托卡馬克鎢偏濾器基本物理問題

桑超峰，周慶瑞，王真厚，張彥杰，趙學樂，王 策

(大連理工大學物理學院，遼寧 大連 116024)

磁約束可控核聚變是利用強磁場約束高溫高密度等離子體，使其在不接觸“容器”器壁的情況下，達到上億度高溫，從而發(fā)生聚變反應，實現核聚變能的和平利用。托卡馬克是最主要的磁約束核聚變裝置[1]。聚變反應的燃料是氫同位素氘和氚，反應產物是氦灰、中子和能量。為了保證聚變反應的長時間穩(wěn)態(tài)進行，需要將這些產物從芯部及時排出。偏濾器是托卡馬克中用于排除能量和雜質粒子的主要部件，是發(fā)生等離子體與器壁相互作用的主要區(qū)域[2]。一方面，聚變反應產生的大量雜質和能量在刮削層中沿磁場輸運最終要沉積到偏濾器靶板；另一方面，高能粒子和熱流對偏濾器靶板的性能和壽命提出了極高的要求和挑戰(zhàn)。偏濾器已經成為制約核聚變能實現的關鍵問題之一[3-4]。

等離子體與偏濾器靶板相互作用會對等離子體和壁材料都產生重要影響[5]，其中粒子和能量再循環(huán)[6]、濺射產生的固有雜質會影響邊界等離子體[7]，材料侵蝕和熔化等決定了器壁壽命[8-9]，氚在器壁中的滯留和滲透會制約聚變經濟性和安全性[10]，因此器壁材料的選擇至關重要。托卡馬克對器壁材料有以下幾點要求：(1)具有高熔點、不易熔化；(2)低濺射產額，保證器壁壽命；(3)良好的機械性能和熱傳導性能，能夠承受高熱沉積；(4)低的燃料滯留性，以降低氚滯留；(5)低原子序數以保證濺射產生雜質與主等離子體兼容[11]。然而迄今為止，人們尚未發(fā)現同時滿足這幾點要求的材料。

鎢材料具有低的侵蝕率和氚滯留性，高的熔點(3680 K)，良好的熱傳導性能和機械性能，被認為是未來聚變堆器壁的主要候選材料[11]。國際熱核聚變實驗堆(ITER)已經確定使用鎢作為偏濾器靶板材料[12]。為了研究鎢器壁在托卡馬克中的應用，并為ITER裝置的運行提供數據和基礎，近些年國際上主要的托卡馬克逐漸開始升級使用鎢作為壁材料。德國ASDEX Upgrade從1996年開始直到2007年耗時超過10年逐漸將器壁100%使用鎢涂層材料覆蓋[13]。歐洲聯合環(huán)JET升級使用類ITER壁材料，即偏濾器使用鎢材料、第一壁采用鈹材料[14]。美國DIII-D裝置從2016年起在偏濾器區(qū)域安裝了兩個環(huán)向對稱的鎢環(huán)[15]。法國的WEST裝置在2021年完成了主動水冷鎢壁材料的升級[16]。中國的超導托卡馬克EAST分別在2014年和2021年將上偏濾器和下偏濾器升級使用主動水冷鎢器壁[17-18]。這些裝置的鎢偏濾器如圖1所示，鎢壁裝置已經成為國際托卡馬克的研究重點。

圖1 國際上采用鎢作為偏濾器靶板材料的主要裝置圖，JET,ASDEX-Upgrade,WEST,DIII-D,EAST和ITERFig.1 The main tokamaks using tungsten as the plasma-facing material of divertor target,including JET,ASDEX-Upgrade,WEST,DIII-D,EAST and ITER

鎢壁材料存在一些關鍵問題，會制約托卡馬克核聚變能的實現，包括：(1)沉積到鎢偏濾器靶板的熱流和引起的溫升控制；(2)等離子體與鎢靶板相互作用；(3)鎢雜質輸運和聚芯的控制；(4)高能粒子(如中子)轟擊鎢材料在內部產生缺陷對氚滯留的影響；(5)托卡馬克中瞬態(tài)事件，如邊界局域模[19]，對于鎢靶板的影響。

1 鎢靶板熱沉積控制和偏濾器脫靶

為了保證鎢偏濾器靶板不受損壞，需要對沉積到靶板的熱流進行有效控制，靶板熱流密度可以表達為[23]：

(1)

其中frad是在刮削層和偏濾器區(qū)域輻射能量的比例，PSOL是從芯部進入刮削層的能量，θdiv是等離子體流同偏濾器靶板之間的極向夾角，λq是中平面處能流徑向衰減寬度(可以認為是刮削層厚度)[24]，fexp是極向流的展寬因子[25],Rt是靶板所在位置裝置大半徑。對于特定參數的托卡馬克放電，一般可以通過調節(jié)frad，λq和fexp來降低熱沉積密度。大的λq可以降低qt，研究人員通過多裝置實驗定標[26-27]、理論分析[28]和Bout++數值模擬[29]，確定λq取決于極向磁場強度(Bp)，高的極向磁場會降低λq。近期SOLPS模擬研究也表明λq也可能受到器壁材料的影響[30-32]，但是定量的影響尚待深入研究。fexp主要取決于磁場位形，實驗中可以通過設計先進磁平衡，如雪花偏濾器、準雪花偏濾器、X偏濾器等增大磁展寬，降低熱沉積[33-36]。

