Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние исследований взаимодействия плазмы с поверхностью на токамаке JET 12
1.1. Примеси в плазме 13
1.2. Накопление топлива 14
1.3. Миграция материала первой стенки 17
1.4. Выводы 21
Глава 2. Экспериментальные методы 23
2.1. Методы анализа 23
2.2. Измерение сечений взаимодействия протонов с бериллием
2.2.1. Методика эксперимента 26
2.2.2. Полученные результаты
2.2.2.1. Сечение рассеяния 9Be(p,p0)9Be 33
2.2.2.2. Сечение ядерной реакции 9Be(p,d0)8Be 38
2.2.2.3. Сечение ядерной реакции 9Be(p,0)6Li 41
2.2.2.4. Проверочные измерения 44
2.3. Методики экспериментов 48
2.3.1. Анализ распределения эрозии внутренней стенки JET 48
2.3.2. Восстановление энергетического спектра дейтерия, распыляющего внутреннюю стенку53
2.3.3. Изучение эрозии и осаждения в диверторе за период первой JET-ILW кампании 58
2.3.4. Исследование накопления материала, переосаждённого в теневых областях дивертора .61
2.4. Выводы 64
Глава 3. Эрозия внутренней стенки 66
3.1. Результаты 66
3.1.1. Распределение скоростей эрозии внутренней стенки 66
3.1.2. Энергетические спектры дейтерия, распыляющего внутреннюю стенку JET 69
3.2. Обсуждение 70
3.2.1. Эрозия внутренней стенки 70
3.2.2. Энергетический спектр дейтерия, распыляющего внутреннюю стенку 73
3.3. Выводы 74
Глава 4. Эрозия и осаждение материала в диверторе 76
4.1. Результаты измерений 76
4.1.1. Тайлы 8 и 7 76
4.1.2. Тайлы 6 и 4 78
4.1.3. Тайл 3 80
4.1.4. Тайл 1 83
4.1.5. Тайл 0 86
4.1.6. Тайл 5 87
4.1.7. Общие характеристики осаждения 90
4.2.Обсуждение 90
4.3.Выводы 93
Глава 5. Накопление материала в теневых областях дивертора 94
5.1.Результаты измерений 94
5.1.1. Внутренний дивертор 94
5.1.1.1.JET-C 1999-2001 94
5.1.1.2.JET-C 2005-2009 96
5.1.1.3.JET-ILW 2011-2012 98
5.1.2. Тайл 5 99
5.1.2.1.JET-C 1999-2001 99
5.1.2.2.JET-ILW 2011-2012 101
5.1.3. Внешний дивертор 103
5.1.3.1.JET-C 2005-2009 103
5.1.3.2.JET-ILW 2011-2012 103
5.2.Обсуждение 105
5.3.Выводы 108
Заключение 110
Список литературы
- Миграция материала первой стенки
- Проверочные измерения
- Энергетические спектры дейтерия, распыляющего внутреннюю стенку JET
- Общие характеристики осаждения
Миграция материала первой стенки
По завершению экспериментальной кампании с тайлов лимитера и дивертора соскабливался верхний слой поверхности, и в нем определялось содержание 10Ве [35,36]. Небольшое количество 10Ве было обнаружено на задних поверхностях тайлов внутреннего лимитера [33]; вероятнее всего он попадал туда в результате транспорта нейтрального бериллия после нескольких соударений с поверхностью. Было установлено, что в отличие от предсказаний численных кодов [37], только 3% распылённого материала остаётся на боковых поверхностях лимитеров, в областях, где ожидалось его переосаждение [36]. 25% переосаждённого материала было обнаружено в диверторе, при этом содержание 10Ве было приблизительно одинаковом на всех тайлах дивертора [35]. Так как распыление лимитеров происходит преимущественно (на 90%) в лимитерной фазе разрядов [20,33], механизм транспорта частиц в дивертор остаётся открытым, и такой транспорт не был предсказан путём численных расчётов [20,38]. Одним из возможных объяснений является переосаждение с лимитеров в межлимитерные области внутренней стенки и, затем, распыление из них [8] нейтралами перезарядки и транспорт в дивертор в диверторной фазе разряда. Однако, стоит отметить, что присутствие Ве было отмечено [38] на поверхности тайлов дивертора уже после начальной подготовительной серии разрядов в токамаке, осуществлявшихся только в лимитерной фазе [39].
