等离子体-壁相互作用（Plasma-Wall Interactions ，PWI）是等离子体物理学中的一个概念，它描述了磁约束核聚变装置中等离子体与其所接触的壁面材料之间的相互作用。
等离子体-壁相互作用的主要过程
为什么要研究等离子体-壁相互作用？
PWI一直被认为是等离子体科学领域一个非常重要的研究课题，来自高温等离子体的强热流、强粒子流与直接面对等离子体的器壁之间产生的强烈相互作用不仅会直接影响面向等离子体组件 （Plasma-Facing Components，PFC） 的腐蚀、侵蚀、热负荷管理、杂质产生等，进而决定了这些组件的使用寿命和更换频率，同时滞留在壁上的燃料粒子再循环还会直接影响等离子体密度控制、稳态控制，引起等离子体能量辐射损失、降低等离子体约束性能。
因此，对PWI的研究除了能够提高PFC的耐久性，减少其更换频率，进而延长核聚变装置的运行周期，还对维持等离子体的稳定性和提高其能量约束有重要意义。
壁材料在PWI中会产生什么变化？
面向等离子体材料（PFMs）是在等离子体与壁相互作用（PWI）过程中保护面向等离子体组件 （PFC）的材料。在托卡马克反应器中，PFC是核聚变装置中直接面对高温等离子体的部分，包括但不限于偏滤器靶板、限制器、第一壁以及其他与等离子体直接接触或在等离子体边缘区域的部件。可以说，对PFMs性能和状态提升是研究PWI问题的核心之一。
通常来说，热流等离子体作用下的壁蒸发和溅射是造成壁材料腐蚀的主要原因，在聚变装置工作时，PFMs 表面承受着高能粒子流的冲击以及稳态或异常事件引起的瞬态热流，特别是等离子体放电中断（Disruption）、垂直不稳定性位移（Vertical Displacement Effects，VDEs）、逃逸电子（Run-away Electron，RE）以及边缘局域模（Edge Localized Modes，ELMs）等事件中，PWI 引起的物理和化学溅射、蒸发和熔化、化学腐蚀以及辐射增强升华等现象。此外，等离子体和高能中子辐照作用下，固体材料组织结构将出现辐照脆化硬化、界面开裂、晶粒长大以及起泡等缺陷，迫使 PFMs 发生腐蚀与再沉积。而在该过程中，将不可避免地出现燃料滞留和降低聚变反应堆中等离子体品质问题。
壁材料在热流等离子体作用下的一般腐蚀机制示意图
主要改进方向
优化壁材料的选择
普遍认为，理想的 PFMs 需要同时具备耐高温腐蚀、热导率高、物理和化学溅射率低、 燃料滞留量低、等离子体相容性良好以及使用寿命长等特点。
目前，核聚变反应堆中的 PFMs 主要包括：低 Z 材料（C、Be）、高 Z 材料（W、Mo）以及合金化涂层。其中，碳及其复合材料具有耐髙温、热导率高、等离子体相容以及机械性能良好等优点，但其缺点在于，碳与氢同位素易生成碳氢化合物而导致燃料滞留严重，且在高温下容易发生化学溅射。铍具有热导率高、中子吸收截面小且散射截面大、燃料滞留量低等特点，但本身固有的熔点低、抗热冲击性差、 易腐蚀、有毒性、易爆性等缺点，限制了其在未来聚变反应中的应用。高 Z 材料的 W 和 Mo 都具有熔点高、物理溅射阈值高、热机械性能优异且燃料滞留量小等优点。然而，少量的高 Z 材料进入聚变堆芯部将会造成等离子体辐射，甚至可能导致等离子体放电停止，影响聚变反应堆装置的安全性。
因此，掺杂单一或多种组元的合金化涂层成为近些年 PFMs 发 展的重要方向之一。
典型固态第一壁材料的物理属性及其 主要优点和缺点(数据主要来自百度百科)
改进壁表面清洗技术
通过清除壁表面的氧化物和其他杂质，可以减少材料的腐蚀速率，延长PFMs的使用寿命，同时清洗掉影响热传导的污染物，也可以提高材料的热效率，确保更有效的热管理。
为了降低第一壁表面的粒子滞留，清除第一壁表面的杂质和滞留粒子，常用清洗方法包括烘烤和放电清洗。高温烘烤时，与壁表面结合能较弱的杂质粒子获得了超过结合能的能量之后，能够从壁表面脱附，由于烘烤系统相对简单，而且对第 一壁材料的烘烤比较均匀，因此高温烘烤是托卡马克装置最基本的清洗手段。
EAST垂直场下的ICRF清洗等离子体
由于杂质粒子从壁材料表面的脱附速率与杂质粒子的浓度、壁表面的温度关系密切，而且由于超导托卡马克内部结构复杂，考虑到装置超导磁体的冷却与安全问题，烘烤温度受到了很大限制， 温度通常在 200~ 350 ℃ 之 间。因此对于结合能较高的杂质粒子 (>2.5eV)，难以通过高温烘烤进行清除，此时会在高温烘烤的同时进行放电清洗。放电清洗是通过各种加热方式产生等离子体，其中产生的高能粒子对第一壁表面的轰击能够将能量传递给壁表面吸附的杂质粒子，使得这些杂质粒子获得的能量超过它们与壁表面的结合能之后，杂质就会从壁表面脱附出去。
EAST螺旋波放电清洗等离子体,右上角为螺旋波天线
壁表面清洗方面，由于离子回旋放电清洗由于兼容强磁场并且清除效率高，更适用于未来聚变堆强磁场条件下的杂质清除，但是高效率的清洗还是需要进一步提高清洗功率和增强均匀性。
参考链接：
- http://www-fusion-magnetique.cea.fr/gb/fusion/physique/materiaux_ipp.htm
- https://just.ustc.edu.cn/article/pdf/preview/2020-9-1193.pdf
- https://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=457091&do=blog&id=606763
- https://www.zhihu.com/question/323617617
- https://plasmaphys.dlut.edu.cn/info/1010/1018.htm
- https://www.surface-techj.com/bmjs/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20210213&flag=1