偏濾器能量輻射能力(可以用frad表示)，是評估偏濾器固有熱沉積控制能力的最主要參數之一。一般托卡馬克要求偏濾器具有較強的能量輻射能力，以助于降低熱沉積和實現脫靶[37]。frad主要受到偏濾器靶板位形[38-39]和器壁材料的影響。偏濾器幾何形狀主要通過影響中性粒子和雜質的聚集影響能量輻射，而靶板材料則會從固有雜質和粒子及能量反射兩方面影響偏濾器等離子體。對于鎢裝置，需要明確鎢靶板對于偏濾器輻射能力的影響。

從上游輸運沉積到偏濾器靶板的氘離子，在固體表面會發(fā)生再結合過程，即同電子再結合成為中性粒子。其中一部分粒子會以原子形式被反射重新進入等離子體區(qū)域，粒子反射系數用RN表示，這些原子攜帶能量較高，能量反射系數用RE表示，反射系數表示反射粒子(或能量)占入射粒子(或能量)。另一部分再結合產生的氘原子將會吸附到固體表面形成氘分子，待表面飽和以后，以分子形式熱釋放，釋放的分子的能量取決于固體表面溫度。器壁飽和情況，入射粒子的再循環(huán)率為(或者接近)100%，因此熱釋放系數(以分子形式釋放的粒子數占入射粒子數比例)近似為1-RN。氘離子入射到固體表面發(fā)生粒子再循環(huán)過程示意圖見圖2。

圖2 氘入射到固體表面發(fā)生粒子再循環(huán)示意圖，包括反射和熱釋放兩個過程Fig.2 The sketch of deuterium ion recycling on the solid surface,including reflection and thermal release

粒子再循環(huán)會產生能量較高的氘原子和能量較低的氘分子，其產生比例和攜帶能量取決于粒子反射系數和能量反射系數，而這兩個系數均取決于靶板材料種類。圖3顯示了氘分別入射到鎢靶板和碳靶板的RN和RE隨入射能量的變化。可以很清楚地看到粒子和能量反射系數隨入射能量的升高顯著減小，而鎢靶板的反射系數遠高于碳靶板再循環(huán)系數。這表明，氘離子入射到鎢靶板會產生更多能量相對較高的氘原子，而入射到碳靶板則會產生更多的低能氘分子。偏濾器的主要特征之一是發(fā)生強烈的等離子體與中性粒子碰撞，因此中性粒子的行為和分布會顯著影響偏濾器等離子體。

ε0/eV

ε0/eV

三維邊界等離子體程序EMC3-EIRENE模擬表明[30]，器壁材料會影響再循環(huán)產生的中性氘原子速度分布，因此影響背景等離子體；第一壁材料使用鎢會產生更陡峭的密度梯度。EDGE2D-EIRENE模擬表明，碳器壁相對于鎢器壁會得到更高的芯部等離子體密度[32]。粒子模擬(PIC)研究也表明粒子再循環(huán)(反射)會對脫靶產生顯著影響[6]。為了直觀展示不同靶板材料的粒子反射效應的影響，二維邊界等離子體程序SOLPS[41]被用于開展模擬研究。分別假設偏濾器靶板為碳和鎢材料，忽略掉固有雜質的影響，圖4展示僅考慮再循環(huán)中性粒子效應、兩種偏濾器材料情況下，外偏濾器靶板主要參數隨上游等離子體密度的變化[31]?？梢悦黠@看出相同上游密度情況下，碳靶板擁有更低的電子溫度和熱沉積密度，更高的等離子體密度。這表明僅從再循環(huán)角度，鎢靶板不利于脫靶的實現和熱沉積的控制。主要原因是鎢靶板具有更高的粒子和能量反射系數，產生更多較高能量的中性原子，這些原子不容易聚集在偏濾器區(qū)域，因此會降低鎢偏濾器的能量輻射能力。

ne,sep/(1019 m-3)

靶板材料也會由于侵蝕產生固有雜質影響能量輻射，不同雜質的能量輻射因子如圖5所示[42]。對比碳和鎢兩種雜質，可以看到碳雜質在電子溫度為10～20 eV條件下的輻射損失因子最高，此溫度處于偏濾器等離子體溫度區(qū)間，因此碳雜質在偏濾器是良好的輻射物。鎢雜質在低溫(<100 eV)的輻射可以忽略，而在高溫(～1 000 eV)具有很強的輻射因子，因而一般認為鎢雜質不會對偏濾器能量輻射做出貢獻，只會耗散掉芯部的能量，而這并不是人們所期望的。

