聚变反应堆面向等离子体组件的材料外文翻译资料

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聚变反应堆面向等离子体组件的材料

H. Bolt ^a,*, V. Barabash ^b , W. Krauss ^c , J. Linke ^d , R. Neu ^a , S. Suzuki ^e,

N. Yoshida ^f , ASDEX Upgrade Team ^a

a Max-Planck-Institut feuro;ur Plasmaphysik, EURATOM Association, Boltzmannstrasse 2, D 85748 Garching, Germany

b ITER-IT, ITER-JWS-Garching, D 85748 Garching, Germany

c Forschungszentrum Karlsruhe, IMF-3, EURATOM Association, P.O. Box 36 40, D-76021 Karlsruhe, Germany

d Forschungszentrum Jeuro;ulich, IWV-2, EURATOM Association, D52425 Jeuro;ulich, Germany

e Japan Atomic Energy Research Institute, 801-1 Naka-machi, Ibaraki-ken, 311-0193, Japan

f Research Institute for Applied Mechanics, Kyushu University, Kasuga, Fukuoka 816-8580, Japan

摘要

在反应堆运行期间，面向等离子体的材料必须满足非常复杂的要求，有时甚至是相互矛盾的要求。目前，钨是最有希望成为面向等离子体的材料。 ASDEX Upgrade托卡马克装置中的实验表明，等离子运行在壁和偏滤器表面大部分被钨覆盖的情况下是可行的。厚的钨涂层已通过等离子喷涂沉积在EUROFER的第一壁模型上，并显示出良好的附着力和稳定性。钨表面在剧烈瞬态热负荷下的性能是另一个关键问题，因为形成熔体层可能有助于生成高度活化的粉尘颗粒。 “纳米晶”钨的研究工作将改善中子辐照下的机械性能，这对于钨还必须满足结构功能的设计尤为重要。当前正在开发具有高导热率的替代偏滤器散热器材料，例如SiC纤维增强铜复合材料，它们应允许在反应堆相关的冷却剂温度下运行。

1.简介

聚变反应堆的运行对等离子体组件（PFC）有着非常苛刻的要求。 PFC将在包括入射粒子和来自等离子体的热通量环境中运行。面对等离子体的材料（PFM）的表面受到高能离子和从等离子体逸出的中性原子的腐蚀[1]。尽管可以预期，国际热核实验堆的运行经验可以使聚变反应堆在静态和非破坏性等离子体条件下运行，但破坏的次数非常有限但仍可能会发生。这种正常现象会导致受热表面的材料烧蚀并逐渐损坏[2,3]。对反应堆中允许的破坏次数给出非常严格的限制，在正常运行期间PFM的溅射腐蚀将决定组件的寿命。我们正在ASDEX Upgrade托卡马克装置中进行高原子序数材料的实验，尤其是钨（W），因为在正常操作条件下，这种材料的腐蚀远低于等离子诱导的低原子序数材料（例如碳）的腐蚀（ C）或铍（Be）。但是，高原子序数材料的缺点是等离子体中的可容忍杂质浓度低得多，这对等离子体控制提出了强烈要求。继溅射之后，金属材料可能会在来自等离子体的离子入射下形成气泡，从而显示出更多的腐蚀[4]。来自等离子体的氚被PFMs吸收并可能进入冷却液PFCs.。 氚被PFCs吸收的范围很大程度上取决于所用的材料以及材料内部纳米和微观结构的状态。

材料内的机械应力和应变是由制造过程中产生的残余应力与操作过程中产生的额外热应力叠加引起的。中子损坏会导致机械性能下降，并且在某些情况下会导致PFM的导热系数和尺寸变化减小。这些边界条件

