專利名稱：利用金屬鋰涂層作為改善全超導(dǎo)托卡馬克第一壁燃料再循環(huán)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聚變反應(yīng)堆真空室內(nèi)部第一壁材料改性領(lǐng)域，具體是利用射頻放電和化學(xué)氣相沉積兩種方法實(shí)現(xiàn)對(duì)真空室第一壁表面的涂覆，從而實(shí)現(xiàn)改善全超導(dǎo)托卡馬克第一壁燃料再循環(huán)。
背景技術(shù)：
等離子體品質(zhì)與等離子體邊界再循環(huán)及雜質(zhì)的水平密切相關(guān)。等離子體品質(zhì)隨著整體再循環(huán)系數(shù)降低而增加。等離子體中雜質(zhì)主要來(lái)源于等離子體與壁相互作用，而雜質(zhì)的存在將會(huì)由輻射而導(dǎo)致等離子體能量的大量損失，影響等離子體溫度的分布及等離子體能量平衡過(guò)程，導(dǎo)致聚變功率的降低，稀釋等離子體燃料，所以聚變裝置第一壁材料的選擇及其表面狀態(tài)的控制是獲得高約束性能等離子體的關(guān)鍵之一。為了承受高溫等離子體的轟擊，獲得盡可能低的雜質(zhì)濃度，降低雜質(zhì)輻射能量損失，第一壁材料應(yīng)具有低原子序數(shù)、高熔點(diǎn)、高耐熱沖擊和低濺射等性能的材料。目前在托卡馬克裝置中研究的等離子體第一壁材料主要是石墨、鎢和鈹材料。石墨具有良好的熱性能、低輻射能量損失、很好的焊接技術(shù)、廣泛的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。然而，石墨材料的腐蝕及其再沉積導(dǎo)致的氫同位素的滯留將嚴(yán)重影響粒子的再循環(huán)，影響等離子體的密度控制，影響裝置的經(jīng)濟(jì)有效的運(yùn)行，并且在未來(lái)裝置中氚的滯留也會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的安全問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題。這些問(wèn)題導(dǎo)致以石墨作為等離子體邊界材料存在一些缺點(diǎn)，如需要長(zhǎng)時(shí)間壁處理、化學(xué)腐蝕導(dǎo)致壽命有限、在中子輻射下物理和機(jī)械性能降低、產(chǎn)生灰塵、在等離子體破裂時(shí)高熱負(fù)載下破碎損傷、氫滯留嚴(yán)重等缺點(diǎn)。為了提高第一壁材料的抗濺射能力和降低T的滯留，W材料目前也被選擇為第一壁的材料，但是等離子體對(duì)其容忍的含量很低、氧對(duì)其化學(xué)腐蝕及高活化性可能會(huì)影響其廣泛應(yīng)用。Be材料的優(yōu)點(diǎn)是低的原子序數(shù)、熱導(dǎo)大、吸氧能力好、一定的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)、低輻射能量損失、等離子體噴涂修復(fù)、很好的焊接技術(shù)、低的T滯留等。但是由于Be具有較低的熔化溫度、潛在的有毒性、相對(duì)高的濺射率，其應(yīng)用受到一定限制，一般用于能流密度不高的等離子體第一壁。而鋰材料具有非常優(yōu)異的核性能，是一種非常重要的聚變材料。鋰的低原子序數(shù)、高比熱、對(duì)雜質(zhì)和粒子再循環(huán)的強(qiáng)抑制能力、使其成為一個(gè)重要的、潛在的面對(duì)等離子體材料。鋰非?