Динамически, эрозия с внутреннего лимитера также наблюдалась спектроскопическими методами [40]. Эти наблюдения позволили установить механизм эрозии Ве в токамаке и показать, что химическое распыление определяет вплоть до трети всего распыления при низких температурах, и его роль падает с ростом температуры поверхности [17]. При этом для Ве, в отличие от С, существует энергетический порог приблизительно 10 эВ, и распыление частицами ниже этой энергии отсутствует [41]. Полученные данные были сравнены с предсказаниями численных кодов, таких как ERO [42], и было обнаружено, что численное моделирование переоценивает распыление приблизительно в два раза.
Во всех исследованных областях основной камеры были обнаружены небольшие количества W, не превышающие 31016 атомов/см2. Вероятно источником W являются микрочастицы W покрытий, использованных в диверторе и некоторых отдельных тайлах основной камеры, например, расположенных напротив источников пучков нейтралов.
Большое внимание было уделено изучению транспорта материала в дивертор, эрозии и переосаждению в диверторе. Был проведён ряд независимых исследований с использованием профилометрии [28], анализа ионным пучком [27], сканирующей электронной микроскопии [27], энерго-дисперсионного анализа, вторичной ионной масс спектроскопии [24]. В данной работе представлено наиболее полное и подробное описание картины эрозии и осаждения методом анализа ионным пучком (по методу обратного рассеяния Резерфорда и методу ядерных реакций).
В целом, данные полученные различными методами находятся в хорошем согласии. По сравнению с количеством углерода переносимого в дивертор JET-C, количество бериллия, переносимого в дивертор, более чем в пять раз меньше и составляет по меньшей мере 20 г [43]. В отличие от JET-C [44], осаждение сконцентрировано на тайлах 0 и 1 дивертора, куда материал транспортируется непосредственно из скрэп-слоя, а не распространено по всему внутреннему дивертору за счёт ступенчатого переноса материала по дивертору в цикле осаждение-эрозия-переосаждение. Эти результаты хорошо описываются численными методами, в том числе кодом WallDyn [45]. На тайле 3 и внизу тайла 1 отмечались признаки небольшой эрозии [27]. Во всём диверторе были обнаружены только небольшие количества Ве и D. при этом, как было установлено путём анализа ионным микропучком [46], распределение осаждения было сильно неравномерным на микроуровне. Осаждённые материалы накапливались преимущественно в углублениях поверхности и рельеф поверхности тайлов играл важную роль в распределении осаждающегося материала – более 70% D накапливалось в менее 30% поверхности [47]. Во всех осаждённых слоях был также обнаружен азот, напуск которого производился в токамак во время некоторых разрядов. Его содержание было ниже, чем содержания углерода и кислорода [48].
Путём спектроскопического анализа линий излучения ионизованного вольфрама [49] было установлено, что определяющим механизмом эрозии W является распыление примесями Ве в плазме во время ЭЛМов, а распыление остаточным С в плазме пренебрежимо мало. Также было установлено, что большая доля частиц вольфрама возвращается на поверхность дивертора почти сразу после распыления.
Накопление в теневых областях дивертора наблюдалось при помощи таких время-разрешающих методик как вращающиеся коллекторы [50,51] и кварцевые микровесы [52]. Также, исследовалось суммарное накопление – проводился анализ слоёв, осевших на заслонки кварцевых микровесов [53]. Было установлено, что транспорт материала вглубь дивертора и в теневые области существенно уменьшился по сравнению с таковым для JET-C. Скорость накопления материала в теневых областях дивертора упала приблизительно в 17-50 раз [51,53]. Содержание дейтерия в бериллиевых слоях было оценено как D/Be=0.3-1 с меньшим содержанием в областях, где температура поверхности была вероятно выше.
На основе данных кварцевых микровесов [52] было обнаружено, что в отличие от JET-C, для JET-ILW внешний дивертор содержит наибольшее количество осаждённого материала. Эта разница объясняется различием в зависимости коэффициентов химического распыления углерода и бериллия [17] от температуры.