表明，很难选择合适的PFM，因为上述许多过程目前只能通过大幅度简化假设来量化。

稳态操作的要求导致PFC是PFM的化合物，直接与包含冷却剂的散热器材料结合[5-8]。

表1列出了从[9]推导出的ITER（DEMO）之后的第一个动力堆的预期装载条件。与第一个动力反应堆相比，商用反应堆肯定会导致更高的中子壁负载和对面向等离子体的组件的中子注量。动力堆第一壁中子注量的暂定值为150 dpa。

本文重点研究与高原子序数材料（尤其是W）在等离子体-表面相互作用方面的研发工作，以及为未来聚变反应堆开发新材料和新材料的研究。此处描述的进展以以前的综述文件[1]中描述的工作状态为背景。

1. 使用钨作为等离子体材料的等离子体表面相互作用

2.1 ASDEX Upgrade托卡马克装置实验

在ASDEX Upgrade中，将执行一个专门的实验程序，以研究中等尺寸的托卡马克装置中W作为等离子体表面材料的等离子体操作。

在ASDEX Upgrade中，W被逐渐用作面向等离子体的材料。目前，W墙的覆盖面积约为25平方米，由1-3 lm的薄W涂层覆盖在石墨和CFC瓷砖上。在[10]中总结了涂层技术的发展和沉积的W膜的表征。 W尚未覆盖的唯一主要区域是下偏滤器以及外侧的保护和天线限制器。在[11,12]中描述了有关ASDEX Upgrade的等离子运行的最新结果，W覆盖约15 m²。

下面总结了直接影响面向聚变反应堆的面向高原子序数等离子体的材料选择的结果。在采用偏滤器配置的放电过程中，可以很好地控制高原子序数原子杂质分数，使其保持在10 ⁵以下。从偏滤器模式到限幅器模式以及单次放电期间的返回变化表明，在限幅器阶段，内侧的壁接触会导致溅射腐蚀加剧，高原子序数杂质向等离子体中心的传输会产生强的杂质辐射。返回到偏滤器操作会导致杂质源消失。

表格1

源自[9]的ITER（DEMO）之后的第一个聚变反应堆的PFC的预期运行参数和负载条件

结合从核心等离子体向外的杂质传输，这导致杂质含量和杂质辐射的快速降低。

如果不采用其他通过辐射冷却边缘等离子体的方法，则具有高原子序数 PFM的聚变反应堆的运行将导致在偏滤器靶材前面产生高温等离子体，极高的偏滤器热负荷和强烈的溅射腐蚀。 。在使用碳基PFM的当前设备中，被腐蚀的C用作偏滤器区域中强辐射的源。在没有C辐射的反应堆中，最终植入的气态杂质将必须充当边缘辐射源。在ASDEX Upgrade中，氩气已通过反馈控制系统注入晶种，以降低和调节偏滤器等离子体的电子温度（见图1）。 4times;10¹⁹ Ar at./s的通量会导致偏滤器中的边缘温度从20 eV降至10 eV以下。 Ar的溅射导致W杂质从10 ⁵轻微增加到2times;10 ⁵，然而，这对等离子体放电并不重要。使用通过注入丸粒进行的ELM起搏可以使ELM活性稳定[13]，结果表明，在ASDEX Upgrade中，可以采用Ar注入来降低偏滤器温度，而不会引起Ar杂质流入的不受控制的增加。

在ASDEX Upgrade中，等离子体对W产生的壁腐蚀主要是由发生率

图1. AS-DEX升级放电（＃17833）中的等离子参数的时间曲线，其中Ipfrac14;1 MA，nefrac14;10²⁰ / m³和Ar气冲使边缘冷却时间从2.8到5.5 s。从上到下的参数分别是：主室的加热功率（ICRH，NBI，总）和总辐射功率；标准化血浆压力（bN），根据ITER 89-P L模式缩放（ITER 89-P）的H模式因子和归一化为Greenwald密度极限（fGreen）的密度；发散器电子温度（测量值和预设值）； W浓度。

离子而不是通过高能电荷交换中性原子。放电过程中

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