；顫?，易與氧、氮、碳及氧化物、硅酸鹽等物質(zhì)結(jié)合的能力，故可以有效吸收真空室中的02、N2、CO、H2O, CO2等雜質(zhì)，可以大大降低托卡馬克裝置中雜質(zhì)含量。鋰對(duì)H、D、T具有非常優(yōu)異的抽氣能力，每個(gè)鋰原子可以吸附10%的H、D、T原子。在500°C左右與氫發(fā)生反應(yīng)，并且是唯一能生成穩(wěn)定得足以熔融而不分解的氫化物的堿金屬，不會(huì)在等離子體放電中產(chǎn)生很高的粒子再循環(huán)。鋰的電離能較低，為5. 392eV，鋰一旦進(jìn)入等離子體將很快被電離。鋰在熱的等離子體中心區(qū)域會(huì)被完全電離，在較冷的等離子體邊界區(qū)域發(fā)生韌致輻射，在等離子體邊界產(chǎn)生的輻射將冷卻等離子體的邊界區(qū)域，這樣可以減少沿著磁力線流向限制器和偏濾器的對(duì)流功率流，并且將其分布在更大的表面上，從而減少局部的熱量積累、減輕了濺射效應(yīng)，盡可能地降低了真空室的雜質(zhì)含量及第一壁的腐蝕。鋰的電離能低的特點(diǎn)、使得鋰在進(jìn)入等離子體中心區(qū)前將在邊界區(qū)充分電離，同時(shí)鋰本身的再循環(huán)系數(shù)很低和低Z，可以減少鋰對(duì)中心等離子體的影響。另外，鋰具有較高的比熱，3. 6J/(g*K)，耐熱沖擊比較好。在FTU裝置上鋰化實(shí)驗(yàn)表明，鋰化后等離子體能量輻射比硼化后等離子體能量輻射降低了 50%，環(huán)電壓減少10% ;在鋰化及硼化后等離子體能量約束時(shí)間比金屬壁情況下提高I. 3倍；同時(shí)鋰化也有效地降低了氫的再循環(huán)。DIII-D鋰化壁處理對(duì)減少氧含量，避免大電流02. 2MA)情況下 的鎖模有明顯效果，并且大電流等離子體放電情況下的不易發(fā)生破裂放電，有利于大電流放電。TJ-II鋰化壁處理實(shí)驗(yàn)表明，粒子再循環(huán)降低，雜質(zhì)得到有效的抑制，鋰化壁處理更有利于中性束注入(NBI)等離子體放電。HL-IM通過(guò)鋰化壁處理，有效地減少了等離子體中的碳、氧雜質(zhì)含量；鋰化后，等離子體能量輻射損失較硅化壁處理后平均降低30% 50%。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決等離子體放電中第一壁材料高雜質(zhì)污染、高再循環(huán)問(wèn)題，使用鋰化壁處理的方法，在EAST磁約束聚變真空室內(nèi)第一壁表面均勻地涂覆10-20納米金屬鋰涂層，由于鋰是非?；顫姷慕饘俨牧?，對(duì)真空室中的02，N2, CO, H2O, CO2等雜質(zhì)具有很好的吸附作用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)第一壁材料的改性，降低等離子放電中的雜質(zhì)及再循環(huán)水平，從而快速、經(jīng)濟(jì)、有效的實(shí)現(xiàn)對(duì)等離子體性能的改善。利用金屬鋰涂層作為改善全超導(dǎo)托卡馬克第一壁燃料再循環(huán)的方法，其特征在于，包括有鋰化坩堝系統(tǒng)、波紋管傳送系統(tǒng)，所述的鋰化坩堝系統(tǒng)包括有鋰化坩堝、加熱系統(tǒng)、測(cè)溫系統(tǒng)，加熱系統(tǒng)的加熱裝置為加熱絲，所述的鋰化坩堝為敞口坩堝，鋰化坩堝內(nèi)部的中間位置設(shè)有一個(gè)垂直于坩堝底部的擋板，擋板的頂部開(kāi)有一個(gè)槽，位于擋板一側(cè)的鋰化坩堝的底部開(kāi)有一個(gè)孔一，鋰化坩堝頂部?jī)?nèi)側(cè)設(shè)有凹臺(tái)，凹臺(tái)上放有蓋板，蓋板上開(kāi)有一個(gè)與坩堝底部的孔一相對(duì)應(yīng)的孔二，蓋板與鋰化坩堝配合使用；
