Исследование взаимодействия мощного потока электронно-горячей плазмы с мишенями на многопробочной ловушке ГОЛ-3

Одним из наиболее критических вопросов реализации проекта термоядерного реактора является выбор конструкции и материалов плазмоприемников, находящихся под воздействием высоких радиационных и тепловых нагрузок. Наиболее остро эта проблема встала на примере строящегося ИТЭРа [1]. В настоящее время установлено, что приемные пластины дивертора ИТЭРа и первая стенка, кроме стационарного потока горячей плазмы, будет подвергаться периодическому импульсному воздействию при срывах и неустойчивостях плазменной границы (ЭЛМы). Первые оценки показали, что импульсная нагрузка в ИТЭРе при срыве л составит до 100 МДж/м за 1 мс [2], при этом при срыве формируетсяпоток убегающих электронов, имеющих большую энергию (до сотен МэВ) [3]. Хотя такие нагрузки не доступны современным плазменным установкам, достаточно быстро стало понятно, что эрозия при таких нагрузках превышает разумные пределы [4]. Поэтому разрабатываются сценарии работы ИТЭРа без срывов, а также с быстрымидиагностикамипозволяющими предсказать развитие срыва и погасить плазменный разряд до полномасштабного срыва- [5]., ¦. ¦¦

Тем не менее остаются колебания плазменной границы, из которых самые большие (ЭЛМ типаТ) сопровождаются нагрузкой на дивертор 1−3 МДж/м за 0.1−0.5 мс [6], и будут происходить многократно (более 10 раз) за выстрел. При таких параметрах ожидается: значительная эрозия материалов и существенное влияние продуктов эрозии на параметры горячей плазмы и работу реактора в целом. По аналогии со срывами для ЭЛМов разрабатывают методы уменьшения их пиковой нагрузки разными методами: с помощью инжекции газа, [7] и магнитными возмущениями границы плазмы [8].

В ИТЭРе дивертор будет, покрыт вольфрамом и углеродными композитами [9]. На существующих токамаках параметры ЭЛМов ИТЭРа недостижимы, тем не менее на токамаках ведутся исследования эрозии и переосаждения материалов. Для моделирования воздействия ЭЛМов на материалы используются такие установки как плазменные ускорители КСПУ Х-50 (ХФТИ НАН Украины, Харьков [10]) и КСПУ-Т (ТРИНИТИ, Троицк, [11]), плазменная пушка МК-200 (ТРИНИТИ, [12]), установка с электронный пучком JUDITH (FZJ, Юлих, Германия, [13]), многопробочная ловушка ГОЛ-3 (ИЯФ СО РАН, Новосибирск, [14]), а также некоторые другие установки (NAGDIS-II, PSI-2, PISCES-B, ЛЕНТА, PILOT-PSI, MAGNUM-PSI [16]).

ИТЭР не единственный перспективный термоядерный реактор, например, в ИЯФ СО РАН разрабатывается проект многопробочного реактора с нагревом плазмы релятивистскими пучками электронов [14, 15]. В этом проекте также встает вопрос стойкости материалов к потокам плазмы с большим количеством высокоэнергетических частиц. Плазменные ускорители и пушки не способны промоделировать воздействие такого плазменного потока на материалы (также как и убегающие электроны при срыве в ИТЭРе).

Уникальной особенностью установки ГОЛ-3 является возможность проведения экспериментов по моделированию воздействия плазменных потоков большой мощности на материалы при высоком значении электронной температуры в плазменном потоке. Полученная электронная температура плазмы (2−5 кэВ) в ближайшей перспективе недостижима на других линейных машинах.

Рассмотрим более подробно какие вопросы необходимо решить в термоядерном материаловедении. При небольшом потоке плазмы на стенку происходит физическое распыление материала стенки, а также химические эрозия и распыление [17]. Если первый процесс хорошо изучен, то второй сильно зависит от свойств углеродного материала (скорость химэрозии может отличаться в 1000 раз при одинаковой температуре) и температуры поверхности, максимальная скорость химэрозии при температуре порядка.

600 °К [18].

Под воздействие импульсного плазменного потока с большой плотностью энергии поверхностный слой материала разогревается, испаряется и уже через несколько микросекунд [4, 19] образуется достаточно плотное облако поверхностной плазмы. Это облако экранирует поверхность от налетающего потока плазмы и поток тепла, доходящий до поверхности, определяется квазистационарным теплопереносом в поверхностной плазме. В результате большая часть (свыше 99% [20]) налетающей энергии переизлучается поверхностной плазмой, тепловая нагрузка на мишень снижается и эрозия поверхности мала.