Накопление изотопов водорода, транспорт материала в установке, влияние материалов стенки на свойства плазмы были изучены рядом методов, как ex-situ, так и in-situ. В целом, полученные результаты хорошо согласуются между собой.
За счёт смены стенки с углеродной на бериллиевую, уменьшилось количество примесей в плазме и, как следствие, количество материала, транспортируемого в дивертор и теневые области токамака. Разница в свойствах распыления углерода и бериллия изотопами водорода привела к качественным и количественным изменениям в распределении переосаждённого материала по установке, образованию новых областей эрозии. Наблюдавшаяся скорость накопления топлива в токамаке была более, чем на порядок, ниже, чем для углеродной конфигурации, что внушает надежды для проекта ИТЭР. Однако, существует ещё ряд вопросов, касающихся распределения эрозии и осаждения по внутренней стенке основной камеры, деталям накопления переосаждённого материала в диверторе, включая его теневые области, на которые в литературе ответа на представлено. Результаты этих исследований приведены в данной работе.
Проверочные измерения
В JET-C кампаниях 2001-2004 и 2005-2009 было установлено по два набора образцов. Образцы были установлены вблизи внутренней средней плоскости (рисунок 2.17) в разных октантах токамака. Образцы распылялись в течение всей кампании, то есть энергетический спектр, восстановленный по их распылению, является некоторым средним за период всей кампании. Рисунок 2.17. Расположение экспериментальных образцов для определения энергетического спектра распыляющих частиц (показано стрелкой)
Толщины покрытий на образцах измерялись по завершению кампании и сравнивались с таковыми до её начала. Разница принималась за потерю соответствующего материала.
Вид энергетического спектра дейтерия, распыляющего внутреннюю стенку искался на основе нескольких предположений: 1) Считалось, что только дейтерий вносит существенный вклад в распыление. Это предположение было подтверждено данными о распылении вольфрама в утопленных межлимитерных областях внутренней стенки (см. главу 3). Зависимость коэффициентов распыления от энергии рассчитывалась на основе модифицированной формулы Бодански [85]. Эта формула часто применяется для расчета коэффициентов распыления. Она была выбрана, так как она адекватно описывает эрозию за счёт распыления лёгкими ионами в широком диапазоне энергий. Расчёт химического распыления углерода дейтерием проводился по формуле Рота [86], исходя из температуры стенки 200 C, характерной для токамака JET. 2) Переосаждением пренебрегалось. Это было оправдано тем, что в период исследованных кампаний в плазме токамака JET концентрация элементов тайлов (бериллия, никеля или вольфрама) была мала. Переосаждение углерода также, вероятно, мало, в силу расположения образцов. 3) Предполагалось, что энергетический спектр имеет вид Y(E) e E/ki + Схе Е/к . Это предположение было сделано на основе данных, полученных ранее в схожих экспериментах на токамаке ASDEX-upgrade [87]. 4) Етах бралось равным 100 кэВ. Эта величина была выбрана как максимальная, для которой ещё были известны коэффициенты распыления вольфрама дейтерием. При этой энергии распыление более лёгких элементов уже пренебрежимо мало.
Параметры кг, к2, С подбирались таким образом, чтобы модельно полученные общие количества распылённого материала для всех рассматриваемых элементов максимально близко совпадали с экспериментально измеренными. Подбор происходил по алгоритму Нелдер-Мида [88]. Стабильность решения проверялась за счёт варьирования начальных значение параметров для подбора в широком диапазоне.
В JET-ILW кампании в диверторе JET использовались углеродные тайлы из CFC, покрытые толстым ( 20 мкм) слоем вольфрама. Вольфрам был нанесён на поверхность CFC при помощи комбинированной технологии магнетронного напыления и ионной имплантации [13]. Все тайлы дивертора, кроме центрального горизонтального тайла, (тайл 5), были изготовлены по одной и той же технологии, описанной выше. Схема дивертора представлена на рисунке 2.18. На рисунке обозначены номера и границы каждого тайла, указанные в единицах s-координаты. S-координата (surface-координата), это ось координат, проложенная по поверхности тайлов дивертора от нулевого тайла к тайлу 8, и используемая для описания положения на поверхности дивертора. Рисунок 2.18. Схема дивертора, использованного в JET-ILW кампаниях. Красными точками отмечены границы тайлов, для которых проставлены значения s-координаты в миллиметрах.