具體包括以下步驟
1)對(duì)磁約束裝置真空室進(jìn)行抽氣檢漏；
2)在99.9%的高純氬的保護(hù)下將固態(tài)的鋰棒放入鋰化坩堝內(nèi)底部無(wú)孔的一側(cè)；
3)使用離子回旋射頻波(ICRF)產(chǎn)生的脈沖式等離子體放電對(duì)磁約束裝置真空室內(nèi)的第一壁進(jìn)行清洗；放電的參數(shù)為PHe=0. 05Pa，功率20-30kW，占空比為I秒開(kāi)并I秒關(guān)，放電清洗時(shí)間為1-2小時(shí)(He-ICRF清洗不僅可以有效清除雜質(zhì)，也可以用于器壁所滯留的D2的清除，有效降低器壁所吸附的D2，改善粒子再循環(huán)，提高對(duì)等離子體體密度的控制能力；)；
4)在ICRF等離子體放電清洗過(guò)程中，將鋰化坩堝通過(guò)波紋管傳送系統(tǒng)壓縮送入到磁約束裝置真空室內(nèi)；
5)放電清洗結(jié)束后，通過(guò)調(diào)節(jié)加熱系統(tǒng)中加熱絲的電壓，開(kāi)始進(jìn)行鋰棒加熱，當(dāng)溫度加熱到大約攝氏300度左右，在真空室內(nèi)的鋰化坩堝附近開(kāi)始泛紅，隨著坩堝溫度的逐漸增加，真空室內(nèi)顏色逐漸變成血紅色，而且越來(lái)越紅(由于Li I線的波長(zhǎng)是671納米，在紅色可見(jiàn)光波的范圍，故鋰化放電的顏色為紅色，可以通過(guò)觀察放電過(guò)程中真空室內(nèi)的顏色來(lái)判斷鋰化的均勻程度)；最終鋰化坩堝的加熱電壓維持在大約80-90V，鋰化坩堝的蒸發(fā)溫度穩(wěn)定在攝氏550-600度；
6)鋰將從坩堝蒸發(fā)，在電場(chǎng)作用下將鋰離子彌散，擴(kuò)散到真空室內(nèi)，通過(guò)兩種不同的機(jī)制涂覆到第一壁上
①通過(guò)ICRF等離子體電離，在環(huán)向均勻ICRF等離子體的作用下彌散到第一壁，實(shí)現(xiàn)第一壁的均勻涂覆；具體操作如下 蓋板置于鋰化坩堝頂部的凹臺(tái)上，鋰蒸汽從蓋板上的孔二和鋰化坩堝底部的孔一中擴(kuò)散出來(lái)，擴(kuò)散出來(lái)進(jìn)入真空室后，在有強(qiáng)磁場(chǎng)的條件下，注入20-30千瓦的射頻波，使其產(chǎn)生均勻的脈沖式等離子體放電，放電介質(zhì)為氦氣，在放電的過(guò)程中，鋰離子被均勻的涂覆到第一壁表面，通過(guò)控制鋰化坩堝的加熱溫度及鋰化坩堝加熱時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)控制鋰的蒸發(fā)量，從而控制鋰涂層的厚度為10-20納米；
②通過(guò)化學(xué)氣相沉積的方式實(shí)現(xiàn)鋰涂覆，根據(jù)不同等離子物理放電的需要，通過(guò)使用設(shè)計(jì)巧妙的鋰蒸發(fā)坩堝和使用不同的蓋板，靈活實(shí)現(xiàn)對(duì)第一壁表面局部和整體進(jìn)行涂覆；具體操作如下
