ITER硼化系统开发与技术挑战

为正在法国建造的国际热核聚变实验堆（ITER）开发的硼化系统需要超过一公里的气体注入管线。2023年，当ITER组织决定将等离子体室的装甲瓦从铍改为钨时，这意味着需要增加一个新的壁面调节系统，以缓冲因杂质增加而对等离子体的影响。

这项新技术称为硼化，将在所有面向等离子体的表面上涂覆一层薄薄的硼（约10-100纳米），以捕获可能增加等离子体辐射损失的氧气，尤其是在敏感的放电启动阶段。

ITER的工程师和科学家正在从多个方面推进该项目，包括设计一个气体注入系统，以将载气输送到容器的不同位置。该系统的计划进展迅速，初步建模和设计审查接近完成，并已制定长期战略。

“将硼化整合到现有的壁面调节系统中是一项富有挑战性的任务，”ITER壁面调节工程师、该系统技术负责人Tom Keenan说道。“我们使用的是一项成熟的技术，但它从未在这种规模或氚化环境中实施过，因此这是一片新领域。”

在设计新的壁面调节系统时，首先决定使用二硼烷（硼与氢的化合物）。载气中将含有5%的二硼烷，优先选择氦气作为载气。由于二硼烷具有毒性和爆炸性，必须在诊断大楼外建造一个高度安全的存储设施“气体舱”。

此外，真空容器内还将增加21个气体注入点用于硼化系统。设计团队已经根据可用空间优化了注入点的位置和尺寸。

另一个需求是一个将二硼烷输送到托卡马克装置中的气体注入系统。初步设计包括托卡马克大楼内超过一公里的注入管线、容器内400米的管线，以及集成到真空容器中的21个气体注入点。通过优化建模活动确定的性能优势，并结合现有的真空容器气体馈通约束，已经实现了容器内气体供应位置的最佳分布。参与集成研究的ITER燃料过程集成工程师Gabor Kiss表示，这些调整预计不会影响工厂的安装顺序。

二硼烷注入装置后会分解并沉积在面向等离子体的壁上。ITER已计划在维护期间使用辉光放电清洗进行壁面调节，但将其调整为更频繁的使用和硼化带来了挑战。首要问题是ITER的阳极设计是否能适应频繁的硼化循环。阳极的能量输出是目前托卡马克装置的十倍。预计在中国的EAST托卡马克装置上进行的试验将解答这一问题。

第二个问题涉及确定阳极的最佳位置，以确保ITER面向等离子体的表面硼覆盖均匀。通过建模以及与德国的ASDEX升级装置和法国的WEST托卡马克装置的协作试验，团队决定在真空容器中增加四个额外的阳极，以实现最有效的硼分布。

“这是与国际托卡马克物理活动专家的重大合作成果，”ITER等离子体-壁相互作用专家Tom Wauters表示，“我们得到了国际科学和工程界的极大支持，这帮助我们推动了ITER硼化系统的进展。”

确定ITER中硼化的频率取决于硼层能吸收多少氧气以及等离子体侵蚀这些层的速度。最近的研究表明，单次硼化的有效期可能在2.5至12.5周之间，因此计划的最大硼化间隔为每两周一次。后续在运行中的托卡马克装置上进行的专门试验还将准确测量硼化表面能捕获的氧气量。

在辉光放电硼化过程中，会残留少量未分解的二硼烷。由于二硼烷的高毒性，从托卡马克装置中抽出的气体必须安全中和。目前正在评估两种处理方法：一种是将二硼烷加热至700°C进行热分解，另一种是使用半导体工业中专有的化学吸附剂吸收中和气体。

“我们对这两种系统都很有信心，”负责二硼烷处理的工艺工程师Peter Speller说道，“热分解已经在WEST和DIII-D（美国）托卡马克装置上成功应用，而化学吸附系统在ASDEX升级装置上也取得了成功，我们只需确定哪种方法最适合ITER。”

无论选择哪种方法，氚大楼已为二硼烷处理系统预留了空间，该系统将处理硼化过程中托卡马克装置排出的废气。硼化系统的安装预计将于2028年开始。