Изучение эрозии поверхности тайлов дивертора и осаждения материала на них проводилось при помощи маркерных слоёв. Перед установкой тайлов в токамак, на ряд из них было нанесено многослойное покрытие. На вольфрамовую поверхность был нанесён слой молибдена, поверх которого было нанесено вольфрамовое покрытие маркер. Толщины молибденового промежуточного слоя и вольфрамового маркерного слоя были определены в ряде точек каждого тайла, вдоль s-координаты. Схема покрытий представлена на рисунке 2.19. Эти покрытия были нанесены на все тайлы с 1 по 8, кроме тайла 3. На тайл 3 было нанесено только молибденовое покрытие. Это было сделано для изучения переосаждения вольфрама, распылённого с других тайлов.
После завершения кампании, толщины покрытий и состав поверхностных слоёв были проанализированы. Так как можно было ожидать присутствие токсичного бериллия на поверхности тайлов, работа с ними была затруднена. К сожалению, экспериментальные стенды, способные провести анализ цельных тайлов без их контакта с персоналом, не были доступны. По этой причине из всех анализированных тайлов (кроме тайла 5) в точках с известными s-координатами были вырезаны цилиндрические образцы (рисунок 2.20), после чего проводился анализ этих небольших образцов. Ряд образцов были распилены пополам перпендикулярно поверхности, обращенной к плазме, и была проведена электронная микроскопия поперечных срезов.
Энергетические спектры дейтерия, распыляющего внутреннюю стенку JET
Из рисунка следует, что, на тайлах 4 и 6, как и на тайлах 7 и 8, не было распыления W маркеров. Наоборот, на тайле 6 толщина W маркера была на 500 нм больше, чем до кампании. Толщина Мо слоя в пределах ошибки измерения не изменилась.
Распределения осажденных С, Ве и D на тайлах 4 и 6 похожи друг на друга. Осаждение приходились на наклонные области, несколько смещенные от центра тайлов. На обоих тайлах максимумы осаждения находятся в области и вблизи области самого длительного расположения страйк-пойнтов, то есть осаждаемые частицы приносятся в дивертор периферийной плазмой из мест их распыления в основной камере токамака.
На внешнем тайле 6 распределение более широкое, а общее количество осажденного вещества больше, чем на внутреннем тайле 4. Среднее количество Ве было 0.911018 атомов/см2 и 3.11018 атомов/см2 для тайлов 4 и 6 соответственно, С – 1.51018 атомов/см2 и 2.01018 атомов/см2, D – 0.671018 атомов/см2 и 0.741018 атомов/см2.
На рисунке 4.4 показано поперечное сечение тайла 4 в области наибольшего количества переосаждённого материала. Толщина осевших слоёв достигала нескольких мкм, а СЭМ показали формирование многослойных структур.
Внутренний тайл 3 находится напротив внешнего тайла 7, но распределения элементов в этих тайлах качественно отличаются. Распределения элементов W, Mo, С, Ве и D по поверхности тайла 3, а также распределение положений страйк поинтов по тайлу 3 представлены на рисунке 4.5. Характерные точки тайла в величинах s-координат представлены на рисунке 2.18. Во многих конфигурациях, использованных в JET-ILW кампании 2011-2012, внутренний страйк поинт приходился на тайл 3.
В отличие от тайла 7 (верхний слой W), на верхней половине тайла 3 наблюдается существенная эрозия верхнего слоя (Мо для этого тайла), его толщина падает с уменьшением s-координаты, уменьшаясь более чем на 50% ближе к верху тайла. В области s450 мм, Мо слой был практически полностью распылён. Эти наблюдения были также подтверждены оптической спектроскопией в тлеющем разряде [93]. Эрозия Мо была смещена вверх приблизительно на 30 мм относительно распределения страйк пойнтов. Такое смещение можно частично объяснить неточностью определения положений страйк поинтов, определявшихся с точностью до 10 мм, а частично влиянием переосаждения распылённого Мо на общую картину эрозии.