Если в падающем на материал плазменном потоке есть высокоэнергичные (Ее >100 кэВ) электроны, то они свободно проходят через слой испаренного материала, непосредственно бомбардирует поверхность и проникают внутрь материала, приводя к объёмному нагреву приповерхностной области мишени. Глубина пробега зависит от плотности материала мишени и энергии падающих электронов. Электроны с энергий 1 МэВ имеют пробег порядка 0.3 мм в вольфраме и 2 мм в графите [21].

Резкий объёмный нагрев (а также последующее остывание) материала, приводит к возникновению в нём термических напряжений и макроскопическому разрушению [22]. В результате, в зависимости от плотности потока энергии на мишень в эксперименте могут реализовываться существенно различные режимы эрозии. Мелкозернистые графиты и С—С-композиты могут эродировать в виде гранул из-за макроскопического хрупкого разрушения [23].

В ранних экспериментах на ГОЛ-3 был экспериментально определён энергетический порог хрупкого разрушения графита, равный 10 кДж/г [4]. При облучении мишеней разрушается зона, в которой выделившаяся энергия превосходит указанную величину. При больших плотностях энергии (выше 5 МДж/м2) энерговыделение от электронов пучка превосходит указанный порог, так что глубина разрушения определяется пробегом релятивистских электронов в материале мишени. Отдельного внимания заслуживает величина эрозии, полученная в этом эксперименте: при плотности энергии в электронном пучке 30 МДж/м, что характерно для сильных срывов тока в ИТЭР, с поверхности графитовой мишени эродировал слой толщиной 500 мкм.

Эрозия металлов (в том числе вольфрама) может осуществляться за счёт капельного разбрызгивания расплава, образующегося на поверхности мишени [24]. Образующиеся при объёмном нагреве (и последующем остывании) напряжения внутри вольфрама могут приводить при последующих термоциклических нагрузках к макроскопическим отколам. Обнаружено, что стойкость вольфрама также зависит от ориентации гранул, наличия примесей и того, как вольфрам был произведен [25].

Принципиальным для создания термоядерного реактора является вопрос о переносе частиц и пара, выделяющихся на мишени, в область горячей плазмы. Облако плотной поверхностной плазмы с большой скоростью двигается в область основной плазмы и может существенно влиять на параметры горячей области. Одним из важнейших вопросов является определение скорости продольной и поперечной (относительно магнитного поля) диффузии поверхностной плазмы.

Эрозии материала с поверхности приводит к переосаждению в различных областях поверхности первой стенки. Переосажденный материал может химически связывать тритий. При этом возможно значительное загрязнение системы тритием, оценки для ИТЭРа показывают, что возможен захват 1−20 г трития за разряд. С учетом ограничения на захват трития в камере ИТЭР в 350 г, легко оценить, что предел при неблагоприятном сценарии может быть достигнут менее чем за 50 выстрелов [26]. Соответственно разрабатываются технологии удаления трития или самого переосажденного материала [27]. Дополнительный вопрос — совместимость материалов между собой, т. е. как изменится стойкость к облучению СБС если рядом облучается вольфрам и наоборот (попадание горячего графита на вольфрам, например, может приводить к образованию карбида [28]). Также следует упомянуть вопрос стойкости материалов к нейтронному потоку [29].

Данная работа посвящена исследованию процессов взаимодействия мощного потока термоядерной плазмы с материалами: определению параметров падающего плазменного потока и образующейся поверхностной плазмы, определению величины ударной волны в мишени, изучению механизмов и величйны эрозии вольфрама й~ углеродных (в том числе композитных и содержащих литий) материалов при различных плазменных нагрузках, а также параметров переосажденного материала мишени.

На защиту выносятся следующие основные научные положения:

• Проведены измерения плотности потока поглощенной энергии по излучению поверхности мишеней (с проведением расчетов энерговыделения в материалах и их последующего нагрева и разрушения).

• Разработан комплекс диагностик для определения параметров образующейся поверхностной плазмы и исследования скорости ее разлета в продольном и поперечном направлениях. Изучены параметры мишенной плазмы на разных расстояниях от мишени.

• По спектрам молекулярных радикалов проведены измерения скорости химической эрозии графитовых мишеней при их о облучении потоком плазмы с плотностью энергии 2 МДж/м. Химическая эрозия отвечает за 0.5% от полного числа атомов, поступивших в плазму.

• Создан прибор для измерения высоких импульсных давлений по сдвигу линии флуоресценции рубина. Измерено давление внутри мишени (1.5 кБар) при воздействии на нее импульсного сильноточного электронного пучка. • Исследована эрозия и модификация поверхностного слоя вольфрама и углеродных материалов в зависимости от плотности потока энергии на мишень, спектра пучка, проведены сравнения с КСПУ Х-50. Для вольфрама при средних нагрузках обнаружено формирование сети трещин размерами порядка 1000 мкм, кратеров 0200 мкм, ячеек длиной 10 мкм и гранул 0.3 мкм.

