国外工作汇报及锂实验未来规划

1. 国外工作汇报及锂实验未来规划 左桂忠 胡建生 孙震 李建刚 2011.3.4 中科院合肥等离子体所

2. 目录 • 实验背景 • 国外锂第一壁实验及国外工作汇报 • 锂实验研究现状 • 锂实验未来的物理研究目标 • 锂第一壁的实验计划 • 2011年工作安排

3. 实验背景 • 装置第一壁材料的选择及其表面状态的控制是获得高约束性能等离子体的关键之一。 • 锂的性质：低的原子序数、高比热、对杂质和粒子再循环的强抑制能力。 • 锂，尤其是液态锂，作为第一壁的优势： • 有利于等离子体性能的改善： • 可以有效减少杂质，抑制再循环； • 有利于降低边界电子热输运； • 有利于提高等离子体内能； • 有利于减少等离子体不稳定性（MHD）行为； • 有利于降低高约束模的能量阈值； • 有利于抑制边界局域模的产生； • 带走等离子体轰击产生的热量，保持高效的氢抽取能力； • 解决高热负载下第一壁的腐蚀问题。

4. Lower edge recycling Very low edge fueling Lithium PFC Lower internal temperature gradient Edge temperature rise Reduce temperature gradient-driven turbulence Lower anomalous transport Improvement of plasma confinement

6. 国外锂第一壁实验及国外工作汇报 • Lithium limiter experiments employed in CDX-U（upgraded machine LTX with total metal PFC ）, FTU and T-11M (LLD on NSTX)，and lithium wall conditioning in TFTR , TJ-II , NSTX …, dramatically improved the plasma performance. Lithium limiters on FTU Lithium limiters on T-11M

9. Lithium deposited on the top of B-coated wall • By boronization, low Z plasma was achieved , but the density control was impossible in NBI

10. NSTX上锂实验 • The NSTX plan for lithium particle control and power handling is entering its 3rd Phase: • Lithium Injection Experiments [LPI] (2004-2008) • Li pellet injection: 2-5 mg pellets, on graphite divertor (2005) • Li powder tests: 50 μm Li powder on graphite divertor (2007-2010) • Lithium EvaporatoR [LITER] (2006-2010) • LITER: deposition on graphite (2006-2009) • LITER: deposition on graphite and Liquid Lithium Divertor (2010) • Liquid Lithium Divertor [LLD]: NSTX SNL Collaboration (2010-2012) • LLD-1: Li evaporated on thin porous Mo/SS on Cu baseplate (2010) • LLD-2: Li capillary flow to load a Mo mesh or foam surface over wider area（？）

11. 锂球注入与锂粉注入

12. Liters 注入系统

13. NSTX 锂化实验结果 Reduces hydrogen recycling • Reduces H-mode threshold power by up to a factor 4 • Improves confinement – Electron confinement increased up to 40% – Broader Te reduces both inductive and resistive flux consumption • Lithium, in conjunction with active error field correction and mode control has enabled longer pulse lengths within flux limit • Suppresses ELMs in H-mode plasmas – ELM suppression increases carbon and high-Z metallic impurities – Lithium concentration remains very low – Metals responsible for secular rise in central radiation: source not identified – ELMs triggered by external coils reduced deleterious effects of impurities

15. Quiescent phases (*) increase with increasing lithium coating (PNBI = 4 MW) No lithium Increasing lithium coating 129019 * 129021 * * 129023 Div. Da * * 129027 129030 * * * 129038 (PNBI = 2 MW) * D. Mansfield, JNM 2009 15

16. 液态锂偏滤器（LLD） • NSTX在进行了几轮实验的锂化壁处理实验后，上轮实验尝试使用液态锂偏滤器结构（LLD）

17. NSTX上LLD锂实验 • NSTX上LLD经过第一次实验虽然取得了一些很好的结果，但是有存在一定的问题 • 除LLD外其他为碳壁，等离子体轰击导致的碳等物质的溅射，沉积到LLD上，导致锂表面有很多碳等杂质 • 锂的加入较麻烦，通过顶部的liters进行锂的蒸发的方式去补给锂，这样只有一部分的锂沉积在LLD的表面，这样的方式和锂化壁处理的方式基本一致，很难界定是锂化壁的作用还是LLD 的作用，另一方面，LLD上每次只能涂覆很薄的锂层，故要重复的进行锂的涂覆。 • 在LLD的第一次使用的开始阶段，四段LLD 中的一段加热丝部分出现问题，故实验中只使用了三段（270度角） • 目前NSTX正在积极探讨LLD的优化及锂补给的优化方案

