁燃料再循环。

背景技术：

等离子体品质与等离子体边界再循环及杂质的水平密切相关。等离子体品质随着整体再循环系数降低而增加。等离子体中杂质主要来源于等离子体与壁相互作用，而杂质的存在将会由辐射而导致等离子体能量的大量损失，影响等离子体温度的分布及等离子体能量平衡过程，导致聚变功率的降低，稀释等离子体燃料，所以聚变装置第一壁材料的选择及其表面状态的控制是获得高约束性能等离子体的关键之一。为了承受高温等离子体的轰击，获得尽可能低的杂质浓度，降低杂质辐射能量损失，第一壁材料应具有低原子序数、高熔点、高耐热冲击和低溅射等性能的材料。

目前在托卡马克装置中研究的等离子体第一壁材料主要是石墨、钨和铍材料。石墨具有良好的热性能、低辐射能量损失、很好的焊接技术、广泛的实验基础等优点而被广泛应用。然而，石墨材料的腐蚀及其再沉积导致的氢同位素的滞留将严重影响粒子的再循环，影响等离子体的密度控制，影响装置的经济有效的运行，并且在未来装置中氚的滞留也会带来严重的安全问题和环境问题。这些问题导致以石墨作为等离子体边界材料存在一些缺点，如需要长时间壁处理、化学腐蚀导致寿命有限、在中子辐射下物理和机械性能降低、产生灰尘、在等离子体破裂时高热负载下破碎损伤、氢滞留严重等缺点。为了提高第一壁材料的抗溅射能力和降低T的滞留，W材料目前也被选择为第一壁的材料，但是等离子体对其容忍的含量很低、氧对其化学腐蚀及高活化性可能会影响其广泛应用。Be材料的优点是低的原子序数、热导大、吸氧能力好、一定的实验基础、低辐射能量损失、等离子体喷涂修复、很好的焊接技术、低的T滞留等。但是由于Be具有较低的熔化温度、潜在的有毒性、相对高的溅射率，其应用受到一定限制，一般用于能流密度不高的等离子体第一壁。

而锂材料具有非常优异的核性能，是一种非常重要的聚变材料。锂的低原子序数、高比热、对杂质和粒子再循环的强抑制能力、使其成为一个重要的、潜在的面对等离子体材料。锂非常活泼，易与氧、氮、碳及氧化物、硅酸盐等物质结合的能力，故可以有效吸收真空室中的O₂、N₂、CO、H₂O、CO₂等杂质，可以大大降低托卡马克装置中杂质含量。锂对H、D、T具有非常优异的抽气能力，每个锂原子可以吸附10%的H、D、T原子。在500℃左右与氢发生反应，并且是唯一能生成稳定得足以熔融而不分解的氢化物的碱金属，不会在等离子体放电中产生很高的粒子再循环。锂的电离能较低，为5.392eV，锂一旦进入等离子体将很快被电离。锂在热的等离子体中心区域会被完全电离，在较冷的等离子体边界区域发生韧致辐射，在等离子体边界产生的辐射将冷却等离子体的边界区域，这样可以减少沿着磁力线流向限制器和偏滤器的对流功率流，并且将其分布在更大的表面上，从而减少局部的热量积累、减轻了溅射效应，尽可能地降低了真空室的杂质含量及第一壁的腐蚀。锂的电离能低的特点使得锂在进入等离子体中心区前将在边界区充分电离，同时锂本身的再循环系数很低和低Z，可以减少锂对中心等离子体的影响。另外，锂具有较高的比热，3.6J/(g·K)，耐热冲击比较好。

在FTU装置上锂化实验表明，锂化后等离子体能量辐射比硼化后等离子体能量辐射降低了50%，环电压减少10%；在锂化及硼化后等离子体能量约束时间比金属壁情况下提高1.3倍；同时锂化也有效地降低了氢的再循环。DIII-D锂化壁处理对减少氧含量，避免大电流(>2.2MA)情况下的锁模有明显效果，并且大电流等离子体放电情况下的不易发生破裂放电，有利于大电流放电。TJ-II锂化壁处理实验表明，粒子再循环降低，杂质得到有效的抑制，锂化壁处理更有利于中性束注入(NBI)等离子体放电。HL-1M通过锂化壁处理，有效地减少了等离子体中的碳、氧杂质含量；锂化后，等离子体能量辐射损失较硅化壁处理后平均降低30%~50%。

发明内容：