核聚变真空技术的进展
“核聚变”是指轻元素的原子核聚合在一起形成较重元素的原子核的反应，核聚变反应中的总质量亏损转换释放出来的能量称为聚变能。核聚变反应是在高温、高密与高约束的环形等离子体电流中实现的，称为环形电流器(托卡马克)，简称环流器。 等离子体研究起源于稀薄气体中放电以及天体物理学中星体结构的研究，它一开始就和真空技术有着密切的固有联系。环流器核聚变装置中的真空技术涉及：1)建立初始等离子体的稀薄气体放电技术：2)等离子体与器壁相互作用研究；第一壁材料、多层结构壁制造工艺，第一壁处理技术(表面清洗和涂敷，原位更换表面护块等)；随着等离子体温度的不断递增，面向等离子体的壁处理技术相应得到不断地开发研究与应用，突出了第一壁表面物理与表面化学的重要性；3)真空室的设计与制造技术：真空室是提供等离子体产生、加热和维持的一个重要的生态环境。真空室器壁参与高温等离子体的燃料再循环控制和杂质控制的全过程，它为氚和活化尘埃等提供第一个高可靠性的固体约束边界；4)真空室内高热通量部件的设计与制造技术：主要的高热通量部件有：孔栏限制器(简称孔栏)-使等离子体与真空室壁脱离接触的部件，偏滤器-抽除等离子体边界层的电磁偏离抽除法的设备，以及包层-提取核聚变能和再生氚的部件等；5)氘氚燃料注入技术：除了气体注入法外，为将氘氚燃料注入到核聚变等离子体的中心芯区，开拓出把氘氚气体低温冷冻成弹丸后的高速注入等离子体的高效加料技术，称作同体弹丸注入技术；6)高能中性束注入技术：不受磁场的约束，将高能燃料的不带电的中性粒子直接注入到等离子体芯区，这是等离子体二级加热的主要技术之一；7)可控聚变装置高真空抽气泵普遍采用涡轮分子泵和低温泵，前者主要用于装置检漏，后者则为处理聚变活性气体的主泵。核聚变反应堆的活性气体处理系统。工作于4.5K的具有活性炭吸附剂的低温泵所吸留的废气中除了氘氚核反应产物氦灰外，还有大量未能参与核反应的氘和氚。而氚是有放射性的，又是极为昂贵的。所以，氚是不允许被直接排放到周围空间的。 由此，可控聚变装置的抽气系统已被开发为一个高技术的活性气体处理系统。它采用深冷的前级低温泵组收集来自大环真空室等系统的气体，通过低温分馏技术和气体色谱分离法来分离和纯化所收集的气体混合物(包含6种氢分子，氦和诸如碳氢化合物，氧，氮等杂质气体)，把回收纯化后的氘和氚再注入到大环真空室中，以及把除氚后的杂质气体按环保的要求稀释排放出去； 8)聚变装置真空测量技术：开发了强磁场中快速抗干扰真空计技术：在偏滤器下部用采样气管通向快速离子规和潘宁放电规，然后用一个光谱仪分析从潘宁放电规那里发出来的光，可以检测氦，氮，氖，氩，以及氢，氘，氚等分压力；在聚变等离子体中心的氦浓度的测量则采用电荷交换复合光谱学方法等；器壁表面的温度和释放粒子通量的测量采用附带有窄通带干涉滤色片的电容耦合器件CCD相机，视频录像器和一个数值视频分析系统来获取靶板表面的温度和粒子通量的时空分布数据。9)聚变装置检漏技术：采用氦质谱检漏仪和四极质谱计相结合的方法。由于氦和氘的质量数很相近，所以氘氚运行装置的氦质谱检漏仪需要附加选择性抽气机组和压缩采样泵，以及采用高分辨四极质谱计来代替磁偏转质谱计。 四极质谱分析器在等离子体-器壁相互作用研究中也是一个重要的诊断仪器。10)真空系统的遥控安装与检修维护技术等。 总的讲来，核聚变真空科学技术已成为聚变发电站的建造和运行中关键的基本技术，同时不断地开拓着真空技术的科学内涵和广阔的发展空间。
核聚变 真空技术 环流器
朱毓坤
核工业西南物理研究院 成都 610041
国内会议
昆明
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2008-10-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）