近日,由中核集团核工业西南物理研究院(以下简称“西物院”)自主研发的国际热核聚变实验堆(ITER)辉光放电清洗系统(Glow Discharge Cleaning,GDC)永久电极设计方案,在法国ITER组织总部顺利通过初步设计评审(PDR)。这标志着我国在聚变装置关键部件研发领域取得重要进展,为ITER计划顺利实施贡献了中国智慧和方案。本篇文章将从GDC功能及工作原理、构成以及典型应用三个部分展开分析,以供参考!

一、GDC的功能及工作原理
GDC是聚变装置ITER装置器壁处理的重要手段之一。其目的是:清洗器壁表面杂质和燃料粒子,降低进入等离子体中的杂质浓度和燃料粒子的再循环。
该系统的工作原理是:在真空室内充以10^-2Pa~10pa量级的气体,当电极接电源正极(电极为阳极),真空室接电源的负极(器壁为阴极),气体被击穿形成辉光放电。这时辉光放电形成的等离子体柱中的阳极附近的电子打在电极上,而阴极附近的离子则轰击在器壁上,与器壁上的气体进行反应从而起到清洗器壁的作用。
二、GDC的构成
辉光放电清洗系统主要包括:辉光放电电极、连接到电极的直流电源、控制系统、真空穿透部件、水管屏蔽装置。
- 辉光放电电极:辉光放电的核心组件,负责产生等离子体。
- 直流电源:为辉光放电提供能量,通过调节输出电压、电流等参数控制等离子体的强度和稳定性。
- 控制系统:通过设定并调节真空度、直流电源参数(电压/电流)、清洗时间等关键参数;实时监测系统运行状态(如真空度、电极温度),并在异常时触发保护机制(如断电、停止抽真空),确保清洗过程安全稳定。
- 真空穿透部件:用于实现真空室外部与内部的连接(如电极供电线、冷却水管、传感器信号线等),同时保证真空室的密封性。
- 水管屏蔽装置:主要作用是减少冷却水管对辉光放电电场的干扰,同时保障电极的冷却效率。
三、典型案例
1.中国环流三号(HL-3)
新一代人造太阳“中国环流三号”(HL-3)是目前我国规模最大、参数最高的磁约束先进托卡马克大科学装置,自2020年12月建成并实现首次等离子体放电以来,多次刷新我国可控核聚变装置运行纪录,取得了一系列国际先进成果。

该装置真空室体积为42m³,初始放电阶段采用不锈钢第一壁,其表面积为68m²。由于等离子体放电需要清洁的超高真空环境,在壁处理系统中设计有烘烤和直流辉光放电清洗两套子系统。其中,直流辉光放电系统采用低温等离子体放电轰击表面的方式进行器壁处理,主要由电极、 绝缘组件、电源及控制等子系统组成。
HL-3直流辉光放电系统以初始等离子体放电运行为主要工程目标,针对电极、绝缘组件及真空穿透等关键部件开展了详细的设计分析和工程研制。基于HL-3初始放电阶段电流密度大于0.1A/m²的设计需求,该系统运行总电流应大于6.8A。根据装置特点和真空室及内部布局,系统布置了4个环向对称的电极,单个电极表面积为0.01m²。
HL-3等离子体初始放电阶段运行示意图如下:

2.国际热核聚变实验堆(ITER)
ITER是目前世界上规模仅次于国际空间站的大科学工程计划,也是目前在建的世界上最大的实验性托卡马克核聚变反应堆,目的是通过建造真正的反应堆级核聚变装置,验证和平利用核聚变发电的科学和工程技术可行性,是人类实现可控核聚变研究走向实用的关键一步。

ITER GDC是从属于PBS18加料与壁处理(Fuelling and Wall Conditioning,FWC)的一个子系统,属于功能性(Functional Specification,FS)采购包,即负责单位根据ITER组织提供的
功能性要求、性能指标、接口要求、验收标准等要求
,
自主进行详细设计、工程分析、制造工艺设计等
,并负责确保最终产品满足所有功能和性能要求。
自2011年起,西物院便开始承担了ITER GDC电极设计工作,团队最初提出的"活动电极结构"方案因存在空间冲突和漏水风险而被迫放弃,后续采用的“固定电极”方案又因管线布局问题陷入困境。2020-2024年间,ITER组织自行开展了永久电极的初步设计,采用"三文治"结构方案,但最终因加工可行性问题
而放弃。
2024年11月,西物院重组项目团队,20余位年轻员工参与到GDC永久电极设计任务中,并与ITER组织、中国国际核聚变能源计划执行中心(CNDA)组成设计联合体。团队创新性地提出平板式永久电极设计方案,在8个月内完成多轮迭代优化,成功攻克了电磁兼容、热工水力及结构分析等关键技术难题。
在今年7月31日的设计评审会上,西物院团队向ITER组织全面报告了GDC整体设计方案、各项分析结果、进度计划安排等,详实回答了ITER组织十余位专家的质疑和询问。凭借其科学性和可行性,方案获得ITER组织专家的一致肯定。下一步,西物院将加速推进GDC最终设计评审,高质量完成ITER采购包任务、推动为ITER这一重大国际科学工程建设贡献更多中国力量。
未来,随着以ITER项目为代表的科学装置向前推进以及核聚变商业化进程的加速,GDC技术也将会伴随工程化创新与标准化应用得到进一步的发展。
参考资料:
- https://mp.weixin.qq.com/s/CZLNYNnkkQO7UYoNhZR4Tw
- https://www.iterchina.cn/hgfdqx/index.html
- http://www.vaccryjour.cn/cn/article/pdf/preview/10.12446/j.issn.1006-7086.2024.03.015.pdf