Распределение вольфрама, молибдена, углерода, бериллия и дейтерия на поверхности тайла 3 до и после экспериментальной кампании JET-ILW, а также распределение страйк-пойнтов по поверхности тайла 3.
Кроме того, в отличие от тайла 7, на поверхности тайла 3 наблюдалось осаждение W, количество которого росло к верху тайла, достигая 21018 атомов/см2. СЭМ изображения (рисунок 4.6) и энерго-дисперсионная спектроскопия (ЭДС) приповерхностных слоёв в этой области показывают (рисунок 4.7, точки 3 и 4) существенное перемешивание Мо и переосаждённого W. О перемешивании можно судить по ЭДС спектру. В точках 3 и 4, расположенных вблизи поверхности, на ЭДС спектрах наблюдаются пики как W, так и Мо. При этом интенсивность W пика ниже, чем в точке 2, попадающей на защитный W слой под Мо маркером. Это говорит о том, что вблизи поверхности наблюдается слой, в котором смешаны Мо и W.
СЭМ изображение поперечного среза тайла 3 во вторичных (слева) и обратно отражённых (справа) электронах. Цифры на правом изображении соответствуют точкам ЭДС анализа (рисунок 4.7). Поверхность находится сверху, материал тайла снизу.
ЭДС спектры измеренные в нескольких точках поперечного среза приповерхностного слоя тайла 3. Номера спектров соответствуют точкам, указанным на правом рисунке 4.6.
Распределение страйк-пойнтов на тайле 3 очень широкое и сложное по форме с несколькими максимумами. Поэтому сложно провести корреляцию между положениями максимумов распределения страйк-пойнтов и профилями концентрации осажденного С, Ве, W/\, которые также имеют сложную форму и несколько максимумов. Однако отчетливо видно, что наибольшее количество переосаждённого материала наблюдается выше области страйк поинтов. Эта наиболее хорошо видно для Ве. Средние количества Ве и С на тайле 3 составляют приблизительно 21018 атомов/см2, а D – около 61017 атомов/см2.
Распределения W, Mo, С, Ве и D, а также страйк поинтов по поверхности тайла 1 показаны на рисунке 4.8. Внутренний тайл 1 симметричен относительно нижней части внешнего тайла 8. Однако различие между ними огромное. Рисунок 4.8. Распределение вольфрама, молибдена, углерода, бериллия и дейтерия на поверхности тайла 1 до и после экспериментальной кампании JET-ILW, а также распределение страйк-пойнтов по поверхности тайла 3.
Тайл 8 практически не претерпел эрозии, однако внутреннем тайле 1 в нижней его части (s-координаты от 350 мм и до нижнего края тайла) можно видеть небольшую суммарную эрозию W. Кроме этого на профилях концентрации на тайле 1 можно видеть существенно большее количество осажденного С, Ве и D. СЭМ изображения показывают наличие областей осаждения на поверхности, в основном в углублениях на покрытии, соответствующим углублениям между волокнами CFC под W покрытием. Профиль осаждения имеет два максимума – один вверху тайла, а другой в его центральной части. Оба максимума находятся далеко от области страйк-пойнта, которая находится в нижней части тайла.
Максимум эрозии W наблюдается в нижней части тайла в области страйк-пойнта. Выше него (чуть выше средней части тайла) находится локальный максимум W. Площади, соответствующие минимуму и максимуму концентраций примерно совпадают. Можно предположить, что W, который распылился в области страйк-пойнта, переосадился вблизи него выше по тайлу. В этой же области наблюдается осаждение и С, и Ве, и D, которые приходят совершенно из других областей токамака. Можно предположить, что эти примеси приносятся в область страйк-пойнта с периферийной плазмой, затем распыляются оттуда (как и W) и затем переосаждаются в тех же областях, что и W, распыленный в этой области. СЭМ изображения образцов в центральной области (от s300 мм до s350 мм) демонстрируют многослойные покрытия, аналогичные тем, которые были обнаружены на тайле 4 (рисунок 4.9).
