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等离子体腐蚀壁材料的模拟实验装置及行为特性研究

龙海川  
【摘要】:磁约束托卡马克(Tokamak)放电期间,第一壁直接与等离子体相互作用,壁表面不可避免的发生高温腐蚀和辐照损伤,难以进行在线测量等离子体与壁相互作用(PWI)下的壁腐蚀情况。因此,同位素示踪表征壁材料腐蚀程度是研究壁腐蚀输运沉积行为的关键手段。本课题采用激光诱导等离子体(LIP)进行离线模拟托卡马克壁材料的腐蚀行为,阐明激光诱导等离子体对壁材料的耦合作用规律,对同位素示踪表征托卡马克等离子体腐蚀壁材料标定具有重要意义。本课题主要是针对HL-2A/2M托卡马克装置中第一壁石墨材料。利用激光诱导等离子扫描刻蚀装置研究真空条件下不同激光参数、气压和气氛诱导的等离子体对壁材料腐蚀的行为特性;激光诱导等离子体扫描运动速度对壁材料腐蚀形貌的影响规律,其主要内容如下:(1)搭建一套激光诱导等离子体腐蚀壁材料的模拟实验装置-激光诱导等离子扫描刻蚀装置,能够通过激光诱导等离子体在一定气氛保护作用下对壁材料表面进行腐蚀。(2)通过直接成像法,采用透过率0.01%的中性衰减滤光片观察真空环境下,激光功率(200W,250W,300W,350W,400W)、离焦量(0mm,5mm,10mm,15mm,20mm)以及扫描运动速度(8mm/s,10mm/s,12mm/s,14mm/s)下诱导的类似羽辉特性;通过质量损失和显微标尺分别得出腐蚀率和腐蚀深度,并通过腐蚀率的直线拟合计算出烧蚀阈值。(3)研究了大气和真空环境下激光诱导等离子体腐蚀壁材料的行为特性差异。(4)研究了纯Ar压强(0.04MPa,0.07MPa,0.10MPa,0.13MPa)下激光诱导的腐蚀率、腐蚀深度、腐蚀轮廓以及羽辉变化,并观察该条件下的表面形貌差异。研究表明,相比于大气环境,真空下的壁材料腐蚀率有所降低。激光功率与离焦量的变化对壁材料具有相类似的腐蚀行为,腐蚀深度和腐蚀率都成线性关系。高激光功率密度下的羽辉现象更加明显,激光功率密度越高,羽辉尺寸越大,向外喷射越高,腐蚀表面一般为锯齿形,腐蚀轮廓呈现“V”字型。低激光功率密度的腐蚀表面呈现出波浪形貌,腐蚀轮廓呈现“U”字型。随着扫描运动速度的增加,腐蚀轮廓从“U”向“V”字型转变,羽辉尺寸基本一致,但向外喷射方向越趋于水平。此外,真空下的碳等离子体是以柱状向外喷射,处于自由膨胀状态,但纯Ar环境下出现与等离子体相互作用而导致腐蚀有所减缓的情况,腐蚀轮廓出现规则的“阶梯和阶梯式斜坡”。同时Ar压强上升将导致类似于羽辉的形状从圆柱向线性转变,向外喷射高度有所降低,逐渐由有序转变成无序状态。


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