Effective control of impurities and precise regulation of the fueling gas are supreme prerequisites for optimal operation in any fusion device. Conventional wall-conditioning methods fall short of achieving optimal wall conditioning. Conventional wall-conditioning methods, such as vessel baking and H2/(D2)-fueled glow discharge cleaning (GDC), are generally required to remove wall-absorbed impurities in bulk after vessel venting. The excess amount of hydrogen, injected during H2 GDC, can be reduced by helium (He)-fueled GDC. However, He removal from the vessel is more challenging due to its low molecular mass, very low condensation temperature, and inert characteristics. In ADITYA-U, optimal wall conditioning cannot be achieved using H2 followed by He-fueled GDC when applied for extended periods spanning hours or days. A GDC with a mixture of argon and hydrogen (Ar–H2) is introduced in the ADITYA-U tokamak to obtain better wall conditioning than H2 followed by He GDC. In Ar–H2 GDC, long-lived ArH+ ions are formed in sufficient numbers and accelerated toward the vessel wall with high momentum. This results in the breaking of high energy bonds of impurities with the wall/plasma facing components, which is not possible by H+, H2+, H3+ ions in H2 GDC due to their lower momentum. An optimal blend ratio of Ar to H2 is established at 15%–20% for the mixture. This composition ensures that the introduction of high-Z Ar does not adversely affect tokamak plasma operations. The C- and O-containing impurities are reduced beyond the limit of the prolonged operation of H2 GDC. Relative low pressures of dominant impurities such as CO, CH4, and H2O are obtained due to the Ar–H2 GDC compared to routinely operated H2 GDC. A comparison study of H2 GDC and the developed Ar–H2 GDC is performed in terms of wall conditioning and tokamak plasma operation. The encouraging results of the Ar–H2 GDC are obtained in both wall cleaning and tokamak operation scenarios in the midsize tokamak ADITYA-U. This development and application of Ar–H2 GDC are beneficial for large-sized fusion devices, leading to improved impurity reduction, reduced operational fuel consumption (H2/D2/He), and enhanced control over fuel recycling/extraction.
不純物の効果的な制御と燃料ガスの精密な調整は、あらゆる核融合装置における最適運転にとって最優先の前提条件である。従来の壁コンディショニング法は、最適な壁コンディショニングを達成するには不十分である。容器のベーキングやH2/(D2)燃料グロー放電洗浄(GDC)などの従来の壁コンディショニング法は、一般に、容器を大気開放した後に壁バルク中に吸収された不純物を除去するために必要とされる。H2 GDC中に注入された過剰な水素は、ヘリウム(He)燃料GDCによって低減できる。しかし、Heは低い分子量、非常に低い凝縮温度、および不活性な特性を有するため、容器からのHeの除去はより困難である。ADITYA-Uでは、H2に続いてHe燃料GDCを数時間から数日にわたる長時間適用しても、最適な壁コンディショニングは達成できない。H2に続くHe GDCよりも優れた壁コンディショニングを得るために、アルゴンと水素の混合ガス(Ar–H2)を用いるGDCがADITYA-Uトカマクに導入された。Ar–H2 GDCでは、長寿命のArH+イオンが十分な数だけ生成され、高い運動量で容器壁に向かって加速される。これにより、壁/プラズマ対向機器との不純物の高エネルギー結合の切断がもたらされるが、これはH2 GDCにおけるH+, H2+, H3+イオンでは、その運動量が低いため不可能である。混合物に対するArとH2の最適な混合比は15%–20%と確立された。この組成は、高ZのArの導入がトカマクプラズマ運転に悪影響を及ぼさないことを保証する。CおよびOを含む不純物は、H2 GDCの長時間運転の限界を超えて低減される。定常的に運転されるH2 GDCと比較して、Ar–H2 GDCにより、CO、CH4、およびH2Oなどの主要不純物の相対的に低い分圧が得られる。壁コンディショニングとトカマクプラズマ運転の観点から、H2 GDCと開発されたAr–H2 GDCの比較研究が実施された。中型トカマクADITYA-Uにおいて、壁洗浄とトカマク運転シナリオの両方で、Ar–H2 GDCの有望な結果が得られた。このAr–H2 GDCの開発と適用は、大型核融合装置にとって有益であり、不純物低減の改善、運転燃料消費量(H2/D2/He)の削減、および燃料リサイクリング/抽出の制御強化につながる。