Te/eV

JET的實驗和數值模擬表明，類ITER器壁(ILW)情況比碳壁條件下的能量輻射降低了2-4倍，不利于脫靶的實現[43-44]。DIII-D研究表明碳雜貢獻了86%的輻射能量[45]。EAST裝置使用SOLPS模擬研究了碳靶板的化學侵蝕產額YC,chem對于偏濾器等離子體的影響[46]，如圖6所示。發(fā)現隨著YC,chem的增大，偏濾器區(qū)域雜質顯著增加，電子溫度和熱沉積密度持續(xù)下降，這證明了碳偏濾器相對于鎢偏濾器更加適合熱沉積控制和脫靶運行。

r-rsep at target/cm

r-rsep at target/cm

r-rsep at target/cm

EAST下鎢偏濾器設計中考慮了純氘放電情況，使用SOLPS進行了功率掃描和密度掃描模擬研究，如圖7所示[17]。上游密度固定為nD+,CEI=6.0×1019m-3時，當PSOL從2 MW增加到8 MW，外打擊點電子溫度從5.5升至177.7 eV，熱沉積密度從1.0升至～17.8 MWm-2，超過了鎢靶板的承受能力[17]，即Te<44 eV(假設偏濾器鞘層降為3kTe，因此入射到靶板的平均能量為5kTe，氘離子入射導致鎢靶板濺射閾值為220 eV)，同時q<10 MW m-2。

PSOL/(MW)

PSOL/(MW)

這些研究表明鎢偏濾器存在輻射能力不足的缺點，通過提高上游密度或者使用先進偏濾器位形能夠在一定程度上獲得改善，但是高功率放電該問題將會成為極大挑戰(zhàn)，需要額外增加雜質源，才能實現對靶板的有效保護。

2 鎢偏濾器雜質注入脫靶

鎢偏濾器由于缺乏內源碳雜質的輻射貢獻，能量耗散問題更加嚴峻[46]。先進磁場位形(包括雪花偏濾器[33]，X偏濾器和超級X偏濾器[47])，通過增大fexp有效降低偏濾器沉積熱流，通過增大輻射體積和連接長度，增加偏濾器區(qū)域輻射。但由于維持先進磁場位形對極向電流控制要求較高，未來聚變裝置(ITER等)更傾向于采用常規(guī)磁場位形[48]。

高功率放電情況下，托卡馬克裝置主要通過注入雜質氣體(N2，Ne，Ar和Kr等)，增加能量輻射進而降低沉積到偏濾器靶板的熱負荷。實驗和模擬開展了大量的雜質注入脫靶研究，如EAST[50-52]，JET[53-54]，ASDEX-Upgrade[54-55]，WEST[56]，JT-60SA[57]，CFETR[58]，ITER[59]等裝置。在不考慮漂移效應時，SOLPS研究表明EAST裝置在氮氣、氖氣和氬氣注入的情況下均顯著降低了偏濾器的熱負載和靶板溫度，且氮和氬在偏濾器區(qū)域具有較強的輻射，氖輻射主要分布在最外封閉磁面附近靠近X點的位置，如圖8所示[49]。但由于氬雜質在芯部較高的輻射效率[60]，會顯著降低芯部約束性能，因此雜質注入同時兼顧增強偏濾器功率耗散和維持較高的芯部約束非常具有挑戰(zhàn)。ASDEX-Upgrade研究表明，氬和氮雜質輻射會導致偏濾器靶板溫度降低，并引起偏濾器區(qū)域電離降低，導致出現等離子體的返流，引發(fā)氬雜質在內外偏濾器之間的再分布[61]；與氬雜質相比，氮雜質輻射效率更低且平均自由程更長(偏濾器對氮雜質屏蔽能力更差)，因此未發(fā)現氮雜質在內外偏濾器的明顯再分布。由于氮氣會與主等離子體化學反應產生氨，對于未來的聚變裝置(ITER、CFETR等)，一般選擇化學性質穩(wěn)定的惰性氣體作為雜質氣體。

圖8 EAST輻射分數frad(輻射能量占輸入能量比例)約為60%時，N、Ne和Ar注入下輻射功率分布，圖片取自文獻[49]。Fig.8 The radiative power distribution (W/m3) for N,Ne,and Ar seeding at the radiation power fraction frad～60% (It is defined as the ratio of total power radiation to the input power).The figure is taken from Ref.[49].