帶有孔的蓋板放在鋰化坩堝頂部的凹臺(tái)上，鋰蒸汽從蓋板上的孔二和鋰化坩堝底部的孔一中擴(kuò)散出來(lái)，鋰蒸氣進(jìn)入真空室后，向上、下兩個(gè)方向發(fā)散，通過(guò)化學(xué)氣相沉積的方式實(shí)現(xiàn)真空室內(nèi)上、下偏濾器區(qū)域的整體涂覆，通過(guò)控制鋰化坩堝的加熱溫度及鋰化坩堝加熱時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)控制鋰的蒸發(fā)量，從而控制鋰涂層的厚度為10-20納米。所述的通過(guò)化學(xué)氣相沉積的方式實(shí)現(xiàn)鋰涂覆，還可以使用小蓋板分別蓋上鋰化坩堝的底部和頂部的小孔，鋰蒸汽將分別從坩堝頂部蓋板上的孔二及底部的孔一中發(fā)射出來(lái)，分別向上和向下兩個(gè)方向發(fā)射鋰蒸汽，通過(guò)化學(xué)氣相沉積的方式分別實(shí)現(xiàn)上偏濾器及下偏濾器的局部涂覆。所述的鋰化坩堝和蓋板的材料為耐鋰腐蝕的316L不銹鋼。所述的加熱絲的參數(shù)為220V，27 Q, I. 5kW。本發(fā)明的原理是
利用金屬鋰涂層作為改善全超導(dǎo)托卡馬克第一壁燃料再循環(huán)的方法，一是利用射頻波產(chǎn)生的均勻的脈沖式等離子體放電將鋰電離，鋰離子在環(huán)向均勻的射頻等離子體放電作用下被均勻的涂覆到第一壁表面；二是利用化學(xué)氣象沉積的方法，通過(guò)使用設(shè)計(jì)巧妙的鋰蒸發(fā)坩堝和使用不同的擋板，可以靈活實(shí)現(xiàn)對(duì)第一壁表面局部和整體進(jìn)行涂覆，以便滿足不同等離子體物理試驗(yàn)的需求。由于鋰的蒸汽發(fā)射具有方向性，發(fā)射限為半球。蒸發(fā)源的發(fā)射按所研究的方向與表面法線間夾角呈余弦分布，即遵守克努曾定律，所以通過(guò)單向開(kāi)口的鋰化坩堝設(shè)計(jì)很難實(shí)現(xiàn)鋰的均勻涂覆。在EAST鋰化涂覆的過(guò)程中，在磁場(chǎng)的環(huán)境下，使用專門(mén)設(shè)計(jì)的離子回旋天線，產(chǎn)生20-30千瓦的射頻波，將蒸發(fā)的鋰原子電離成鋰離子，在環(huán)向均勻ICRF等離子體的作用下，將離子彌散到第一壁，實(shí)現(xiàn)第一壁的均勻鍍膜。由于EAST放電可以在不同的等離子位型下放電，比如雙零位型(Double Null,DN),單零位型(Single Null, SN,包括上單零位型(Upper Single Null, USN)和下單零位型(Lower Single Null, LSN))，在不同的位型下，等離子與第一壁的主要的相互作用位置將不同，鋰涂覆的位置必須滿足不同位型等離子放電的需要，才能獲得各種不同位型下的高性能等離子體放電。所以，為EAST鋰化壁處理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)帶蓋板的鋰化坩堝，通過(guò)蓋板的作用，靈活實(shí)現(xiàn)對(duì)不同位置第一壁的涂覆。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明利用鋰是一種原子序數(shù)低、非常活潑的材料金屬，可以有效吸收真空室中的
O2,N2, CO, H2O, CO2等雜質(zhì)，從而可以大大降低托卡馬克裝置中雜質(zhì)含量和粒子再循環(huán)的特點(diǎn)，對(duì)磁約束裝置真空室內(nèi)第一壁表面涂覆10-20納米金屬鋰涂層，可以快速、經(jīng)濟(jì)、有效的實(shí)現(xiàn)對(duì)第一壁材料的改性，進(jìn)而滿足聚變等離子體對(duì)第一壁低雜質(zhì)污染、低再循環(huán)的苛刻要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)等離子體性能的改善。


