EAST边缘等离子体中钨表面电弧诱导实验研究.pdf

文章编号：0 2 54-6 0 8 6(2 0 2 3)0 2-0 156-0 5D0I:10.16568/5086.202302006June2023NuclearFusiPlasmaPhysics2023年6 月Vol.43,No.2第43卷第2 期核聚变与等离子体物理EAST边缘等离子体中钨表面电弧诱导实验研究王保国1,2，朱大焕*，丁锐，穆磊，李长君，陈俊凌（1中国科学技术大学物理学院，合肥2 30 0 2 6；2.中国科学院等离子体物理研究所，合肥2 30 0 31)摘要：在EAST装置中利用材料与等离子体测试平台MAPES对不同表面性质和结构的钨样品进行了边缘等离子体条件下的起弧诱导实验研究。结果显示只有纳米丝结构的钨表面成功产生了电弧，表明了钨表面的纳米丝结构更有利于电弧的触发，甚至在装置远离刮削层区域的地方也能诱导电弧触发。在纳米丝钨表面起弧过程中会产生两种不同的电弧，其中较强电弧能产生熔坑，并溅射出液滴，是等离子体中尘埃及杂质的重要来源。弧坑直径约为3um，深度约为0.7 um，在电弧熔坑中心区域形成了一些小孔和纳米结构，其周围的熔化液滴也存在类似的结构。关键词：EAST；电弧；钨样品；第一壁中图分类号：TL62+1文献标志码：A1引言在二十世纪七八十年代，就已经在早期聚变研究装置中观察到第一壁表面的电弧现象1-4。电弧会严重损坏装置内部材料部件，其引起的杂质爆发是当时等离子体杂质的主要来源。此后，面向等离子材料部件逐渐由不锈钢等金属材料换为石墨材料，而石墨的物理溅射和化学腐蚀在总腐蚀中占据主导地位，电弧腐蚀可以忽略不计5。另外，偏滤器在聚变装置中的使用，减少了等离子体与壁材料的直接接触，而真空室内部部件更好的清洁进一步减少了面对等离子体材料部件上电弧的产生。然而，由于石墨的高物理溅射率和较强的化学腐蚀率以及复杂的腐蚀和迁移过程，会形成沉积层的堆积，并通过对氙的吸附和共沉积过程，导致石墨壁长期维持较高的氙滞留，为装置的安全运行留下隐患，因此石墨不适合在未来聚变堆装置上使用6 。而钨(W)具有高熔点、低物理溅射率、不与氢发生化学反应和氙滞留低的优点，逐渐成为未来托卡马克聚变装置中最有希望的面对等离子体材料7 。但作为一种高乙材料，钨杂质可造成芯部等离子体的辐射损失，从而降低等离子体参数，并限制等离子体运行区间8 。托卡马克等离子体中引入钨杂质的主要物理机制是物理溅射、起弧、蒸发和熔化，由起弧引起的钨腐蚀是等离子体杂质污染的潜在来源，不可忽略5。另外，钨材料经过长时间等离子体辐照及污染后表面发生变化，其与托卡马克中ELMs等瞬态效应的协同作用将显著增加起弧几率，引入更多杂质。随着对托卡马克中电弧的研究，发现第一壁表面存在沉积层和纳米丝状结构时，电弧比较容易在其上产生5.9-1。ASDEX-U装置一轮实验之后，下内偏滤器挡板处电弧产生的腐蚀相比物理溅射更重要，其电弧痕迹数量和有效腐蚀依赖于挡板位置和壁材料的表面电阻率5。Kajita 等通过将激光脉收稿日期：2 0 2 0-0 5-11；修订日期：2 0 2 2-0 2-2 1基金项目：国家自然科学基金(12 2 0 5333，117 7 52 6 0，116 7 52 19)；中国科学院合肥研究院院长基金(YZJJ2021QN11)；安徽省博士后研究人员活动资助经费(2 0 2 0 B471)作者简介：王保国(1991-)，男，河南商丘人，博士，助理研究员，从事等离子体与壁相互作用研究。*通讯作者：朱大焕(198 4-)，男，湖北保康人，博士，副研究员，从事等离子体与壁相互作用研究。