7月7日，ITER官方宣布硼化系统设计已经成形，正在为全钨第一壁改造做准备。
一、项目背景
2023年，ITER组织做出关键决策，决定将等离子体腔室的第一壁材料从铍（Be）改为钨（W）。这一变更意味着ITER需要增加一套新的壁处理系统，以缓冲因材料更换导致的杂质增多对等离子体的影响。这套称为“硼化”（boronization）的系统，将在所有面向等离子体的表面沉积一层极薄的硼膜（约10-100nm），用以捕获或“吸除”杂质。若这些杂质未被捕获，将会增加等离子体的辐射损失，尤其是在敏感的放电启动阶段。
二、确定硼源和硼化频率
在设计新壁处理系统之初，团队的首要决策之一便是选用乙硼烷（diborane，一种硼氢化合物）作为硼化工艺的硼源。乙硼烷将以5%的浓度混合在载气中，首选载气为氦气（helium）。鉴于乙硼烷兼具毒性和爆炸性，必须在ITER诊断大楼（Diagnostics Building）外部建造一个高度安全的存储场所，称为“气体存储舱”（gas cabin）。
另一项要求是配备一套能将乙硼烷送入托卡马克装置的气体注入系统。初步设计要求在托卡马克大楼（Tokamak Building）内铺设超过一公里的注入管线，在真空室内部铺设额外400米的管线，并在真空室上集成21个气体注入点。通过硼化建模活动确定的性能优势，并结合现有可用真空室气体穿通管的限制条件，现已实现了真空室内供气点位置的优化布局。负责集成研究的ITER加料过程集成工程师Gabor Kiss表示，这些调整预计不会影响工厂设备的安装顺序。
在硼化频率问题上，主要取决于两个因素：一是硼层能够吸收的杂质量；二是等离子体侵蚀该硼层的速度。
近期研究表明，单次硼化处理的有效期可覆盖2.5-12.5周的实验运行时间。基于此，ITER组织计划将硼化处理的最大间隔设定为每两周一次。后续将在运行的托卡马克装置上进行专项测试，以精确测量硼化表面能够捕获的杂质量。这些信息将指导确定最佳的硼化频率，并明确真空室能够容忍的杂质量上限。
三、硼化处理的原理与机制
乙硼烷注入装置后，将通过辉光放电辅助沉积法分解并沉积在面向等离子体的壁面上。在辉光放电过程中，壁（阴极）与“辉光阳极”（glow anodes）之间产生的电流会形成一种冷等离子体，使离子加速轰击器壁。此过程促使硼通过化学键合方式附着在材料表面，从而形成薄膜。
ITER原本就计划在维护期间使用辉光放电清洗（glow discharge cleaning）进行壁处理，但要使其适应更频繁的使用并应用于硼化工艺，则面临两大主要挑战：
- ITER的阳极设计（其释放的能量约为现有托卡马克阳极的十倍）能否适应频繁的硼化循环。即将在中国EAST托卡马克装置上进行的测试旨在解答此问题。
- 确定阳极的最佳布局，以确保硼在ITER面向等离子体的复杂表面上均匀覆盖。通过建模以及与德国ASDEX Upgrade和法国WEST托卡马克装置的合作测试，团队决定在真空室中额外增设四个阳极，以实现最有效的硼分布。
“这是与国际托卡马克物理活动组织（ITPA）专家们的一项重大合作成果，”ITER等离子体-壁相互作用（PWI）专家Tom Wauters表示。“我们得到了国际科学界和工程界的大力支持，这极大地推动了ITER硼化系统的进展。”
不得不承认的是，在辉光放电硼化过程中，也会有少量乙硼烷未能分解。从托卡马克中抽出的这些乙硼烷因其剧毒性必须被安全地中和处理。目前正在评估两种销毁方法：一种是将乙硼烷加热至700°C进行热分解（thermal breakdown）；另一种是采用半导体工业中使用的专利化学捕集器（proprietary chemical trap）来吸收并中和气体。
负责乙硼烷处理的工程师Peter Speller乐观的表示：“我们对这两种系统都充满信心，热分解法已在WEST和美国的DIII-D托卡马克装置上成功应用，而化学捕集系统也在ASDEX Upgrade上验证有效。因此，我们现在只需要确定哪种方法最适合ITER。”无论最终选择哪种方法，都将在氚处理大楼（Tritium Building）内为乙硼烷清除系统预留空间，该系统将负责处理硼化过程中从托卡马克排出的废气。
四、未来展望
“将硼化功能集成到现有的壁处理系统中一直是个不小的挑战，”担任该系统技术负责人的ITER壁处理工程师Tom Keenan表示。“我们采用的是成熟技术，但从未在如此大的规模或含氚环境中实施过，因此这是一个全新的领域。”
据了解，ITER硼化系统的安装工作预计将于2028年启动。目前，ITER的工程师和科学家们正在推进该项目的各项工作，包括设计一套气体注入系统，将载气输送至真空室内的不同位置。整个系统的规划进展迅速：初步建模和初步设计评审即将完成，长期战略也已明确。
参考资料：
- https://www.iter.org/node/20687/boronization-system-takes-shape-iter-prepares-tungsten-wall