18. NSTX上锂注入研究 Liters注入系统 锂阀 锂的波纹管注入/引出装置

19. 锂的清洗（H.Kugel） • 一轮实验中间开窗口 • 在NSTX2010年实验中，暴露大气五次 • 充氩气5-10psi • 人员不进入，全部工作在外部完成 • 封窗口后，使用He GDC 壁处理，然后使用更多的锂涂覆（liters） • 实验结束后壁的清洗 • 实验中锂在真空室内残气（水，一氧化碳，二氧化碳）作用下主要转化成LiOH以及部分的Li2O和Li2CO3 • 打开装置暴露大气一周，使得里面的锂在湿润空气的作用下全部转化为稳定的Li2CO3，然后工人进入拍照，查看 • 使用湿润的不易燃的布蘸取去离子水清洗 • 石墨瓦使用簺纸打磨（Scotchbrite），移除Li2CO3 • 金属壁使用5%浓度的乙酸（CH3COOH）清洗，把Li2CO3转化为水溶性的LiC2H3O2,然后使用湿润的防火布蘸取去离子水清洗 • 使用酒精做最后的清洗 • 下轮实验处理 • 初期抽真空 • 烘烤，石墨到350度，不锈钢到150度 • 一些小时的HeGDC • 锂化8小时20mg/min

20. LTX上锂实验 • LTX是在CDX-U的基础上改造的专门研究锂壁的托卡马克 • 全部的第一壁为金属壁，表面为不锈钢，下面是铜热沉 • 使用两套锂的波纹管传动的坩埚来进行锂的涂覆 • 加热热沉（4 shells），是的锂保持在熔点（181度）以上，其他真空室壁在50度左右 • 由于简单的浸润及表面张力的作用，锂的厚度在约100微米 • 分子束加料及NBI将被发展实现中心加料 Lithium limiters on CDX-U

21. LTX上锂实验 钽 LTX第一壁结构 Y2O3（氧化钇） • 坩埚蒸发结构 • 坩埚蒸发传动结构 • 1.5mm厚的304L不锈钢，下面是1cm后的 OFHC copper，铜下面镀了一层薄薄的镍. • LTX中的蒸发坩埚系统和EAST上较为相似，但是他们坩埚使用的是氧化钇，该位置在高温下不会产生锂的浸润，外面的钽加热结构经久耐用。

22. Thermoelectric effect Lithium j • Like a thermocouple, a voltage is created at a junction of two metals dependent on the temperature. • A current will flow based on that voltage difference: where σ is the conductivity, and ΔS is the difference in Seebeck coefficients. There is a large difference in S between Li and most other metals and it increases with T. Hot Cold Molybdenum Seebeck Coefficient of Li Black: CPMI measurementsLithium j

23. Theory: TCMHD and TEMHD Thermocapillary and TEMHD produce different flow patterns TC forces act parallel to surface gradients in surface tension – force vectors radiate away from heat stripe (induce poloidal flow) TEMHD forces are produced in the bulk lithium due to gradients at the lithium-steel interface TE current the same process as produces voltages in thermocouple junctions Cross-product of JTEMHD and B results in azimuthal flow Beam generated forces (JxB) also result in an azimuthal flow (current converges into impact point) – sense of rotation is opposite of TEMHD Increased field damps both flows TCMHD is damped byB-2 TEMHD is damped as B-1 at high fields (due to thermoelectric propulsive force) Qinput Surface tension drives flow Thermocapillary force vectors. TEMHD current diagram.

24. 限制器表面热移除的方式 • 通过锂的表面蒸发作用移除部分热量 • 接受热流轰击的高温液态锂区域可以向热沉（径向）及锂的低温区（极向）通过热传导进行热流的传递 • 由于温度的不同引起的液态锂表面张力的不同，从而 产生所谓TCMHD驱动的对流（？） • 由于TEMHD驱动产生的液锂的流动带走热量 • 主动的锂流动，在锂的流入时给锂一定的初速度，然后流经高温区带走热量 • · 蒸发项 径向热传导项 定向运动带走的热量项 其他