考慮漂移效應，EAST裝置的氖氣注入模擬研究復現了偏濾器密度雙峰現象[63]，這主要是由于徑向電漂移顯著拓寬高密度區(qū)域，而極向電漂移驅動高密度區(qū)域出現顯著的粒子損失，導致在高密度區(qū)域中間位置形成明顯密度低谷。對CFETR的氖氣和氬氣注入模擬表明[64]，較高的噴氣速率下均能實現偏濾器部分脫靶。提高上游氘氣注入速率會進一步降低靶板的溫度和熱流，且有利于雜質屏蔽。由于氬比氖具有更高的輻射效率，氬注入在更低的噴氣速率下即可實現部分脫靶，且能保持較好的芯部約束。

V.Rozhansky等人對ASDEX-Upgrade、JET、ITER的氮氣和氖氣注入的研究表明[62]：(1)氮雜質由于具有更低的第一電離能，離子流停滯點位于電離區(qū)域以上[65]，其更加容易聚集在偏濾器區(qū)域。(2) 氖雜質由于更高的第一電離能和更長的平均自由程，高約束放電情況更容易進入芯部，且由于氖較高的輻射效率，會導致較強的芯部輻射。(3) 從燃料循環(huán)的角度看，氖不會與燃料發(fā)生化學反應更適合ITER裝置。(4)隨著裝置尺寸的增加，中性粒子的電離更加靠近靶板，有助于增強偏濾器雜質屏蔽，如圖9所示[62]。(5)隨著裝置尺寸的增大，偏濾器的內外不對稱性逐漸減弱，這主要是由于漂移效應隨著裝置半徑的增大而變弱。

圖9 SOLPS模擬得到的ASDEX-Upgrade，JET和ITER的氮雜質密度(包含中性和所有價態(tài)氮)分布。圖片取自文獻[62]。Fig.9 Comparison of ASDEX-Upgrade,JET and ITER simulated.Colours correspond to total (neutrals and all ionized states) nitrogen concentrations by SOLPS modeling.The figure is taken from Ref.[62].

鎢偏濾器雜質注入研究表明，注入雜質可以有效地降低偏濾器靶板熱負荷。但是注入雜質的分布會影響輻射效率和芯部兼容性，這些受到裝置尺寸、偏濾器幾何位形、磁場位形、注入雜質種類、漂移等綜合影響，深入理解這些行為和其定量影響尚需開展大量研究。雜質注入能夠較好解決鎢偏濾器熱負荷問題，但是注入雜質使靶板的物理侵蝕有可能變?yōu)楦訃谰膯栴}。

3 鎢靶板侵蝕

鎢雜質屬于高原子序數雜質，托卡馬克芯部等離子體同鎢雜質不兼容，鎢靶板的侵蝕既關系到靶板的使用壽命，也會影響放電的穩(wěn)定性。鎢靶板的侵蝕主要是由物理濺射導致，其濺射產額主要取決于入射粒子的種類、入射角度和能量。射到鎢靶板的雜志粒子的原子序數越高，其濺射能量閾值越低、濺射系數越大，通常垂直入射物理濺射產額可以使用基于實驗數據的經驗公式計算[66-67]

Yphy(E0)=QSn(ε)[1-(Eth/E0)2/3](1-Eth/E0)2(cosα)-fexp{f[1-(cosα)-1]cosαopt}

(2)

公式中每個符號的定義詳見文獻[68]。另外，物理濺射產額也可以使用基于兩體碰撞的SDTrimSP程序計算得到[69]。圖10(a)展示了經驗公式計算的鎢靶板濺射產額隨入射能量的變化[70]，其中氖雜質入射的濺射閾值為38 eV，碳雜質入射濺射閾值額為50 eV，而氘入射的濺射閾值為220 eV，很清楚地表明高質量的雜質更加容易引起嚴重的物理侵蝕。圖10(b)為偏濾器靶板在氘、氦及不同雜質含量情況下鎢靶板的有效濺射產額隨電子溫度的變化[71]，可以看到存在雜質情況下需要將電子溫度控制在5eV以下，才有可能保證足夠小的有效濺射(濺射產額小于10-5)。

Incident energy/eVW sputtering,E=3ZT+2T

T/eV

靶板的侵蝕速率可以表示為[70-72]：

REro=YphyΓM/(ρNA)

(3)

其中REro代表鎢靶板的侵蝕速率(單位：m/s)，Y代表濺射產額，M代表靶原子的摩爾質量，ρ為靶材料密度，NA為阿伏伽德羅常數，Γ為入射離子流密度。由式(3)可知，靶板的侵蝕速率與物理濺射產額、打到靶板上的粒子流密度、靶板原子的摩爾質量、靶板材料的密度有關。

氦對鎢的濺射產額如圖10(b)所示。JET氦放電模擬表明邊界局域模期間氦離子主導鎢的侵蝕，邊界局域?；謴推陂g，2價氦離子及2價鈹離子主導鎢的侵蝕[73]。EAST上模擬給出氦放電時，邊界局域模期間氦離子與6價碳離子對鎢的侵蝕相當[74]。兩個裝置的模擬均表明氦對鎢靶板的侵蝕遠大于氘。值得注意的是，現有托卡馬克只有JET進行了氘氚放電，而此條件下鎢靶板的侵蝕尚未報道。JET實驗表明雜質是引發(fā)鎢靶板侵蝕的主要因素[75]，如圖11所示。

