HL-3托卡马克第一壁燃料滞留监测的远程原位在线激光诱导击穿光谱（LIBS）诊断系统研制与首次应用

《Nuclear Materials and Energy》：Remote in-situ online LIBS diagnostic development for fuel retention monitoring on HL-3 tokamak first wall

　　

研究人员研制了远程原位在线激光诱导击穿光谱（LIBS）诊断系统；该系统具有远程-原位-在线、同轴光路、面扫描（mapping）和高稳定性等优势；首次在HL-3托卡马克上建立在线LIBS系统；首次在HL-3托卡马克运行期间实现第一壁氢/氘（H/D）诊断。

研究背景与问题：核聚变能源被视为解决未来能源危机的重要途径，磁约束聚变（MCF）是当前实现聚变发电的主要方向，托卡马克（环形磁约束聚变装置）利用磁场约束高温等离子体。国际热核聚变实验堆（ITER）建设推进的同时，托卡马克仍面临真空室内壁氚滞留等挑战：ITER真空室内氚总量被限制在1 kg，氚滞留还会造成燃料循环损失并影响壁材料性能，如氢同位素滞留导致脆化。燃料滞留主要源于托卡马克运行时芯部等离子体稳态能量和粒子通量经刮削层输运至等离子体面向部件（PFCs），引发等离子体-壁相互作用（PWI）；瞬态高能粒子、高热负荷、电磁辐射和中子辐照共同加剧PFCs侵蚀，燃料滞留与杂质共沉积改变材料成分结构并影响部件寿命，进入芯部的杂质还会辐射能量并影响聚变等离子体性能。因此，诊断PFCs杂质沉积和燃料滞留对研究PWI机制与控制至关重要。HL-3是中国新一代先进偏滤器位形托卡马克，2023年8月首次实现1 MA高约束模式（H-mode）运行，2025年3月实现“双亿度”突破，电子密度约10¹⁹ /m³，典型等离子体电流约300–1000 kA，放电后内壁存在显著PWI。LIBS作为非接触、原位、实时元素诊断技术，抗强磁场（>2 T）并具备多元素及同位素检测能力，可在放电间隙诊断真空室内壁燃料滞留。既有工作已在实验室研究HL-2A和HL-3壁材料，并在其他聚变装置开展原位LIBS实验；但HL-3高参数放电条件下需要内壁燃料滞留的原位在线诊断，而非仅在单轮运行后离线分析。为此，研究人员设计并研制HL-3首套远程原位在线LIBS系统，并于2025年HL-3实验期间部署使用。

研究开展、结论与意义：研究人员构建了面向HL-3第一壁燃料滞留监测的远程原位在线LIBS（RIO-LIBS）系统，集成激光源、激光聚焦单元、等离子体发射光谱收集系统、光谱仪、相机监控和电机驱动系统，采用同轴光路实现“对准即定位、烧蚀即探测”，通过二维电动台实现第一壁约200 mm×200 mm区域面扫描，并建立远程控制终端。系统在HL-3现场实现第一壁H/D信号与石墨基底C信号的高信噪比获取，首次在HL-3运行期间完成第一壁H/D诊断；连续5天现场测试中C II线强度相对标准偏差（RSD）低于4%。该工作为HL-3壁燃料滞留表征提供了在线诊断工具，对PFC监测和磁约束聚变堆氚滞留控制具有重要意义。

关键技术方法：研究人员构建RIO-LIBS，以1064 nm、脉宽6 ns、最大850 mJ激光经3×扩束和3000 mm焦距透镜远程聚焦；采用同轴光路使对准激光、主激光与等离子体发射共路，宽带铝镜由二维电动台实现扫描；用200–450 nm（约0.3 nm）及656 nm附近约0.03 nm分辨率光谱仪采集，600 μm光纤传输，相机监控与PyQt远程控制。用可达10^-5 Pa真空腔模拟HL-3环境，并以取自2024年HL-3放电实验后的石墨第一壁样品测试H/D与C信号；2025年4月20日起在HL-3现场连续5天开展稳定性测量。

研究结果：
3.1 高真空优化：通过将LIBS系统与可达10^-5 Pa真空腔集成模拟HL-3压力环境，并测试不同激光烧蚀坑直径与激光能量下H/D和C光谱，得出烧蚀质量随坑径增大提高D发射强度；等离子体直径约15 mm，略大于CCD相机约12 mm；以C II约658 nm分析线确定可分辨碳离子发射阈值约2.2 J/cm²，H/D可检测信号约在1.2 J/cm²出现；高能量下C、H、D强度增幅下降与等离子体屏蔽有关，故激光能量应按诊断对象优化。
3.2 远程原位在线诊断：通过将RIO-LIBS安装于HL-3上端口19、距现场支撑平台约2 m，经100 mm诊断窗和约3 m光程，在中央控制大厅远程控制，实现第一壁约200 mm×200 mm面扫描；获得放电后第一壁石墨壁光谱，含H/D滞留信号和石墨基底C信号，信噪比较高，Voigt函数拟合得到D/H发射强度，首次实现HL-3运行期间第一壁H/D诊断。
3.3 稳定性评估：通过2025年4月20日起连续5天、每天约9:00和18:00两轮共10组现场测量，以C II 657.8 nm和C II 658.3 nm线强度评估，得出RSD分别约3.50%和2.92%，均低于4%，表明系统在HL-3现场环境下具有长期运行稳定性和测量重复性，可满足第一壁原位在线诊断信号稳定性要求。

讨论与结论翻译：讨论部分总结表明，系统当前面向第一壁状态与燃料滞留的定性表征；后续将优化扫描区域以覆盖偏滤器并提高检测灵敏度，面向HL-3燃烧等离子体实验的氚滞留检测；为定量测定D/T摩尔分数，将改进时间与空间积分、真空采集，并实施免定标LIBS（CF-LIBS）数值模拟；校准将覆盖脉冲激光沉积（PLD）制备D掺杂标准样品、HL-3真空室内原位校准及与LIA-QMS等互补技术集成；后续还将研究表面吸附、残余湿度影响及H/D检测限。结论翻译：针对HL-3托卡马克壁诊断需求，本研究首次建立并实现用于HL-3托卡马克壁燃料滞留诊断的RIO-LIBS系统，可对第一壁约200 mm×200 mm区域开展面扫描LIBS。研究人员通过系统研究激光烧蚀坑尺寸、激光诱导等离子体特性、激光能量与发射线强度之间的相关性，优化了激光参数、光路及等离子体发射收集光学。该系统具有约3 m远距离测量、RSD＜4%的高稳定性以及可分辨H/D的高光谱分辨率。当前阶段系统面向第一壁状态与燃料滞留的定性表征。该工作为当前和未来聚变装置燃料滞留表征提供了工具，有助于改进等离子体面向部件监测和磁约束聚变堆氚滞留控制。