25. Limit 实验介绍 方形模块倾斜放置 实验装置 不锈钢槽模块 钽的cps结构 钼槽模块

26. 锂的浸润、接触角及表面张力 • 浸润： • 浸润指液体与固体发生接触时，液体附着在固体表面或渗透到固体内部的现象，此时对该固体而言，该液体叫做浸润液体。 • 如果液体对固体浸润，同时固体内部存在毛细管，那么因为毛细作用，液体会渗透到固体的内部。 • 接触角： • 在液体/气体界面接触固体表面而形成的夹角。 • 液滴将会完全地平在固体表面上，而其接触角约为0°。 • 对于高疏水性的表面，其对水的接触角可高达150°或甚至近180°。 • 表面张力： • 表面张力促使液体缩小其表面面积，来减少未满足的化学价。由于球面是同样体积下面积最小的体，因此在没有外力的情况下（比如在失重状态下），液体在平衡状态下总是呈球状。 • 毛细力是表面张力在毛细管中的表现

27. 锂的浸润、接触角及表面张力 不浸润条件下的锂球（冷壁） 部分浸润的钽cps模块 • 实验中，遇到很多关于锂的浸润问题： • 锂的浸润自然与浸润固体的种类有关，钼的浸润性要比不锈钢好，对钨很难浸润 • 锂的浸润与温度有关，高温比低温更容易浸润 • 锂的浸润与锂的纯度有关，含杂质的液态锂较难浸润 含杂质较多的锂难以浸润

28. 液态锂在不锈钢槽内流动

29. Limit结构材料的选择 • 对于限制器的槽体（trench）材料原计划使用Mo，因为Mo材料具有高的溅射功率阈值。但是Mo材料也有两个弱点：1，高的热导，当表面受到heat flux 轰击时，在底面和表面间的温度梯度可能会不够大，至少没有不锈钢的大，因为不锈钢的热导较小；2，大的seebeck系数（TE MHD电流与锂和钼的seebeck系数差成正比），那么和锂作用必然会产生更小的TeMHD电流，由此产生更小的在trench中的驱动锂流动的力。故目前设计限制器的话仍考虑不锈钢做limit结构材料。

30. 锂实验研究现状 • HT-7锂限制器实验 • 2009年第一轮锂限制器实验 • 自由的锂表面 • 限制器面积约377cm2（13cm宽，29cm长） • 锂的厚度3mm • 不锈钢热沉，周围Mo片保护 • HT-7及EAST装置上的锂限制器及锂化壁处理实验，发现锂壁对再循环及杂质的抑制有很好的作用。 • 通过使用锂限制器，尤其是液态锂限制器后，等离子体的约束（粒子约束及能量约束）提高，等离子体的性能得到一定的改善。 • 2009年第二轮锂限制器实验 • CPS结构：两层不锈钢网平铺在限制器表面 • 其他结构和第一次实验类似 • 通过使用CPS网状结构，锂的约束较第一实验好

31. 锂实验研究现状 • 锂化壁处理实验 • 2009年EAST实验后期首次使用锂化壁处理 • 坩埚的加热丝放置在陶瓷槽内 • 仅仅有一个坩埚从D窗口深入装置 • 坩埚仅能伸到R约2.6米的位置 • 坩埚加热到335度，加热丝断路 • 实验后观察到仅仅2g锂被消耗 • 锂化后等离子体放电杂质有一定程度的降低，电子温度的剖面更宽 • 2009年HT-7锂化壁处理实验 • 在锂限制器上的锂消耗殆尽的情况下，加热锂限制器到较高的温度，实施锂化壁处理实验（有尽量用尽锂限制器上剩余的锂的目的） • 实验发现等离子的密度能够较好的控制，等离子性能有所提高。 Lithium oven

32. 锂实验研究现状 • 锂化壁处理实验 • 2010年春季的EAST锂化壁处理实验 • 坩埚经过改进，加大坩埚的容量，使用不锈钢坩埚结构，定制铠装的加热丝；但是实验中发现加热丝仍然容易断路。 • 开始第一次使用两个坩埚，一个在D窗口，另一个在M窗口，D窗口坩埚深入1.37米，M窗口坩埚深入1.42米，第一次锂化实验后由于D窗口坩埚离CCD镜头太近，故以后的几次锂化仅仅使用M窗口的坩埚。 • 实验发现锂对杂质辐射及MHD具有很好的抑制作用，锂化后等离子放电很‘干净’。 • 2010年第二轮EAST锂化壁处理实验 • 重新定制坩埚，改变加热丝结构，延长冷端和加热器之间的距离，通过如此改进本轮实验中加热丝没有由于正常操作而断路的意外发生。 • 延长一套波纹管的长度，是的坩埚能深入1.8米，改变传动结构为电机自动传动。 • 十一月六号前，一套（深入1.8m）在J窗口，另一套仍在M窗口（深入1.42m），十一月六号把J窗口的坩埚移到F窗口，目的使得锂化更均匀分布。 • 本轮实验共进行了66次坩埚锂化壁处理实验，使用将近1kg的锂。 • 锂化降低了氢氘比，抑制了中性粒子的再循环，等离子约束提高，首次实现了H膜，为1MA等离子体，100s长脉冲放电，6.4sH膜的获得提供了必要条件。