Te/eV

由于偏濾器的內外不對稱性，外靶板附近的電子溫度相比內靶板要高，因此外靶板的侵蝕更具有挑戰(zhàn)性。圖12展示了模擬得到的EAST注入氖雜質放電條件下，不同粒子在不同加熱功率條件下對鎢靶板的侵蝕情況對比?？梢钥吹娇偳治g速率由氘離子和氖離子占主導。在雜質注入期間，靶板電子溫度的降低可以降低物理濺射產額。但侵蝕速率不僅取決于氖雜質的物理濺射產額，還取決于入射到靶板上的雜質粒子流密度。當加熱功率為3 MW時，隨著充氣速率的提升，總侵蝕速率由于氘離子能量減小而降低。原因是在低充氣速率下，氘離子流密度比氖離子大得多，因此氘離子侵蝕占主導。隨著氖充氣速率的增加，一方面氖離子的濺射閾值低，物理濺射產額高；另一方面，沉積到靶板的氖離子的粒子流密度顯著升高，靶板侵蝕逐漸變?yōu)槟孰x子主導。氖離子流的升高，抬升了總侵蝕速率。此時，升高的氖雜質流和降低的物理濺射產額之間的競爭決定了靶板的侵蝕率，直到注入充足的雜質氣體，總侵蝕速率才會重新被濺射產額主導，并顯著降低。

Puffing rate/(1019 atoms/s)

高加熱功率情況(5和8 MW)，氖雜質不足時，靶板的總侵蝕將變得更加嚴重。無論是在低加熱功率還是高加熱功率放電條件下，只有注入充足的氖雜質，才能抑制鎢靶板的侵蝕，延長偏濾器靶板的使用壽命[70]。而對于氬雜質而言，盡管氬雜質輻射能力強于氖雜質，其由于原子質量更大，對鎢靶板侵蝕可能會更加嚴重[17]，這對于高功率放電情況尤其重要。因此對于包含不同雜質情況下，鎢靶板的侵蝕評估非常重要，有待開展系統(tǒng)研究。

需要注意的是上述研究討論的鎢雜質侵蝕是總侵蝕，而所產生的鎢雜質會進入等離子體中，發(fā)生電離、快速再沉積、輸運等。研究表明快速再沉積會導致大多數鎢雜質返回靶板[76]，因此靶板的凈侵蝕相對于總侵蝕要小很多[77]，其決定了靶板的使用壽命。濺射產生的鎢雜質在等離子體中的行為會影響等離子體性能和穩(wěn)定性，這主要涉及鎢雜質的輸運。

4 鎢雜質輸運及聚芯

鎢雜質輻射會降低芯部能量約束，導致放電熄火，因此ITER要求芯部鎢雜質含量低于10-5[78]，而中國聚變工程試驗堆(CFETR)要求邊界鎢雜質含量不超過3×10-5[79]。鎢雜質在等離子體芯部的聚集是托卡馬克研究的關鍵問題之一。

鎢雜質在刮削層的輸運及雜質聚芯和等離子體參數密切相關。科研人員針對EAST、WEST、DIII-D、JET等裝置進行了一系列的模擬及實驗研究。研究結果表明在密度比較低的情況下，靶板侵蝕強，輸運到上游的鎢雜質多。通過提高密度[81]、考慮固有雜質影響[82-83]、注入惰性氣體雜質[80][84]，使得靶板溫度降低，雖然粒子流增強，但靶板濺射及鎢自濺射顯著降低，同時偏濾器泄露減少，芯部鎢雜質濃度降低。為獲得更好的聚變條件，需提高裝置運行參數。較高的聚變功率使得靶板溫度顯著提高，極大增強鎢源，在芯部引起難以接受的鎢雜質聚集，模擬結果建議靶板溫度需要小于20 eV以更好地控制芯部雜質濃度[83]，芯部雜質濃度與靶板電子溫度之間成三次冪的關系[80]，如圖13所示。不同的等離子體條件下，雜質的輸運系數存在顯著的差別。較大的徑向輸運系數使得鎢雜質在中平面以下就通過徑向輸運進入芯部，在中平面以上聚集較少。同時，徑向箍縮影響鎢雜質的聚芯，研究給出箍縮與徑向輸運系數對芯部濃度影響的關系[85]。

Te/eV

在實驗上，通過遠紫外(EUV)光譜[86]、X射線[87]、氣體電子倍增技術[88]可以診斷獲得芯部鎢雜質輻射的變化及密度徑向剖面。使用光譜診斷鎢源是通過測量波長為400.9 nm的WⅠ譜線的強度，再由X/SB反演得到。這種方法被廣泛應用于各托卡馬克裝置，EAST[89-90]給出不同放電條件下的WⅠ譜線強度，表明邊界局域模期間鎢的侵蝕在放電過程中占據主導。通過芯部EUV光譜給出雜草邊界局域模(grass ELM)、第一類型邊界局域模(type-Ⅰ ELM)鎢雜質輻射的變化[91]，由EUV譜線強度反演給出不同放電高價鎢離子徑向密度剖面[86]，這些鎢雜質剖面大多在徑向的某個位置出現峰值。但是由于診斷技術限制，很難診斷邊界鎢雜質信息。