157第2 期王保国等：EAST边缘等离子体中钨表面电弧诱导实验研究冲照射到等离子体中的纳米结构钨样品表面，产生了稳定、可控、长时的电弧，激光脉冲宽度 0.6 ms和功率 5MJm-与国际热核聚变实验堆(ITER)中出现的I类边缘局域模的热负荷相似，纳米钨层显著降低了起弧电压，利用微弱的激光脉冲可以轻松地触发电弧 。NAGDIS 制备的W-fuzz(钨纳米丝)暴露于大型螺旋装置(LHD)偏滤器等离子体中仅2s，在 4.2 MW-m和 10 2 3Hm2.s-量级热流和粒子流作用下只在W-fuzz表面产生了由电弧造成的腐蚀痕迹19.10 。另外，沉积层和纳米丝状结构电热物性参数也会影响电弧熔坑的形成及演化。特别是对未来第一壁备选材料钨来说，研究其上电弧的性质及形态，对控制全金属壁托卡马克装置高乙杂质的含量，保证等离子体的持续稳定运行具有重要意义。在EAST装置中来自于铜低杂波天线、钨和钼第一壁、石墨下偏滤器和不锈钢结构支撑部件等的杂质会在钨表面重新沉积，从而改变钨表面的电学和热学性质，进而影响电弧的发生和演化。另一个更严重的问题是钨表面纳米丝状结构的形成，会使电弧更容易触发。当温度在10 0 0 2 0 0 0 K范围内，氮的入射离子能量大于2 0 eV时，较容易形成W-fuzzl12。同时，未来的聚变装置等离子体环境可能适合钨材料表面fuzz的产生。因此，研究聚变装置中不同性质和结构的钨表面对电弧点燃的影响以及电弧对材料的腐蚀具有重要意义。本文在EAST装置中利用材料与等离子体测试平台MAPES对不同表面性质和结构的钨样品进行了边缘等离子体条件下的起弧诱导实验，并对样品表面电弧熔坑和痕迹进行了分析和讨论。2实验样品准备研究所用的W-fuzz是在10 mm10mm2mm的纯钨上产生的。对钨表面进行机械镜面抛光，使其表面粗糙度 16 0 eV，表面温度 140 0 K，辐照时间2 h。H e+辐照后，钨表面形成大量的纤维状纳米丝。可以看到一些较短的纤维状纳米丝相互连接，形成了厚度约为1.5m的W-fuzz层。普遍认为钨纳米丝状结构的形成原因是：在高温下，氮原子扩散并聚集成空位、位错或缺陷，从而形成纳米尺寸的缺陷或氨气泡，并逐渐生长形成丝状结构。采用射频磁控溅射在纯钨表面镀膜的方法来研究钨表面杂质沉积层的影响，镀覆了几种在EAST装置中出现的材料(铜、铝、不锈钢、钼和石墨），样品尺寸为10 mm10mm2mm。钨样品被固定在一个射频磁控溅射真空室中的支架上，并放置在靶材中心线上，与靶材的轴向距离约为8 0 mm。将气室抽至约310-3Pa的本底气压，然后用纯氩(99.996%)气体进行回充。射频磁控溅射镀膜参数列于表1中。使用显微镜检查制备的钨样品后发现在其表面成功地镀上所需薄膜。表1射频磁控溅射镀膜靶材及参数镀膜时间射频功率靶材自偏压/V压力/Pa/min/W铜28-160320.13铝30-160430.12钢30-160320.1230-160340.13石墨120-200420.183EAST边缘等离子体中诱导起弧利用材料与等离子体测试平台MAPES，在不破坏EAST主放电室真空的条件下，从低场侧中平面将实验样品直接送入到EAST装置真空室内部窗口位置接近等离子体刮削层。用钼支架将W-fuzz和镀膜样品安装在MAPES上，如图1所示。总共19个样品(5个W-fuzz，3个碳膜，3个铜膜，3个铝膜，3个不锈钢膜和2 个钼膜)安装在钼支架上的三个凹槽中，并固定在MAPES机械臂上，并通过步进电机水平插入刮削层(SOL)中。将样品表面放置在H窗口限制器后约10 mm，对应的大半径为2360mm，样品表面正对等离子体。面对等离子体的样品表面一天内经历了7 6 次等离子体放电，典型的放电参数是：等离子体密度(3 8)10 1m=3、等158第43 卷核聚变与等离子体物理离子体电流40 0 50 0 kA。