Заключение

.

На многопробочной ловушке ГОЛ-3 проведены комплексные исследования взаимодействия мощных потоков электронно-горячей плазмы с материалами термоядерных реакторов. Разработаны и использованы адекватные задаче экспериментальные методики (держатели мишеней, методы диагностики поверхностной плазмы, методы исследования материалов после облучения). Разработана новая станция по облучению материалов на установке ГОЛ-3.

Проведены расчеты энерговыделения в материалах и их последующего нагрева и разрушения.

Проведены измерения плотности потока поглощенной энергии по излучению поверхности мишеней.

Разработан комплекс диагностик для определения параметров плазменного потока, попадающего на поверхность исследуемых мишеней, характеристик образующейся поверхностной плазмы и исследования скорости ее разлета в продольном и поперечном направлениях.

В экспериментах по инжекции твердотельных мишеней в горячую плазму определена величина диффузии примесей поперек магнитного поля. Измерения дают оценку на скорость поперечной диффузии поверхностной плазмы 0.5 м2/с.

Изучены параметры мишенной плазмы на разных расстояниях от точки инжекциискорость расширения плазмы на расстоянии 0.8−4.5 м составляет (1-^2)-106 см/с (скорость для углерода с 10−50 эВ) — плазма с пс~(2^-10)-Ю20 м" 3 распространяется на расстояние ~5 м в гофрированном поле с небольшой потерей частицатомы углерода в облаке имеют в основном зарядность +1+2;

Проведены измерения скорости химической эрозии графитовых мишеней при их облучении потоком плазмы с плотностью энергии 2 МДж/м2. В исследуемом режиме химическая эрозия дает около 0.5% от полного числа атомов, поступивших в плазму, при этом полная глубина эрозии (1 мкм за выстрел) определяется макроскопическим разрушением поверхностного слоя с образованием пыли.

Проведены эксперименты по исследованию волн высокого давления в твердом теле при импульсном облучении потоком плазмы.

Создан прибор для измерения высоких импульсных давлений. Проведены исследования сдвига линии флюоресценции рубина Ю при ударном воздействии на рубин. Измерено давление внутри мишени при воздействии на нее импульсного сильноточного электронного пучка. Давление достигает величины 1.5 кБар.

Исследована эрозия вольфрама в зависимости от плотности потока энергии на мишень, спектра пучка, проведены сравнения с КСПУ Х-50. При средних нагрузках обнаружено формирование сети трещин размерами порядка 1000 мкм, кратеров О 200 мкм, ячеек 10 мкм и гранул 0.3 мкм.

Исследована модификация поверхности углеродных материалов под воздействием мощного потока плазмы. Показано, что качество исходного графита влияет на последующую его модификацию. После облучения размеры кристаллитов графита увеличиваются по сравнению с исходными, т. е. происходит графитизация поверхности углеродных мишеней.

Проведены эксперименты по напуску буферного газа (криптона) перед облучаемой мишенью (вольфрам, графиты). Излучение плазмы при прохождении буферного газа исследовалось набором болометров. Напуск газа увеличивает поперечный поток энергии вблизи входа плазмы в газ-бокс. Показано, что модификация поверхности графитов приводит к большему размеру кристаллитов графита нежели без газового облака.

Разработаны и протестированы под потоком плазмы мишени из углерод-литиевого композитов и покрытого литием графита. Температура поверхностной плазмы составила около 1 эВ. Определен поток атомарного.

АЛ Л лития с поверхности -10 атомов/(смс).

Проведены исследования пылесборников, установленных на разных расстояниях от мишеней, которые показали, что осаждаются частицы с характерными размерами от 100 до 0.02 мкм.

В заключение автор выражает глубокую благодарность научному руководителю работы A.B. Бурдакову за помощь в выборе направления данной работы, постоянную поддержку и внимание.

Автор особо признателен коллегам, принимавшим непосредственное участие в описанных в работе экспериментах — И. А. Иванову, C.B. Полосаткину, К. Н. Куклину, В. В. Поступаеву, A.B. Аржанникову.

Автор благодарит своих коллег по экспериментам на ГОЛ-3 — В. Т. Астрелина, К. И. Меклера, А. Ф. Ровенских, С. Л. Синицкого, В. Г. Иваненко, С. С. Гарифову, B.C. Бурмасову за плодотворное сотрудничество и помощь, Е. В. Мостипанову за его работу на установке.

Автор признателен П. З. Чеботаеву, И. Е. Гаркуше, В. А. Махлаю, В. В. Чеботареву, К. С. Распопину, П. А. Симонову, В. Н. Снытникову за сотрудничество.