圖I是本發(fā)明的鋰化坩堝的設(shè)計(jì)圖。圖2是向上下同時(shí)發(fā)射鋰蒸汽的坩堝示意圖。圖3是向上下同時(shí)發(fā)射鋰蒸汽時(shí)在EAST裝置內(nèi)鋰蒸發(fā)的示意圖。
圖4是向上發(fā)射鋰蒸汽的坩堝示意圖。圖5是向下發(fā)射鋰蒸汽的坩堝示意圖。
具體實(shí)施例方式 如圖1-5所示，利用金屬鋰涂層作為改善全超導(dǎo)托卡馬克第一壁燃料再循環(huán)的方法，包括有鋰化坩堝系統(tǒng)、波紋管傳送系統(tǒng)，鋰化坩堝系統(tǒng)包括有鋰化坩堝I、加熱系統(tǒng)、測(cè)溫系統(tǒng)，加熱系統(tǒng)的加熱裝置為加熱絲，鋰化坩堝I為敞口坩堝，鋰化坩堝I內(nèi)部的中間位置設(shè)有一個(gè)垂直于坩堝底部的擋板2，擋板2的頂部開(kāi)有一個(gè)槽3，位于擋板2 —側(cè)的鋰化坩堝I的底部開(kāi)有一個(gè)孔一 4,鋰化坩堝I頂部?jī)?nèi)側(cè)設(shè)有凹臺(tái)5,凹臺(tái)5上放有蓋板6,蓋板6上開(kāi)有一個(gè)與坩堝底部的孔一 4相對(duì)應(yīng)的孔二 7，蓋板6與鋰化坩堝I配合使用；
具體包括以下步驟
1)對(duì)磁約束裝置真空室進(jìn)行抽氣檢漏；
2)在99.9%的高純氬的保護(hù)下將固態(tài)的鋰棒放入鋰化坩堝I內(nèi)底部無(wú)孔的一側(cè)；
3)由于鋰是原子序數(shù)最小、非?；顫姷慕饘僭?。鋰與真空室壁表面及空間的離子、原子和分子直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在真空室內(nèi)表面形成比較穩(wěn)定的固態(tài)化合物，如=Li2C2,Li2O, LiOH, Li2CO3, LiHCO3等，降低了鋰膜的活性，所以在鋰化壁處理以前，先使用ICRF放電對(duì)真空室壁進(jìn)行清洗，即使用離子回旋射頻波(ICRF)產(chǎn)生的脈沖式等離子體放電對(duì)磁約束裝置真空室內(nèi)的第一壁進(jìn)行清洗；放電的參數(shù)為PHe=0. 05Pa，功率20-30kW，占空比為I秒開(kāi)并I秒關(guān)，放電清洗時(shí)間為1-2小時(shí)(He-ICRF清洗不僅可以有效清除雜質(zhì)，也可以用于器壁所滯留的D2的清除，有效降低器壁所吸附的D2,改善粒子再循環(huán)，提高對(duì)等離子體體密度的控制能力。)；
4)在ICRF等離子體放電清洗過(guò)程中，將鋰化坩堝通過(guò)波紋管傳送系統(tǒng)壓縮送入到磁約束裝置真空室內(nèi)；
5)放電清洗結(jié)束后，通過(guò)調(diào)節(jié)加熱系統(tǒng)中加熱絲的電壓，開(kāi)始進(jìn)行鋰棒加熱，當(dāng)溫度加熱到大約攝氏300度左右，在真空室內(nèi)的鋰化坩堝附近開(kāi)始泛紅，隨著坩堝溫度的逐漸增力口，真空室內(nèi)顏色逐漸變成血紅色，而且越來(lái)越紅(由于LiI線的波長(zhǎng)是671納米，在紅色可見(jiàn)光波的范圍，故鋰化放電的顏色為紅色，可以通過(guò)觀察放電過(guò)程中真空室內(nèi)的顏色來(lái)判斷鋰化的均勻程度)；最終鋰化坩堝的加熱電壓維持在大約80-90V，鋰化坩堝的蒸發(fā)溫度穩(wěn)定在攝氏550-600度；