图1安装在MAPES样品交换室内样品装置照片4结果与讨论在EAST等离子体辐照过后，使用共焦激光扫描显微镜(CLSM，O l y mp u s LEXT O S L40 0 0)观察钨样品的表面形貌，以发现电弧痕迹并获得高度图。采用扫描电子显微镜(SEM，FEI-H ELI O S Na n o La b600)结合能谱仪(EDS)和聚焦离子束(FIB)对 CLSM检测到的电弧痕迹和弧坑进行了详细观察。用CLSM检查所有样品，仅W-fuzz样品部分区域的颜色从黑色变为灰色或银色，在这些灰色或银色区域发现了起弧痕迹和斑点，表明该区域发生了电弧剥落和W-fuzz的熔化过程，其余镀膜钨样品表面均未发现任何电弧痕迹或斑点，如图2 所示。电弧腐蚀产生的灰色和银色FuZz剥落区黑色Fuzz区2mm图2有电弧痕迹的W-fuzz样品照片图2 的结果表明，即使在远SOL区(限制器后面)等离子体参数比偏滤器位置的要低很多的情况下，电弧仍然可以在W-fuzz样品上产生。表面纳米丝结构比镀膜钨结构更易触发电弧，这主要是因为钨表面纳米结构能导致场发射电流的增加，而场发射电流的增加对触发电弧是非常重要的。此外，表面纳米结构层低的热扩散率促进了电弧的触发和自我维持，其机理可以用ecton 机制来解释13。电弧触发之后随机运动迁移大片区域，最终使此区域的黑色W-fuzz层熔化或剥落，变为灰色或银色的钨固体。图3a给出了W-fuzz剥落区域的SEM图像，可以看到一些细小而复杂的电弧轨迹和一些较深的电弧熔坑。在起弧过程中产生了两种不同的电弧痕迹：较深的电弧熔坑，表面的纳米丝层完全被熔化，并深入到底部的钨块(强过程)；较浅的痕迹显示只有部分纳米丝层被熔化(轻过程)。可以看到一个微熔坑覆盖了附近另一个微熔坑的一部分，这意味着一个电弧斑点是在前一个斑点形成的微熔坑边缘处触发。这种微熔坑深入到纳米丝层下的钨块中，说明表面的纳米丝层完全被熔化，部分钨基体也被熔化。此种熔坑是由阴极点等离子体的压力挤压中心点熔化的阴极金属而形成的。极高的电弧等离子体压力使熔坑周围形成高速微射流，随后部分微射流破碎成微液滴。这些液滴的产生是电弧过程的一个重要特征，同时这些液滴也是托卡马克装置中尘埃及杂质的重要来源而较浅的痕迹似乎只有一小部分纳米丝层被电弧熔化，底层的钨块并没有被电弧熔化。其宽度通常为2 m，远小于文献11 中10 m的宽度，可能是EAST磁场(样品位置约2 T)远高于NAGDIS-II(0.1T)所致，较强的磁场将增加电弧运动的速度，减少电弧在某一点的停留时间，减轻烧蚀痕迹。在这些浅的痕迹周围几乎没有形成典型的微射流，可以说大部分熔化的钨仍留在表面。因此，与有高速微射流形成的较强的电弧坑相比，这种浅弧坑的钨杂质贡献可以忽略不计。图3b、3c 显示，与周围相比，在凸起区域具有更强烈电弧腐蚀过程，使这些区域银色部分更多，而凹陷区的电弧痕迹相对较少。由于不同取向晶粒159王保国等：EAST边缘等离子体中钨表面电弧诱导实验研究第2 期的腐蚀率不同，在He*辐照制备fuzz层的过程中形成凸起和凹陷区域。可以看到，一些电弧斑点的运动范围似乎被限制在一个晶粒上，产生许多重叠在一起的电弧熔坑。还有一些电弧斑点沿着具有较高梯度的晶界产生较浅电弧痕迹。由于在装置诱导起弧实验过程中缺乏用于直接观测电弧的手段，且影响电弧产生及运动的条件比较复杂，这两种不同的电弧过程的形成条件尚不清楚。abC浅痕透h/um6.5熔坑50um10um50um图3弧坑和较浅痕迹的SEM图(a)、不同晶粒上CLSM图(b)及高度分布图(c)图3a中矩形框标注了FIB铣切晶界周围的弧坑，在弧坑的上部覆盖了一层约1.5m厚的铂，对精细的纳米丝结构在铣切过程中形成保护及固定，如图4所示。可以测出弧坑的深度 0.7 m、直径3um，在电弧熔坑的中心，fuzz层被完全破坏，部分底层的钨块被熔化。