基于大型核聚变装置器壁清洗的辉光放电相似性研究

Glow discharge cleaning (GDC) is the main means for cleaning wall impurities of nuclear fusion devices. It is very difficult, even impossible, to directly generate large scale glow discharge or research the discharge characteristics on the prototype equipments (such as ITER device which is being built). Therefore we hope to simulate and test the glow discharge characteristics on a smaller device instead of on the large device; however, the glow discharges occurring between two geometrically similar devices are similar or not remains to be studied. For this reason, this project proposes to carry out the research of the similarity of glow discharge and its application conditions, and the main tasks include: ① By simulating a number of geometrically similar systems in different sizes, the discharge voltage-current characteristic and temporal and spatial distribution of electric field, charge density, current density, and other parameters will be obtainbed. Meanwhile, the discharge conditions ( gas pressure, applied voltage ) and the basic physical parameters ( such as electron impact ionization coeffiecient, recombination coefficient, etc ) will be examed how to affect the similarity of discharge. ② Base on the simulation results, an appropriate scaled coefficient will be selected to construct the geometrically similar small experimental device of the prototype system. ③ The glow discharge formation and discharge parameters diagnostic tests will be carried out on the small and large systems respectively. According to the experimental results, we can identify that whether or not the large scale uniform glow discharge can form and the glow discharge will comply with the similarity of discharge. In addition, the influences of gas pressure, surface condition and temperature of electrical electrode on the similarity of discharge will be studied.

辉光放电清洗法是清洗各种大型核聚变装置器壁杂质的主要手段。直接在原型机上（如建造中的ITER装置）进行大尺寸辉光放电的产生和放电特性研究非常困难，甚至不可能。因此希望能在小装置上模拟、预测大装置的辉光放电特性，但是大、小装置的辉光放电是否具有相似性还有待研究。为此本课题提出开展辉光放电相似性及适用条件的研究，主要研究内容包括：①对多个不同尺寸的几何相似系统进行辉光放电数值模拟，获取放电伏安特性以及电场、电荷密度、电流密度等参量的时空分布，研究放电条件（气压、外加电压）和基本物理系数（如碰撞电离系数、复合系数等）对放电相似性的影响规律；②基于模拟结果，选择合适的缩比系数搭建原型机的几何相似小型实验装置；③基于大、小装置，进行辉光放电的产生和放电参数诊断实验，通过实验判断能否产生大尺寸均匀辉光放电及辉光放电是否符合放电相似性，并实验研究气隙气压p、电极表面形貌及温度等对放电相似性的影响规律。

辉光放电清洗法是清洗各种大型核聚变装置器壁杂质的主要手段，希望能在小型缩比装置上模拟、预测大型装置的辉光放电特性，但是大、小装置的辉光放电是否具有相似性还有待研究。本课题开展辉光放电相似性及适用条件的研究，研究成果如下：.1）在不同气隙长度d、电极半径r和放电管半径R 的实验条件下，通过分别改变气隙的电场分布参数d/r和径向扩散参数d/R，对低气压下帕邢曲线分离现象进行了系统研究，提出电场分布的差异是导致大小气隙帕邢曲线分离的主要原因。发现并研究了低气压下帕邢曲线的“交叉”现象。实验和数值计算结果均表明：气隙长度相同但电极半径明显不同的帕邢曲线将在低气压区产生交叉现象，这是由汤森放电击穿条件以及电子碰撞电离系数α=f(E/p)决定的。.2）对板-板、棒-板、棒-筒电极模型，分别采用一维、二维数值模拟法研究了多个缩比模型的辉光放电相似性及适用条件。获取了各缩比模型的放电外特性（电压U、电流i）以及E/p、电荷密度、电流密度等的时空分布，研究了放电条件（气压、外施电压、杂质）对放电相似性的影响。结果表明，随缩比系数k增大，放电相似性偏离增大。气压过高或过低，相似性也会发生偏离。随气隙场强增大，不符合相似规律的某些反应过程影响增大，从而使相似性偏离增大。.3）构建了用于放电相似性研究的实验装置，极限真空达10-5Pa，配置了相应的外加电源、气路、流量控制以及气压测量系统。.4）实验研究了板-板、棒-板几何相似气隙的辉光放电相似性。实验结果也表明：随着缩比系数k 的增大，几何相似气隙中的辉光放电相似性会被逐渐破坏。.5) 对于低气压氦气的辉光放电，当缩比气隙的氮气杂质含量相同时（例：同为0.47%，气隙气压：100Pa/200Pa），V-A特性曲线基本重合；而当杂质含量偏差越大时，气隙的伏安特性曲线差别越大；当杂质含量偏差从1.5倍增长到3倍时，电压相对差从4.6%增长到9%左右。