6)鋰將從坩堝蒸發(fā)，在電場(chǎng)作用下將鋰離子彌散，擴(kuò)散到真空室內(nèi)，通過(guò)兩種不同的機(jī)制涂覆到第一壁上① 通過(guò)ICRF等離子體電離，在環(huán)向均勻ICRF等離子體的作用下彌散到第一壁，實(shí)現(xiàn)第一壁的均勻涂覆；具體操作如下
蓋板6置于鋰化坩堝I頂部的凹臺(tái)5上，鋰蒸汽從蓋板上的孔二 7和鋰化坩堝底部的孔一 4中擴(kuò)散出來(lái)，擴(kuò)散出來(lái)進(jìn)入真空室后，在有強(qiáng)磁場(chǎng)的條件下，注入20-30千瓦的射頻波，使其產(chǎn)生均勻的脈沖式等離子體放電，放電介質(zhì)為氦氣，在放電的過(guò)程中，鋰離子被均勻的涂覆到第一壁表面，通過(guò)控制鋰化坩堝的加熱溫度及鋰化坩堝加熱時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)控制鋰的蒸發(fā)量，從而控制鋰涂層的厚度為10-20納米；
②通過(guò)化學(xué)氣相沉積的方式實(shí)現(xiàn)鋰涂覆，根據(jù)不同等離子物理放電的需要，通過(guò)使用設(shè)計(jì)巧妙的鋰蒸發(fā)坩堝和使用不同的蓋板，靈活實(shí)現(xiàn)對(duì)第一壁表面局部和整體進(jìn)行涂覆；具體操作如下
如圖1、2、3所示，帶有孔的蓋板6放在鋰化坩堝頂部I的凹臺(tái)5上，鋰蒸汽從蓋板上的孔二 7和鋰化坩堝I底部的孔一 4中擴(kuò)散出來(lái)，鋰蒸氣進(jìn)入真空室后，向上、下兩個(gè)方向發(fā)散，通過(guò)化學(xué)氣相沉積的方式實(shí)現(xiàn)真空室內(nèi)上、下偏濾器區(qū)域的整體涂覆，通過(guò)控制鋰化坩堝的加熱溫度及鋰化坩堝加熱時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)控制鋰的蒸發(fā)量，從而控制鋰涂層的厚度為10-20納米。如圖1、4、5所示，通過(guò)化學(xué)氣相沉積的方式實(shí)現(xiàn)鋰涂覆，還可以使用小蓋板分別蓋上鋰化坩堝的底部和頂部的小孔，鋰蒸汽將分別從坩堝頂部蓋板上的孔二及底部的孔一中發(fā)射出來(lái)，分別向上和向下兩個(gè)方向發(fā)射鋰蒸汽，通過(guò)化學(xué)氣相沉積的方式分別實(shí)現(xiàn)上偏濾器及下偏濾器的局部涂覆。鋰化坩堝和蓋板的材料為耐鋰腐蝕的316L不銹鋼。加熱絲的參數(shù)為220V，27Q, I. 5kW。通過(guò)離子回旋等離子體輔助的鋰化壁處理，在環(huán)向獲得較均勻的鋰涂覆。通過(guò)使用設(shè)計(jì)巧妙的坩堝和不同的蓋板，對(duì)EAST裝置第一壁的整體及局部實(shí)現(xiàn)了靈活鋰涂覆。通過(guò)對(duì)磁約束裝置真空室內(nèi)第一壁表面涂覆10-20納米金屬鋰涂層，實(shí)現(xiàn)了快速、經(jīng)濟(jì)、有效的對(duì)第一壁材料改性。發(fā)現(xiàn)鋰化壁處理極其有效地改善了粒子再循環(huán)，降低等離子體雜質(zhì)水平，減少等離子體雜質(zhì)輻射，有效降低H/ (H+D)，和抑制MHD行為，極大提高等離子體約束能力，理論上預(yù)測(cè)研究實(shí)驗(yàn)上都觀察到降低從L模轉(zhuǎn)換到H模放電閾值功率，促進(jìn)H模等離子體的獲得，也有利于高參數(shù)、長(zhǎng)脈沖放電。目前可以確認(rèn)鋰化壁處理是EAST目前的最佳壁處理模式。這有可能從根本上改變托卡馬克等離子體的性質(zhì)，為EAST更高參數(shù)、更長(zhǎng)脈沖、高品質(zhì)H模放電、提高離子回旋加熱效率提供良好的第一壁條件，對(duì)ITER和將來(lái)的DEMO也有深遠(yuǎn)的意義。
