锂化壁处理研究及锂粉注入器设计

ASIPP锂化壁处理系统设计及其关键技术研究报告人孙震指导老师胡建生2011-12-071ASIPPOutline优化设计锂化系统设计锂粉注入系统锂化关键技术研究2ASIPP以前锂化系统•LiLiLi–通过增加温度（300），等离子体轰击引起液态锂爆发达到锂化效果–温度太低，蒸发率很小，锂爆发不稳定，锂化效果微弱•第一代锂化系统–坩埚•95陶瓷，开裂，易受锂侵蚀•钼丝加热，绝缘问题•量少，2g–深入长度（1.4m）不够–传动-手动–波纹管易漏效果不明显杂质含量略有降低电子温度上高H再循环有所抑制3ASIPP改进锂化系统•坩埚–不锈钢，φ27×60–铠装加热丝–15g•长度1.81m•φ25×57成分99.9%锂锭•定制可靠波纹管•传动–手动-电动–梯形滚珠丝杠–丝杠自锁力4效果显著：•显著降低杂质（C、O、Mo）辐射水平•降低Zeff•显著降低H/(H+D)•降低再循环•促进高参数等离子体获得ASIPP最新锂化系统•数量增加到四套•加长至4.2M，深入2.4M–设计新支撑结构–解决细长杆问题•设计第三代坩埚–容量–形状–出气•其它细节优化真空部分坩埚部分焊接波纹管丝杠传动部分观察窗5预期效果：•锂膜更大相对均匀的覆盖范围•更加良好和低再循环壁条件•控制H/(H+D),实现有效的RF耦合和加热•促进更高参数等离子体获得ASIPPOutline优化设计锂化系统设计锂粉注入系统锂化关键技术研究6ASIPP锂粉注入系统设计•振动部件•信号发生系统•阀系统•真空系统•注入信号采集系统7ASIPP设计原理•逆压电效应：对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象•振动效果ABC根据粉末振动学原理：1.圆柱内不会有锂粉2.AB保证圆形振动片上的有效锂粉量不依赖锂杯内剩余锂粉高度，保证圆形振动片锂粉量是恒定的3.当锂粉高度在C以下，视锂粉用完4.锂粉容量40g5.剩余锂粉量可通过使用量估算及肉眼观测6.注入速率可标定8锂粉ASIPP圆形震动片方形震动片锂粉容器阀芯支撑挡板阀锥形阀阀芯截止9核心部件ASIPP信号发生系统振动片频率信号有效值圆形2.25KHz正弦交变0-12Vrms方形312Hz正弦交变0-10Vrms根据需求能够在界面上调节频率及电压有效值，并且面板显示10ASIPP注入信号采集系统•采用光敏电阻与激光器结合判断锂粉注入•根据炮号采集注入信号及注入时长•建立面板进行监视注入时刻截止时刻注入时长延时时长电压LiII/LiI触发信号信号发生器采集板卡Dropper微机储存面板显示5V2.25KHz312Hz激光光敏电阻电路11ASIPPOutline优化设计锂化系统设计锂粉注入系统锂化关键技术研究12ASIPP锂化原理大面积基片镀膜：蒸发镀，离子镀，CVD直接蒸发法：将锂锭置于真空室内的坩埚中，在高真空条件下，通过加热坩埚使其蒸发，蒸气的锂原子从蒸发源表面逸出后，很少受到其他分子或原子的冲击与阻碍，可直接到达器壁表面上，由于第一壁温度较低，变凝结其上而成为新鲜的锂膜，来改善壁条件GDC辅助蒸发：在HE-GDC辅助加热下，蒸发的锂原子进入辉光区中，一部分锂原子被电离，大部分达不到离化能量，电离的锂离子受高压电场影响，以较高能量轰击到第一壁上，并沉积成膜ICRF辅助蒸发：在HE-ICRF辅助加热下，部分锂蒸气原子被高功率ICRF电离，并从离子回旋波得到能量，高能粒子（锂离子，复合形成的原子）轰击到第一壁上，并最终沉积成膜13ASIPP锂化机制•镀膜覆盖减少表面出气–PFMs表面解析放气•锂膜物理化学吸附–物理吸附•分子力结合•掩埋–化学吸附•Li2O(热稳定性极高)，Li2C2，Li3N，LiH/D，Li4Si•锂膜直接与等离子