全钨装置ASDEX Upgrade与WEST中非均匀辉光放电硼化（GDB）形成的硼层空间分布与性质及其对ITER的支撑研究

《Nuclear Materials and Energy》：Spatial variation and properties of boron layers formed by glow-discharge boronization in ASDEX Upgrade and WEST in support of ITER

　　

在全钨（full-W）ASDEX Upgrade（AUG）与WEST中开展了互补的辉光放电硼化（GDB）实验。AUG的全阳极与减少阳极GDB显示出局部沉积差异。WEST的B层表现出位置依赖的性质和杂质吸收。长期空气暴露降低了两个装置中的B面密度（areal density）和D/B比（D/B ratio）。

研究背景：磁约束聚变等离子体性能与面向等离子体部件（PFC）表面条件密切相关，表面成分影响杂质流入和氢同位素再循环，尤其在等离子体启动和稳定运行阶段。辉光放电硼化（GDB）通过B₂D₆等含硼前驱气体在辉光放电中解离，在PFC表面沉积a-B:H或a-B:D（非晶硼氢/硼氘层）薄层，作为氧（O）吸气剂，降低杂质辐射并缓解全钨（full-W）装置中O诱导的钨（W）溅射。ITER再基线采用W第一壁并配置硼化系统，但W壁对杂质驱动W溅射和W辐射敏感，启动及早期限制器阶段尤甚。AUG和WEST先前结果显示，未硼化W壁重启困难，而GDB可实现稳定限制器等离子体；AUG减少阳极GDB和WEST部分B₂D₆气注形成的非均匀B层仍可支持重启。ITER计划GDB在研究运行开始（SRO）阶段可能部分且环向非均匀运行，现有外推不确定；模型显示B₂D₆电离/解离源项依赖阳极、气注、中性压和载气，但模型只给前驱源分布而非最终沉积，需在全W装置验证源区耗尽是否转化为B面密度降低及层性质变化。因此研究人员在AUG和WEST开展互补GDB实验，评估部分/空间非均匀GDB对W表面B层形成，为模型改进和ITER GDB评估提供数据；其意义在于将沉积均匀性与成分、D掺入、O吸收、密度和空气暴露稳定性联系起来。

关键技术方法（≤250字）：研究在AUG和WEST全W装置GDB期间暴露见证样品。AUG改变活性辉光阳极数（2、3、4个），用7个原位石英微天平（QMB）温度匹配测净B层生长，并经激光吹扫（LBO）机械手在段16暴露样品，用³He核反应分析（NRA，2.5 MeV）测B、D面密度。WEST使用6个气注中的3个，全部6个阳极运行，在两个收集探针位置Q3（近气注）和Q4（远气注）暴露各21个不锈钢和W样品，用离子束分析（IBA）测B、D、O面密度，FIB/SEM（聚焦离子束/扫描电子显微镜）测厚度形貌，SEM/EDX（扫描电子显微镜/能量色散X射线谱）测成分，ToF-ERDA（飞行时间弹性反冲探测分析）测多元素相对含量，并结合厚度与面密度估算体积质量密度；样品经空气暴露后重复NRA跟踪B和D变化。样本队列来源为AUG和WEST GDB期间暴露的见证样品。

研究结果：
辉光阳极配置对AUG中B沉积的影响：通过QMB比较2阳极与4阳极GDB，段5沉积率增约23%，段16增约66%；比较3阳极与4阳极，段3增约40%，段8降约20%，段11呈负值即净材料移除。QMB空间变化比模型源分布温和，说明前驱输运、有限粘附概率和再侵蚀重要。NRA见证样品显示，2阳极归一化B面密度高于4阳极，与段16 QMB趋势相反；D/B为0.1–0.4，阳极配置影响D掺入；W和不锈钢趋势不一致。B和D含量不由厚度单独决定。

WEST中B层性质的空间变化：气注位置效应：FIB/SEM显示B层厚度30–321 nm，row 2约40 nm，row 5厚4–5倍，远气注位置更明显；IBA显示B面密度沿垂直方向变化，近远气注差异中等；D和O差异更明显，远气注D低O高；D/B为0.05–0.5，近气注较高；ToF-ERDA显示B占50–90 at.%，远气注B分数降约20%，O近翻倍，C/N升高；近气注密度约2.2 g cm^?3，远约1.5 g cm^?3。无活性气注区仍形成B层说明输运；层性质呈位置依赖。

B层空气暴露稳定性与D滞留：B面密度下降，AUG约20%（约200天），WEST约8%（约120天），多在前两月后趋稳，可能与氧化/水化及硼酸挥发有关；D/B降40%（AUG）和16%（WEST），D比B更快耗竭，可能释放或与H交换；同点重复分析导致更强耗竭，应使用新分析点；两装置处理不同，不可直接比较。

讨论总结：非均匀GDB仍可在活性硬件邻近之外形成B层，支持部分GDB用于ITER相关壁处理的潜在适用性；但不能仅用厚度或B面密度表征，需考虑层成分、D掺入、O吸收、密度、局部侵蚀和化学稳定性；预测模型应连接B₂D₆电离解离与前驱输运、表面粘附、沉积、侵蚀、同位素掺入和杂质吸收。未来需完整参考配置和GDB局部等离子体诊断。

研究结论翻译：综合AUG和WEST结果，空间非均匀GDB仍可在活性辉光阳极或活性B₂D₆气注邻近区域之外形成B层，这支持部分GDB配置用于ITER相关壁处理的潜在适用性。然而，所得B层不应仅以厚度或B面密度表征，还必须考虑层成分、D掺入、O吸收、密度、局部侵蚀和化学稳定性。针对ITER的预测模型应把B₂D₆电离和解离与前驱输运、表面粘附、沉积、侵蚀、同位素掺入及杂质吸收联系起来。未来工作应解决缺失的参考配置和GDB期间局部等离子体条件。