部分熔化的微射流围绕着电弧熔坑，覆盖并包裹着一些纳米丝，这些纳米丝使熔坑周围看起来有一些气泡。3umto.7um4um图4晶界弧坑的横截面扫描电镜照片在弹坑中心发现了一些纳米尺寸孔洞，其周围的熔化液滴也存在类似的结构，如图5所示。似乎钨被电弧熔化时，释放出了一些滞留或残余的气体，如He，然后形成了一些小孔，进而产生了纳米结构。400nm图5电弧熔坑周围熔化液滴的SEM图5结论在EAST装置相同的边缘等离子体条件下，通过对具有不同表面性质和结构的钨样品表面诱导起弧实验，发现只有钨纳米丝结构表面产生了电弧，证明了钨表面的纳米丝结构更有利于电弧的触发，可以在远离刮削层、限制器之后的区域触发起弧。纳米丝钨表面起弧过程中会产生两种不同的电弧，其中较强电弧产生的熔坑溅射出的液滴是等离160第43 卷核聚变与等离子体物理子体尘埃及杂质的重要来源。弧坑横截面的直径3um、深度 0.7 um。在电弧熔坑中心区域，熔化的钨块上形成了一些小孔和纳米结构，其周围的熔化液滴也存在类似的结构。参考文献：1 1Nedospasov A V,Petrov V G.Model of the unipolar arcon a tokamak wall J.Journal of Nuclear Materials,1978,76-77:490.2 Schwirzke F.Unipolar arc model J.Journal of 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EAST using Material and Plasma Evaluation System(MAPES).The effect of depositions on arctriggering is studied using several kinds of coatings on tungsten and the fuzz structure is generated on tungstensurface by He*plasma in ICP irradiation system.The results show that only the tungsten surface with the fuzzstructure successfully triggers arcs,which proves that the fuzz structure on tungsten surface is more conducive toignite arcs than coated tungsten,even far away from the SOL.There are two kinds of arcs on the tungsten fuzzstructure,small arc trace and deep arc crater,in which the crater produced by stronger arcs will splash liquiddroplets that are important sources of impurity and dust in plasma.The diameter and depth of the crater are about3m and 0.7m,respectively.Some small holes and nanostructures are formed in the center of the arc crater,andthe molten droplets around them have similar structures.Key words:EAST;arc;Tungsten sample;First wall