33. oven Red zone during lithium coating Red zone during lithium coating oven 2010年实验坩埚及其电机传动结构 坩埚位置及锂化涂覆范围分布

34. 锂实验研究现状 • 锂化壁处理实验 • 2010年春季锂球注入实验 • 等离子放电中锂粉进入等离子体sol区，在等离子体作用下电离，由于锂是底Z物质，绝大部分集中在等离子的边界区域，形成一层锂的保护层，在一定程度上隔断等离子体与第一壁的接触；同时锂围绕磁力线做螺旋运动，最终涂覆到第一壁上，形成锂的涂覆层。 • 锂球注入系统来自PPPL实验室（Dennis K Mansfield），安装在EAST上的H窗口顶部，锂的注入端靠近高场侧。 • 锂粉的直径44µm • 锂球注入发现对MHD的抑制很有效 dropper

35. 锂实验研究现状 • 锂化壁处理实验 • 2010年第二轮实验中锂球注入实验 • 锂的注入速度约50mg/s • 使用锂粉中的等离子放电有550炮 • 总共使用约38.9g的锂粉 • 通过锂粉注入发现等离子约束性能提高，第一次H膜放电32525是在约20炮锂粉后得到的。 • 锂粉注入有利于长脉冲放电及长时间高性能H膜等离子体的获得。

36. 锂实验未来的物理研究目标 • 锂化壁处理的研究目标： • 研究不同锂化方式（坩埚蒸发（ICRF、GDC…）和锂球注入）对等离子性能（再循环、杂质、约束时间等）的影响 • 研究不同阶段锂的注入对等离子体特性的影响及影响机制 • 研究锂化过程中锂的分布与其他因素的关系,如He的气压，坩埚的数量，坩埚深入的距离等，并同时进行理论模拟，使得锂化更均匀 • 研究锂化壁与等离子体的相互作用，包括物理溅射及化学相互作用等 • 研究不同第一壁物质（不锈钢、钼、石墨）下的锂化壁的效果及锂与壁的相互作用

37. 锂实验未来的物理研究目标 • 液态锂第一壁实验的物理研究目标 • 研究不同的限制器模型（自由表面、CPS结构，三明治式结构等）下等离子体与锂限制器的相互作用，对等离子体的放电的影响，以及锂的表面的受力分析（MHD drag ，TC和TEMHD force等）和锂表面温度，锂的表面状态，锂的表面发射等，找到适合的限制器模型 • 重点研究CPS结构和limit限制器模型，对limit模型做理论模拟，研究使得液态锂流动下的最佳温度（上部槽内的温度及下面循环槽内的温度） • 研究液态锂的注入方法（锂泵注入，氩气压入，波纹管压入），锂在管道中的流动与磁场的相互作用及受到的粘滞阻力等， 锂在限制器表面的流动方式（极向或环向），以及锂的浸润性等与物理相关的内容

38. 锂化壁处理的实验计划 • 2011年度在HT-7上开展锂化壁处理实验，采用坩埚锂化和锂球注入相结合的方法 • 在二号几组窗口的末端使用能压缩1.8m的波纹管（末端法兰到不锈钢壁的距离大约1.5米） • 在一号几组南侧的法兰处装上能压缩1.42m的波纹管 • 在装置南偏西的顶部窗口处装锂球注入系统（硬x射线诊断同一窗口） • 研究锂化：等离子体放电前的通过坩埚蒸发锂化及放电中通过坩埚蒸发及锂球注入系统注入的实时锂化壁处理。 • 2011年EAST上锂化 • 坩埚系统的改进 • 改进坩埚结构，现有的坩埚结构是坩埚开口向上的圆桶，那么在坩埚蒸发的过程中，锂蒸汽的分布将是沿着坩埚开口方向的倒圆锥分布，在坩埚的下部，像下偏滤器位置锂的分布很少，故下轮实验将改进坩埚的开口方向，使得锂沉积的更加均匀。 • 增加两套新的锂化坩埚系统，使得坩埚能深入真空室内更深的位置。