体作用–减少杂质产生–促进膜层与杂质作用14ASIPP锂化参数三种锂化方式在EAST/HT-7已经发展为常规的壁处理方式，具体参数如下：•Evaporatedat500~600oC•1~2Hr./coating;•5~30g/coating;•~3.5mg/s,•1~2coating/day;•GDC:4A•ICRF:5~20kW,30MHz•Heusedifrequired.475℃ICRFlithiumcoating555℃550℃543℃525℃515℃0.128g/min0.107g/min0.098g/min0.096g/min0.071g/min理论计算：单个坩埚蒸发速率实验计算：单个坩埚蒸发速率ASIPP锂膜分布分析1•坩埚位置-加深坩埚位置能增加单个坩埚锂膜覆盖范围•坩埚数量-多数能增加EAST内部Li膜均匀性•蒸发方式–直接蒸发•降低真空度能增加自由程，减少污染–GDC•粒子碰撞频繁，绕镀性较好，但范围相对小–ICRF•加大功率,增加电离率，增加锂离子eV•磁场增加绕镀性•溅射-再分布16ICRF辅助锂化时，Li1覆盖范围ASIPP上偏滤器锂沉积估算：L=(2.62+1.192)0.5=2.3m镀膜的窗口数=2L/(πD/16)=6.7个(D=2R=3.5m)实验后明显观察到锂沉积的白斑的上窗口数接近5个；误差可能来自坩埚的饱和蒸汽压（坩埚附件气压要远大于装置的本底压强）。锂膜分布分析2EAST上锂化时(3中常用模式)：1.ICRF辅助：P=0.05Pa，自由程=0.26m；2.ICRF辅助，中途停气关阀门，P=8E-3Pa；自由程=1.6m；3.锂蒸发镀膜时：P=5E-3Pa；自由程~2.6m。（下面将以2.6m的最大自由程计算锂沉积的最大区域）2coscosrMdAdMess17坩埚理论范围1810ASIPP锂膜处理实验中装置破空充氩气5-10psi人员尽量不进入，尽量全部工作在外部完成封窗口后，使用HeGDC/ICRF壁处理，然后使用更多的锂涂覆实验结束壁的清洗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18ASIPP小结•完成锂化系统优化设计，并取得良好效果•新制作一套锂粉注入系统•分析了影响锂化效果因素–锂膜分布–锂化原理–锂化机制•尚存问题–无污染样品采集分析–深入研究锂化机制19ASIPP会议报告及文章口头报告1.孙震胡建生左桂忠李建刚EAST团队，锂化对EAST/HT-7等离子体影响，第十五届全国等离子体科学技术会议，安徽，黄山2011/8/8-10；2.Z.Sun,J.S.Hu,G.Z.Zuo,J.G.Li,LithiumcoatinganditsinfluenceonplasmaperformanceonHT-7,HT-7DataMeetingandWorkshop,ASIPP,China,July19-20,2011文章1.Z.Sun,J.S.Hu,G.Z.Zuo,J.G.Li,D.K.Mansfield,theEASTteam，LithiumcoatingbyevaporatorsonfullcarbonwallsinEAST，thejournalofnuclearmaterials,审稿中2.G.Z.Zuo,J.S.Hu,S.Zhen,J.G.Li,B.Cao,J.H.Wu,DennisK.Mansfield,L.E.ZakharovandtheEASTTeam，ComparisonofvariouswallconditioningsonthereductionofHcontentandparticlerecyclinginEAST，PlasmaPhys.Control.Fusion，审稿中20ASIPP谢谢21