В верхней области тайла 1, включая его горизонтальную часть (т.н. «передник») расположена область с очень высокой концентрацией переосажденного материала. СЭМ продемонстрировала наличие толстых плёнками переосаждённого материала в этой области. Содержание бериллия составляло до 1020 атомов/см2. Переосаждённый материал формирует толстые отслаивающиеся плёнки (рисунок 4.10), которые имеют сложную, многослойную структуру (рисунок 4.11) с хлопьями до 20 мкм толщины. Состав осевших слоёв включает Ве, С, D, W и O. Состав пленок примерно такой: Ве составляет 70-80%, О – 7-10%, С – 6-8%, порядка 3% W и 1-3%D. Распределение D по толщине плёнки крайне сложно установить из-за латерально неоднородного распределения материала. В целом, его можно было приближённо считать равномерным. Концентрация D была обычно выше у поверхности плёнки, чем в её глубине.
Общие характеристики осаждения
Во всех коллекторах всех кампаний JET-C максимальное количество осевших на коллекторы частиц прилетало с поверхностей, располагавшихся вблизи страйк поинтов. Такая конфигурация источников частиц, прилетавших в коллекторы в JET-C является подтверждением предложенного ранее в литературе механизма транспорта углеводородов в удалённые области дивертора. Этот механизм был предложен на основе время-разрешённых данных о осаждении материала в теневых областях дивертора, и заключается в следующем [9]:
1. Углеводородные плёнки осаждаются на тайл 4 внутреннего дивертора в процессе ступенчатого транспорта (см. главу 4)
2. При расположении страйк поинта на тайле 4, эти углеводороды распыляются во время ЭЛМов. Эффективность распыления нелинейно зависит от энергии ЭЛМов: ЭЛМы с большими энергиями приводят к гораздо большей эрозии. Углеводородные пленки на тайле 4 эродируют в том числе за счёт их теплового разложения на углеводородные радикалы и кластеры.
3. Распылённые продукты эрозии затем прилипают к поверхностям в удалённых областях, где они и формируют толстые углеводородные слои.
Можно видеть, что для верхних пластин коллекторов JET-C существует довольно существенное различие между модельными и экспериментальными данными: вблизи входной щели количество углерода и дейтерия значительно превышает предсказанное. Наиболее вероятным объяснением этого явления является перераспыление частиц, осаждённых на нижней пластине частиц напротив входной щели коллектора, влетающими в коллектор частицами [20]. Распыление частиц будет происходить в основном только из области на нижней пластине, находящейся в прямой видимости входной щели – распыление с верхней пластины будет гораздо слабее, как за счёт меньшего потока частиц, бомбардирующих её, так и за счёт их более низкой энергии по сравнению с частицами, влетающими в коллектор. Если распыление существенно, то на верхней пластине вблизи входной щели будет наблюдаться завышенное (по сравнению с моделью отражения частиц от поверхностей коллектора) количество частиц, а по её краям – заниженное. Именно такая картина и наблюдалась, и особенно чётко она выражена для JET-C 1999-2001 кампании
Альтернативным объяснением малого количества дейтерия по краям верхней и нижней пластин могут являться изотопный обмен и разложение очень тонких углеводородных плёнок при контакте с атмосферным воздухом в процессе их транспортировки из токамака.
После перехода от JET-C к JET-ILW, динамика и свойства накопления материала в теневых областях дивертора претерпели существенные изменения.
Скорость накопления материала в теневых областях существенно упала: в JET-ILW Ве накапливался в 30 раз медленнее, чем С в JET-C 2005-2009 и в 16 раз медленнее, чем С в JET-C 1999-2001. Скорость накопления материала на поверхностях тайлов дивертора упала всего в 4-9 раз (см. главу 4), что говорит о том, что меньшая доля частиц транспортируется в удалённые теневые области установки, чем в JET-C. Это вызвано меньшей подверженностью Ве ступенчатому переносу по циклу осаждение-эрозия-переосаждение [53]. Этим же частично объясняется большая доля С в составе плёнок, обнаруженных в коллекторах.
Второй причиной наличия большого количества углерода по крайней мере в коллекторе внутреннего дивертора, где доля углерода была самой высокой, являются паразитные разряды [99] на задней стороне тайла 3 дивертора. Об этом говорит реконструированная форма источника частиц углерода – существенная часть углерода приходит в коллектор с обратной стороны тайла 3. Возможно, что этот эффект существовал и для JET-C, но, из-за большей интенсивности потока частиц с тайла 4, его было невозможно заметить. Для внешнего дивертора этот эффект выражен гораздо слабее, что объясняется различием в расположении страйк пойнтов.