權(quán)利要求
1.一種利用金屬鋰涂層作為改善全超導(dǎo)托卡馬克第一壁燃料再循環(huán)的方法，其特征在于，包括有鋰化坩堝系統(tǒng)、波紋管傳送系統(tǒng)，所述的鋰化坩堝系統(tǒng)包括有鋰化坩堝、加熱系統(tǒng)、測(cè)溫系統(tǒng)，加熱系統(tǒng)的加熱裝置為加熱絲，所述的鋰化坩堝為敞口坩堝，鋰化坩堝內(nèi)部的中間位置設(shè)有一個(gè)垂直于坩堝底部的擋板，擋板的頂部開(kāi)有一個(gè)槽，位于擋板一側(cè)的鋰化坩堝的底部開(kāi)有一個(gè)孔一，鋰化坩堝頂部?jī)?nèi)側(cè)設(shè)有凹臺(tái)，凹臺(tái)上放有蓋板，蓋板上開(kāi)有一個(gè)與坩堝底部的孔一相對(duì)應(yīng)的孔二，蓋板與鋰化坩堝配合使用； 具體包括以下步驟 對(duì)磁約束裝置真空室進(jìn)行抽氣檢漏； 在99. 9%的高純氬的保護(hù)下將固態(tài)的鋰棒放入鋰化坩堝內(nèi)底部無(wú)孔的一側(cè)； 使用離子回旋射頻波(ICRF)產(chǎn)生的脈沖式等離子體放電對(duì)磁約束裝置真空室內(nèi)的第一壁進(jìn)行清洗；放電的參數(shù)為工作氣體為氦，PHe=0. 05Pa，功率20-30kW，占空比為I秒開(kāi)并I秒關(guān)，放電清洗時(shí)間為1-2小時(shí)； 在ICRF等離子體放電清洗過(guò)程中，將鋰化坩堝通過(guò)波紋管傳送系統(tǒng)壓縮送入到磁約束裝置真空室內(nèi)； 放電清洗結(jié)束后，調(diào)節(jié)加熱系統(tǒng)中加熱絲的電壓，開(kāi)始進(jìn)行鋰棒加熱，當(dāng)溫度加熱到大約攝氏300度左右，在真空室內(nèi)的鋰化坩堝附近開(kāi)始泛紅，隨著坩堝溫度的逐漸增加，真空室內(nèi)顏色逐漸變成血紅色，而且越來(lái)越紅；最終鋰化坩堝的蒸發(fā)溫度穩(wěn)定在攝氏550-600度； 鋰將從坩堝蒸發(fā)，在電場(chǎng)作用下將鋰離子彌散，擴(kuò)散到真空室內(nèi)，通過(guò)以下兩種不同的機(jī)制涂覆到第一壁上 ①通過(guò)ICRF等離子體電離，在環(huán)向均勻ICRF等離子體的作用下彌散到第一壁，實(shí)現(xiàn)第一壁的均勻涂覆；具體操作如下 蓋板置于鋰化坩堝頂部的凹臺(tái)上，鋰蒸汽從蓋板上的孔二和鋰化坩堝底部的孔一中擴(kuò)散出來(lái)進(jìn)入真空室，在有強(qiáng)磁場(chǎng)的條件下，注入20-30千瓦的射頻波，使其產(chǎn)生均勻的脈沖式等離子體放電，放電介質(zhì)為氦氣，在放電的過(guò)程中，鋰離子被均勻的涂覆到第一壁表面，通過(guò)控制鋰化坩堝的加熱溫度及鋰化坩堝加熱時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)控制鋰的蒸發(fā)量，從而控制鋰涂層的厚度為10-20納米； ②通過(guò)化學(xué)氣相沉積的方式實(shí)現(xiàn)鋰涂覆，根據(jù)不同等離子物理放電的需要，通過(guò)使用設(shè)計(jì)巧妙的鋰蒸發(fā)坩堝和使用不同的蓋板，靈活實(shí)現(xiàn)對(duì)第一壁表面局部和整體進(jìn)行涂覆；具體操作如下 