实验题目：源参数变化对束流密度的影响以及改进方案

一、实验目的及背景

实验目的：

人类现在已经可以利用核裂变来发电了，但地球上核裂变的资源是非常有限的，根据相关数据，目前地球上已探明的可以用作核裂变的原料仅仅够人类使用几十年的时间。相比之下，地球上核聚变的资源就要多出很多，地球上的海水中拥有40万亿吨氘，而如果完全利用的话，一公斤氘的核聚变反应就可以产生差不多1亿度的电能。

所以我们为了掌握可控聚变，就准备进行氘氚反应，让一个氘原子与一个氚原子通过大量能量使其结合在一起，生成一个氦原子和一个中子。中子伴随着14.1兆亿伏的能量，氦原子伴随着3.5兆亿伏的能量，以此为我们提供能源。

实验大背景：

托卡马克是最有希望实现聚变能源的方案，该方案通过超导磁体产生的强磁场约束高温氘氚燃料并维持聚变反应环境。目前七个国家和地区通过国际合作建设托卡马克装置 ITER，以验证聚变能源发电的可行性。

面临问题：

1.热负荷：等离子体的温度为1.6亿度，虽然利用了磁约束的方法，使等离子体打不到材料壁上，但是它的热也会对材料壁造成热冲击，会给材料表面带来损伤。

2.氘滞留：在氘变成等离子体后，会轰击到材料表面，会把表面上的原子（钨）结构打变形，然后自己嵌入进去，使材料起泡，造成损伤，降低了材料性能。

3.氚也像氘一样，存在嵌入材料的问题，但是相对于氘来说氚的滞留的危害会更大，因为氚是一种比较难获得的材料，我们需要它在实验的过程中实现自循环，若氚在材料中有大量滞留，反应的反应物就会越来越少，以至于不能持续放电。

4.氦在实验过程中也会发生滞留，虽然相对于氚来说危害没有那么大，但是也会形成氦泡，造成扩散。

5.中子辐照：中子带有十分巨大的能量，中子打在材料上会造成材料更大的变形以及更严重的损伤。

6.高温：可能会导致材料融化或再结晶。

7.磁约束边缘的粒子易逃逸，会对壁材料产生刻蚀与溅射。

解决问题方法：

在等离子体轰击过程中，热量打到偏滤器上，偏滤器中会通水冷，热量会通过水冷系统被移除。一些粒子在打到靶板上后，偏滤器会通过自身的结构将粒子排出。（主要作用为移除废热，氦灰，防止芯部等离子体变冷熄火）

实验背景：

等离子体：等离子体源通过六硼化镧加热升温放出电子，用放出的电子电离气体（氘气、氦气），并提供能量，气体会由原子变为单独的原子核与电子，再通过电场使电子流动起来。

氦气为惰性气体，没有危害，中子虽带有辐射性，但并没有什么危害，氚也具有一定的辐射，但是氚为反应物，只要做好保护措施，也是没有什么危害的。聚变相对于裂变，所具有的能量更大，产物更清洁。但是氘氚结合需要很大的能量，最理想的方法是加热到100~150百万开尔文，所以我们现在采用了磁约束的方法加热，防止等离子体打到壁上，减少对表面的危害。

二、实验过程

1.明确实验目标：源参数变化对束流密度的影响以及改进方案

2.设计实验方案

3.根据实验方案选择材料（本次使用的10*10*1的轧制钨，用氘等离子体进行辐照）

选择钨的原因：钨是高Z材料（高原子序数材料）：

A.钨具有极佳的热性能以及极高的熔点和更高的热导率，可以更好的将热量散出去（尤其是偏滤器）。

B.钨还具有极低的氢同位素溶解度，氘和氚都是氢同位素，可以减少氘和氚的滞留。

C.钨具有很高的溅射阈值，原子间的溅能很高，所以在其他粒子撞击时将它撞飞所需要的能量很高。

4.进行试验

三、实验结果分析

1.     径向分布

2.     气流量

3.     偏压

4.     钨丝电源

5.     起弧功率

四、总结

根据实验数据，在径向分布为90mm时，束流最高；气流量存在拐点，在拐点处束流最高；在一定范围内，钨丝电流数值越低，束流越高；起弧功率越高，束流越高。

所以需要测量气流量的拐点，降低钨丝电源数值，提高起弧功率，以提高等离子体密度，增大束流，不断接近实验目标。