39. 锂化壁处理的实验计划 • 2011年EAST上锂化 • 锂球注入系统改进 • 设计另外的锂球注入系统，在原有的基础上对系统进行升级，下轮EAST锂化将有四套锂化系统，故下轮实验需要另外两个窗口，窗口申请？？另外的可能的注入锂方式可以参考NSTX上的liter；由于锂粉的沉积可能于锂球的注入位置相关，也就是从顶部注入的锂粉主要沉积在装置上半部分的第一壁上，故可能考虑从中平面处进行锂粉的注入；pppl研发的利用电动叶片扇动的方法进行锂球的注入可以注入几种尺寸的锂球，大尺寸的锂球可以有效地激发ELM，从而可以有效地排除由于约束改善而积聚的杂质。 • 2012年及以后的锂化壁处理系统根据今年的锂化系统改进的情况再进行优化。

40. 可能的注入锂方式：从顶部窗口插入长3m的管道，顶部用两个插板阀组成一个过度真空室结构，当锂放入时，首先在该过度真空室内充氩气，完成后抽真空，打开与装置相连的插板阀，放入锂棒；在偏滤器位置dome后面放置坩埚，在坩埚与管道连接处设计一类似‘门’一样的结构，当锂掉入时打开，锂棒顺利进入坩埚，然后关闭；加热坩埚，使得锂蒸发进入真空室。可能的注入锂方式：从顶部窗口插入长3m的管道，顶部用两个插板阀组成一个过度真空室结构，当锂放入时，首先在该过度真空室内充氩气，完成后抽真空，打开与装置相连的插板阀，放入锂棒；在偏滤器位置dome后面放置坩埚，在坩埚与管道连接处设计一类似‘门’一样的结构，当锂掉入时打开，锂棒顺利进入坩埚，然后关闭；加热坩埚，使得锂蒸发进入真空室。

41. 液态锂第一壁实验计划 • Bench test for flowing liquid lithium limiter for HT-7 • 2010-2011 • Test whether liquid lithium can fluently flow by means of pump driving; • Full metal walls with lithium limiter in HT-7 • 2011-2012 • Remove all graphite limiter • Install Mo poloidal limiter • Small upgraded lithium limiter in HT-7 in 2011：CPS structure （Mo foam） • Modify the bottom toroidal limiter to lithium limiter with a large area • Possibly after 2014 for EAST • 2014 • After all PFCs be modified from C to W • Flowing liquid lithium divertor

42. 液态锂第一壁选择 • 目前的锂限制器方案有以下几种， • 自由表面 • 锂的操作较为简单（CDX-U上使用过大盘自由表面结构），但是自由表面不利于液态锂的约束 • CPS（泡沫状结构） • 对锂的约束比自由表面要好（FTU和T-11M上使用的，体积都很小），但CPS层较薄在等离子轰击下易变行，CPS层较厚不利于热流的传出（CPS结构下面热沉处设置冷却，热流从顶部向下传导） • 三明治式结构 • 表面喷涂上一层极薄的膜层，经过喷涂，Mo表面疏松类似CPS结构，在Mo层下面是一层约2mm左右的不锈钢层，最下面是铜热沉，中间的不锈钢层可以起到保护热沉铜的作用（液态锂和铜反应） • 实验前采用锂蒸发的方式进行锂的供给，在表面镀上一层薄的锂层，加热使得表面超过锂的熔点，那么就形成了液态的锂第一壁 • 缺点是每次锂的补给困难，一次锂的涂覆使用寿命有限，过程麻烦，锂不能流动 • 利用’limit’结构 • 热流轰击产生热电流在磁场作用产生洛伦兹力驱动锂流动 • 锂在开槽的模块结构中运动

43. 几种锂限制器结构示意图

44. 2011年HT-7锂限制器 • 在上两轮锂限制器基础上进行优化 • 使用CPS 结构，也就是Mo foam • 外部锂注入

45. 2011锂的台面实验 系统简图 • 系统组成：1个锂储备箱、1个锂泵、5个锂阀、加热丝若干、支撑若干、1个锂槽、1个热沉、1个热屏蔽层、2个流量计、1个实验真空室（规管、加热电极、玻璃窗口、法兰、真空泵组等） • 目前关键设备锂泵还没定： • 1.价格过高 • 2.管道尺寸还需简单的台面实验确定 • 3.时间较紧

46. 2011锂的台面实验 • 系统组成：1个锂储备箱、1个锂阀、加热丝若干、支撑若干、1个锂的限制器模块、1个实验真空室（规管、加热电极、玻璃窗口、法兰、真空泵组等） • 实验操作：在真空室两端放置两块永磁体，限制器表面使用一个小的加热器（或使用红外灯加热）加热产生温差，锂的注入通过Ar压入

47. 谢谢！