帶有孔的蓋板放在鋰化坩堝頂部的凹臺(tái)上，鋰蒸汽從蓋板上的孔二和鋰化坩堝底部的孔一中擴(kuò)散出來(lái)，鋰蒸氣進(jìn)入真空室后，向上、下兩個(gè)方向發(fā)散，通過(guò)化學(xué)氣相沉積的方式實(shí)現(xiàn)真空室內(nèi)上、下偏濾器區(qū)域的整體涂覆，通過(guò)控制鋰化坩堝的加熱溫度及鋰化坩堝加熱時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)控制鋰的蒸發(fā)量，從而控制鋰涂層的厚度為10-20納米。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用金屬鋰涂層作為改善全超導(dǎo)托卡馬克第一壁燃料再循環(huán)的方法，其特征在于，所述的通過(guò)化學(xué)氣相沉積的方式實(shí)現(xiàn)鋰涂覆，還可以使用小蓋板分別蓋上鋰化坩堝的底部和頂部的小孔，鋰蒸汽將分別從坩堝頂部蓋板上的孔二及底部的孔一中發(fā)射出來(lái)，分別向上和向下兩個(gè)方向發(fā)射鋰蒸汽，通過(guò)化學(xué)氣相沉積的方式分別實(shí)現(xiàn)上偏濾器及下偏濾器的局部涂覆。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用金屬鋰涂層作為改善全超導(dǎo)托卡馬克第一壁燃料再循環(huán)的方法，其特征在于，所述的鋰化坩堝和擋板、蓋板的材料為耐鋰腐蝕的316L不銹鋼。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用金屬鋰涂層作為改善全超導(dǎo)托卡馬克第一壁燃料再循環(huán)的方法，，其特征在于，所述的加熱絲的參數(shù)為220V，27 Q，I. 5kW。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種利用金屬鋰涂層作為改善全超導(dǎo)托卡馬克第一壁燃料再循環(huán)的方法，包括有鋰化坩堝系統(tǒng)、波紋管傳送系統(tǒng)，鋰化坩堝系統(tǒng)包括有鋰化坩堝、加熱系統(tǒng)、測(cè)溫系統(tǒng)，加熱系統(tǒng)的加熱裝置為加熱絲，通過(guò)射頻放電輔助沉積或化學(xué)氣象沉積的方法對(duì)磁約束裝置真空室內(nèi)第一壁表面涂覆10-20納米金屬鋰涂層，以實(shí)現(xiàn)對(duì)第一壁材料的改性，滿足聚變等離子體對(duì)第一壁低雜質(zhì)污染、低再循環(huán)的苛刻要求。本發(fā)明通過(guò)對(duì)第一壁表面實(shí)施鋰涂層，可以快速、經(jīng)濟(jì)、有效的實(shí)現(xiàn)對(duì)等離子體性能的改善，以便滿足不同等離子體物理試驗(yàn)的需求。
文檔編號(hào)C23C14/32GK102653856SQ20121011153
公開(kāi)日2012年9月5日 申請(qǐng)日期2012年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月16日
發(fā)明者孫震, 左桂忠, 李建剛, 胡建生 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所