Дейтерий накапливался в 45 раз медленнее, чем в 2005-2009 году и в 33 раза медленнее, чем в 1999-2001 годах. Такая разница, как и для накопления на поверхностях тайлов дивертора, объясняется меньшим содержанием D в Ве слоях по сравнению с углеводородными слоями. При этом можно видеть, что содержание D/Be в теневых областях (D/Be0.3) существенно превышает долю дейтерия (D/Be0.1) на поверхности тайлов дивертора в области наибольшего количества осаждённого материала (см. главу 4). Это вызвано, вероятно, различиями в температурном режиме в коллекторах и на тайлах дивертора. Ве-D разлагается при низкой температуре, что может приводить к выходу дейтерия из соосаждённых слоёв при их нагреве и, как следствие, пониженному содержанию дейтерия в плёнках на поверхностях тайлов.
По сравнению с углеводородными слоями, полученными в JET-C кампаниях, можно ясно видеть, что доля материала на верхних пластинах коллекторов выше для JET-ILW. Этому можно представить два основных физических объяснения: высокая вероятность отражения частиц от поверхности коллектора и/или эрозия плёнки, осаждённой на нижней пластине, влетающими в коллектор частицами.
Согласно расчётам ТРИМ, максимальное отражение Ве от Si происходит при энергии Ве приблизительно 90 эВ. Коэффициент отражения при этом равняется всего 0.29 для угла падения 50, что является максимальным углом, под которым частицы могут влетать в коллекторы. Согласно [100], коэффициент отражения Ве от Ве не превышает 0.12 при 100 эВ для углов падения, не превышающих 50. При больших углах падения возможны большие коэффициенты отражения. Частицы могут влетать в полость только с углами, меньшими 50. При отражении и транспорте внутри коллектора, большинство частиц будет ударяться о поверхность также с углом меньшим 50, если предполагать, что распределение частиц, отражённых от поверхности косинусоидальное. Таким образом, одним лишь отражением, описанным с точки зрения модели парных соударений нельзя описать наблюдавшуюся картину транспорта частиц в коллекторе.
Коэффициент самораспыления бериллия может достигать 0.3-0.5, в зависимости от угла падения [90]. Коэффициент распыления Ве дейтерием может быть порядка 0.1, особенно при низких температурах поверхности, когда химическое распыление увеличивает общее распыление более, чем на треть [17]. Таким образом, возможно, что Ве в области непосредственно под входной щелью распыляется влетающими в коллектор частицами.
Если бы ре-эрозия была основной или единственной причиной транспорта большого количества частиц на верхнюю пластину коллектора, можно было бы ожидать, как было описано выше, что вблизи входной щели будет сконцентрировано диспропорционально большое количество частиц. Такой эффект действительно наблюдался для внешнего дивертора и коллектора тайла 5 JET-ILW. Однако, ре-эрозия с верхней пластины коллектора возможна только за счёт распыления частицами, отражёнными от нижней пластины, либо распылёнными с неё. Более 10% всего Ве было обнаружено за пределами области прямой видимости на нижней пластине. Чтобы объяснить эти данные за счёт ре-эрозии, необходимо предполагать очень большие коэффициенты распыления. Поэтому, по всей видимости, ре-эрозия не может быть единственным или главным механизмом переноса частиц в коллекторе.
Механизм повышенного транспорта бериллия в удалённые области токамака требует дополнительного изучения. Вероятнее всего он является комбинацией химического взаимодействия бериллия с дейтерием, отражения и ре-эрозии.
Не считая углерода, приходящего с задней поверхности тайла 3, источники частиц в JET-ILW были практически идентичны таковым в JET-C, что говорит об общей схожести транспорта частиц с поверхности тайлов дивертора в теневые области.
Особенностью JET-ILW было то, что плёнки в коллекторе внутреннего дивертора отличались от остальных плёнок тем, что в них присутствовала существенная доля частиц с высоким коэффициентом прилипания s 0.7. Это, вероятно, объясняется влиянием потока углерода с задней поверхности тайла 3.