為更細致研究鎢雜質在刮削層的輸運，DIII-D鎢環(huán)實驗在低場測使用收集探針(CP)測量放電過程中刮削層中非再循環(huán)雜質的徑向沉積剖面。實驗測量得到的內靶板側鎢的面密度高于外靶板[92-93]，OEDGE模擬與實驗結果一致[94]，鎢雜質在等離子體頂部發(fā)生聚集。OEDGE模擬得到的近刮削層極向鎢雜質密度分布如圖14所示。接近分離面的極向分布(R-RSEP=0.1 cm)，鎢雜質密度在等離子體頂部(FSOL～0.4)顯著高于除靶板外的其他位置。隨徑向距離增加，由于徑向擴散雜質密度峰值減小。遠刮削層密度分布與近刮削層類似，只是雜質密度值更小。鎢雜質在頂部的聚集是摩擦力與熱力競爭，從而在等離子體頂部位置形成雜質停滯點導致[94]。HL-2A上使用laser blow-off(LBO)方法引入鎢雜質，通過測量波長為216.219?的WⅦ譜線，可以評估鎢雜志沉積到靶板后再次進入刮削層的W6+入射流[95]。

Fractional distance along SOL,FSOL

由于第一壁鎢源距離芯部更近，其對芯部鎢雜質濃度的貢獻同樣不可忽略。圖15中通過模擬給出WEST裝置假設氧雜質濃度為1%，低等離子體密度情況下總的鎢雜質密度分布[96]。該條件下快速再沉積很小，鎢密度主要分布在偏濾器區(qū)域及擋板[98]。圖15(a)用不同顏色標出不同的面向等離子體部件的位置，并在圖15(b)中給出徑向輸運系數為1 m2s-1，從低密度到高密度，芯部鎢雜質含量(Nin)與侵蝕速率(ΦW)的關系[97]。隨著等離子體密度的增加，雖然大部分位置侵蝕增強，但芯部鎢雜質含量卻發(fā)生減少，而擋板位置引起的芯部鎢雜質含量顯著增加。雖然第一壁侵蝕較小，但可能引起的芯部污染不容忽視。較小的入射粒子流可能引起芯部鎢含量發(fā)生較大的變化。

R/m

Werosion rate φ/s-1

鎢雜質輸運還受到偏濾器幾何結構、漂移、磁場展寬等的影響。對于DIII-D的小腳偏濾器(SAS)，偏濾器等離子體更加稠密，溫度更低，靶板濺射更弱。相比于遠刮削層，打擊點附近具有更強的靶板沉積及摩擦力，表現出更弱的雜質泄露[99]。當在外中平面注入鎢雜質，由于漂移的作用，外偏濾器區(qū)域鎢雜質密度分布很小[100]。充氣速率一定的情況下，對于較大的靶板磁展寬，實驗測量得到靶板鎢源影響比較小，但芯部鎢雜質含量顯著增加[101]。

鎢裝置中鎢雜質對主等離子體的污染控制是一項非常重要的研究任務，涉及到鎢雜質的產生、輸運和沉積等過程研究。對于漂移、偏濾器磁場位形等對鎢雜質輸運的研究還不夠充分，仍需深入研究。未來反應堆中鎢雜質行為需要特別關注。

5 邊界局域模對鎢靶板的影響

邊界局域模(ELM)是托卡馬克裝置中高約束運行模式下一種常見的磁流體不穩(wěn)定性現象[19]。ELMs一般以準周期的方式在很短的時間內從臺基區(qū)向刮削層區(qū)排出大量離子和能量，其將沿磁力線沉積到靶板，造成靶板沉積熱流和入射等離子體能量顯著提高。這些高能離子轟擊靶板會對鎢靶板造成顯著威脅。

一方面臺基流出的過高能量會加熱靶板，導致靶板發(fā)生熔化甚至汽化，瞬間造成損壞。圖16顯示了ITER分別采用CFC和鎢材料時靶板的剩余厚度隨ELM數量的變化[102]。可以得到如果每個ELM爆發(fā)能量小于15 MJ時，鎢靶板的壽命能夠保證(>106個ELM)。如果每個ELM釋放能量過多，會極大降低靶板壽命。

Number of ELMs

另一方面，高能粒子入射可能會增加靶板的物理侵蝕。DIII-D的實驗和相應的自由流模型均表明ELM期間靶板物理侵蝕會達到峰值，氘離子和雜質離子共同起作用[103-104]。JET研究表明高約束模式放電，ELM期間貢獻了絕大多數鎢雜質源，如圖17(a)所示[22]。另外，實驗發(fā)現單位時間ELM侵蝕源隨ELM頻率增大而減小，這主要是由于高頻率ELM對應較小的爆發(fā)能量。

D fluence/(1023 D/m2)

intra-ELM+inter-ELM Wsource[10 s-1]

