近日，法国WEST装置发布了一系列关于钨环境下长脉冲运行的重要研究成果。这些成果不仅揭示了钨作为聚变装置第一壁材料的核心挑战与应对策略，更为国际热核聚变实验堆（ITER）的运行准备提供了关键实验依据。相关科研成果《Tungsten control in long pulse operation：feedback from WEST to ITER 》已发布在《Plasma Physics and Controlled Fusion》上。
一、研究背景
2024年，ITER做出一项关键决策：将装置第一壁材料从铍改为钨。这一调整源于钨的显著优势——它能更好地抑制氚滞留、减少尘埃产生，并能承受聚变过程中的剧烈扰动。但钨作为高Z材料，也带来了严峻挑战：其在等离子体芯部的污染水平必须控制在极低水平（<10⁻⁵），否则会因辐射损失过大影响聚变能量输出。
为应对这一挑战，全球聚变研究装置纷纷聚焦钨环境下的等离子体控制。其中，法国WEST因其
ITER级主动冷却钨偏滤器
、
长脉冲能力
和
以电子加热为主的无扭矩运行方案
，成为研究钨污染、输运、壁面处理和部件老化的理想平台。
二、关键实验发现
1.钨污染的 “双重防线”：壁处理技术显成效
WEST团队发现，钨污染主要源于等离子体与钨壁材料的溅射反应。为抑制污染，研究人员开发了两种关键壁处理技术：辉光放电硼化（GDB）：通过硼涂层覆盖钨表面，减少溅射。实验显示，经GDB处理后，等离子体辐射损失可显著降低，但效果会随注入能量累积逐渐减弱（钨限制器约10MJ后失效，氮化硼限制器则需0.1-1GJ）。
杂质粉末注入（IPD）：通过注入硼粉末实时补充涂层，更灵活地维持壁面保护效果，且无需中断等离子体运行。
模拟与实验均证实，这些技术能通过调节等离子体与壁面的间隙，将辐射损失比例稳定在50%-60%，为长期运行提供基础。
2.等离子体电流提升（ramp-up）：避免 “冷分支” 陷阱
等离子体电流提升阶段（ramp-up）是钨装置的 “高危期”：此时钨溅射活跃，易导致核心温度骤降，进入 “冷分支” 状态，引发磁流体不稳定性。WEST团队通过两种策略解决这一问题：
轻杂质注入：注入氮等轻杂质，减少湍流扰动，提升核心电子温度，使电流分布更集中，增强稳定性。
材料替换：将限制器从钨改为氮化硼，使辐射损失比例从70%降至30%，显著降低电流提升难度。
3.偏滤器老化与 “UFO” 挑战：材料长期运行的隐忧
为模拟ITER偏滤器的长期老化，WEST开展了高粒子通量实验：在3小时内累积5×10²⁶ D/m² 的粒子通量（超过ITER单脉冲水平）。结果发现，偏滤器内钨富集区域会形成厚沉积层，受热应力影响会剥落形成 “UFO”（高速碎片）。这些碎片会引发瞬时辐射峰值（最高达4MW），严重时导致等离子体破裂。数据显示，约19%的UFO事件会引发中断，且风险随运行时间增加。这提示ITER需优化偏滤器设计（如冷却方式、几何结构）以减少沉积层剥落。
4.长脉冲运行突破：向千秒目标迈进
2024年，WEST实现了6分4秒的长脉冲运行（编者注：2025年实现1337秒），注入能量达1.15GJ，接近Tore Supra装置的纪录。这一突破验证了长脉冲运行的可行性，但也暴露了新问题：
远距离惯性元件的放电会导致等离子体密度失控。
不可预测事件（如UFO、自发内部输运垒）的概率随时间增加，需更精准的控制手段。
研究团队计划通过安装电子回旋共振加热（ECRH）系统，进一步延长脉冲至1000秒，为 ITER的长脉冲运行提供直接参考。
5.低偏滤器温度运行：ITER的 “理想模式”
WEST开发了“X点辐射器（XPR）” 运行模式：通过控制氮注入，使偏滤器温度降至5eV以下，既减少钨溅射，又提升等离子体约束性能。实验显示，该模式下核心钨浓度降40%，能量约束改善，且可在低环电压下稳定运行。
这一模式被认为是ITER的 “理想运行态”，不仅能保护偏滤器材料，还为未来聚变堆的紧凑偏滤器设计提供了新思路。
三、未来展望
WEST的实验结果为ITER全钨环境运行提供了关键依据：明确了钨污染缓解方法、部件老化风险及长脉冲运行挑战。未来计划安装ECRH系统以应对不稳定性，完善汤姆逊诊断以探索边缘与芯部参数耦合，并开展低偏滤器温度下的高注量实验，进一步支持ITER的运行准备及DEMO紧凑偏滤器设计。
参考链接：
- https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6587/adba0d
- https://irfm.cea.fr/2025/07/retour-d-experience-sur-l-utilisation-du-tungstene-pour-les-plasmas-de-longue-duree-de-west/