ELM frequency/Hz

實驗和模擬均表明ELM可能會增大靶板的熱侵蝕和物理侵蝕，但是鎢雜質聚芯跟鎢雜質源強度并不會直接相關聯[80]。研究表明ELM可能會增大快速再沉積，從而減小鎢雜質聚芯量[105]。對于鎢偏濾器，ELM的控制必不可少，但是ELM期間鎢雜質的輸運研究尚待深入開展。

6 鎢靶板中燃料的滯留

聚變需要使用氫同位素氚和氚作為燃料，而氚是具有放射性的元素(半衰期12.3年)，為了保證聚變裝置的安全性，需要盡量減小氫同位素在器壁中的滯留量(ITER中要求氚的總滯留量不超過700 g)[107]。另外，氚也是一種非常貴的燃料，非常稀缺，而ITER建成后每年預計會消耗20 kg氚，自然界存在的氚只夠ITER使用2.5年[108]。為了保證聚變的經濟性，必須減少器壁材料中的氚滯留。此外，氚在面向等離子體壁材料中的滲透行為也是威脅聚變堆安全的重要問題。

在ITER裝置建造初期，最開始計劃選用三種材料作為面壁材料，即碳、鈹和鎢；但是由于碳的化學濺射率很強，很容易跟氫元素反應生成碳氫化合物，導致燃料滯留率非常高。圖18為由已有的實驗數據外推得到的ITER使用不同器壁材料時燃料的滯留總量隨放電時間的變化[109]?？梢钥闯鋈绻鞅谑褂眉兲疾牧?，放電總時間超過104秒就會超出所允許的最大滯留量；使用碳、鈹和鎢三種材料一起作為器壁材料時，滯留量相較于純碳材料好很多，但是仍會在放電時間超過105秒后超過允許滯留量。如果徹底不使用碳作為器壁材料，那么放電時間能夠達到106秒，這樣燃料滯留的限制就相對要低了。對于純鎢壁材料，燃料滯留問題就變得好很多。但是聚變反應產生的中子和其他高能粒子的轟擊，會導致鎢材料中產生大量的缺陷，極大地增加燃料的滯留量。

t/s

器壁材料中的燃料滯留是由邊界等離子體放電參數和服役該環(huán)境下的材料狀態(tài)共同決定。科研人員針對燃料滯留問題開展了大量的實驗和模擬研究，包括等離子體輻照誘導的微觀結構和高能自身離子輻照損傷(模擬高能中子損傷)以及燃料在微觀輻照損傷鎢材料中滯留的研究[10,110-113]。目前已明確邊界等離子體的入射能、入射流、輻照劑量對燃料滯留有影響，這些參數將誘導復雜的微觀結構，將影響燃料粒子在材料表面和內部的燃料滯留過程如擴散、捕獲和釋放等，從而影響最終的燃料滯留[114-116]。

面向等離子體壁材料將承受高能中子或離子的強輻照，使得材料狀態(tài)顯著變化，從而影響燃料滯留。實驗研究表明相比未輻照損傷鎢，輻照損傷鎢材料中燃料滯留顯著提高，如圖19(a)所示。其中，鎢材料經過20 MeVW6+ions輻照誘導形成0.89(displacements per atom,dpa)的損傷程度，然后自損傷的鎢材料再接觸1.1×1019m-2s-1氘原子輻照。實驗結果表明輻照誘導的級聯缺陷是燃料滯留量提高的主要原因[117]。實驗進一步研究發(fā)現，燃料滯留還與邊界等離子體輻照下材料表面狀態(tài)有關。高能粒子直接注入材料內部，然而，低能燃料粒子在材料表面受到熱化，影響材料內部的粒子輸運過程，從而影響燃料滯留[118-119]。圖19(b)是實驗中測量的低能等離子體在輻照損傷鎢表面的燃料滯留密度隨溫度和時間的演化。在實驗中，鎢材料在室溫下經過12.3 MeVW4+輻照，產生0.45 dpa的輻照損傷，然后損傷鎢再接觸1023m-2s-1的氘等離子體輻照。結果發(fā)現溫度越高，氘滯留密度達到飽和的時間越短。

Depth/μm

t/s

基于宏觀速率方程開發(fā)的燃料滯留程序已經開展了自損傷鎢材料中燃料滯留研究[120-121]。圖20(a)給出的是自身離子輻照損傷鎢中燃料滯留總量隨氘輻照劑量的演化，該模擬驗證了輻照損傷主導燃料滯留的結論。材料內部的輻照誘導的捕獲點密度以及其對燃料粒子的捕獲影響自由粒子的擴散和捕獲過程從而影響燃料滯留[120]。增大缺陷密度和捕獲能均能增大燃料滯留。模擬發(fā)現低能燃料粒子在材料表面吸附、表面再結合以及滲透過程影響燃料粒子在材料內部的擴散和捕獲率，從而影響燃料滯留量[121]。圖20(b)呈現的是材料表面和內部滯留量氘總量隨化學吸附能的演化。模擬發(fā)現增大表面勢能(化學吸附能和滲透勢能)增強了表面效應，從而有助于降低材料中燃料滯留量。

Ech/eV

器壁材料溫度是燃料滯留的一個重要影響參數。提高材料溫度會影響燃料滯留過程，包括燃料粒子內部吸收、擴散、捕獲和分解過程，從而影響燃料滯留量。模擬研究發(fā)現低能燃料粒子由于受到材料熱化，燃料滯留先增大后減小[121]。這是因為提高溫度，材料中燃料捕獲過程占主導作用，當材料中燃料滯留達到飽和時，繼續(xù)升高溫度，分解過程將占主導，因此燃料滯留減小。此外，實驗研究發(fā)現升高材料溫度會導致微觀缺陷發(fā)生遷移演化，從而影響燃料滯留[123-124]，圖21(a)是輻照損傷鎢經過不同溫度退火后氘滯留密度分布。研究表明升高溫度促進缺陷退火，降低輻照缺陷密度，從而減少燃料滯留量。圖21(b)是實驗中測量的缺陷密度隨溫度的演化[125]。這些研究表明升高溫度既可以降低燃料滯留捕獲點密度，又能增強捕獲點中滯留燃料的分解，從而減少燃料滯留量。這意味著升高溫度(熱壁運行)是降低燃料滯留的一種手段。

Depth/μm

annealing temperature/K

除了升高材料溫度除氚之外，氫同位素置換是一種非常有效的去氚手段[126]。未來托馬克需要在長脈沖高功率穩(wěn)態(tài)條件下運行，如何實現恒定溫度下低的氚滯留量將變得十分重要。實驗中已經開展了注入氫同位素置換氘的實驗研究，發(fā)現注入氫能降低氘滯留量[119,127]。為了解釋氫同位素置換實驗，氫同位素置換模型已經被建立[122]，初步研究了氫同位素置換的物理過程。研究發(fā)現氘滯留密度隨氫的注入劑量的增大而減小，注入氫可以降低氘的滯留密度，模擬所得氘滯留量和實驗測量結果一致[122]。氫同位素置換效率受材料溫度和捕獲能影響，高捕獲能缺陷中捕獲的氘在低材料溫度下幾乎無法置換。然而，低溫輻照條件下氫同位素置換仍然尚未開展深入研究。

目前，已開展的研究表明輻照損傷鎢中燃料滯留是由材料中燃料粒子的微觀輸運和滯留過程共同決定，等離子體參數(如入射能)和材料狀態(tài)(輻照誘導缺陷等)直接影響此過程。材料內部的缺陷密度和其對燃料粒子的捕獲能決定燃料滯留量。升高溫度促進缺陷退火，降低燃料捕獲點密度，同時增強滯留燃料的分解，從而降低燃料滯留量。增大材料表面勢能，增強材料表面效應，能限制燃料粒子滲透，從而降低材料內部滯留量，這些微觀過程將為燃料滯留的預測提供重要理論基礎。然而，托卡馬克中氫同位素滯留的研究是一個多尺度多粒子輻照過程，更精確的模擬需要處理等離子體與高能中子協同輻照問題，這將對燃料滯留預測帶來極大挑戰(zhàn)。此外，氚在壁材料的滲透行為也將受中子輻照損傷影響。在聚變堆運行條件下，面向等離子體壁材料表面會被表面雜質覆蓋或者等離子體轟擊侵蝕，導致滲透將依賴于材料的表面結構或者內部的輻照損傷。目前，雖然已經知道等離子體驅動的滲透受鎢表面條件的影響，但這一問題仍需要更詳細的研究，特別是材料表面效應和中子輻照損傷行為[128]。

7 結論

針對托卡馬克鎢偏濾器運行的基本物理問題，本文介紹了近些年的主要研究進展和存在的主要問題?？梢钥偨Y如下：

鎢偏濾器由于具有高的粒子和能量反射系數、同時缺少偏濾器區(qū)域輻射雜質，不利于脫靶的實現；通過改進偏濾器幾何位形和磁場位形會增強輻射，降低能流，但是在高加熱功率條件下需要額外注入雜質以滿足脫靶條件。鎢偏濾器雜質注入可以有效降低能流，但是注入雜質的輸運、屏蔽和同主等離子體的兼容成為主要問題。引入的雜質可能會加劇鎢靶板的侵蝕，對靶板壽命造成威脅。鎢雜質會對主等離子體產生重要影響，因此需要抑制鎢雜質聚芯，而這就涉及到鎢雜質產生、輸運和聚芯的影響機制。邊界局域模會增強沉積到鎢靶板的能流和粒子入射能量，造成靶板熔化和物理侵蝕增強。當鎢靶板受到高能粒子輻射，內部產生大量缺陷時，氚滯留問題將會變得嚴峻。

對于這些問題的理解需要借助大規(guī)模數值模擬、托卡馬克實驗和直線等離子體實驗協同開展研究。