Введение к работе
Актуальность темы. Взаимодействие плазмы со стенкой -одна из наиболее важных проблем при создании установок управляемого термоядерного синтеза. Разрушение под действием плазменного облучения поверхности лимитеров, диверторов, экранов, элементов вакуумной камеры термоядерных установок приводит к уменьшении срока их службы, вызывает загрязнение плазмы продуктам/ распыления твердого тела. Это ухудшает условия удержания плазмы и повышает ее радиационные потери. Без понимания физических закономерностей процесса взаимодействия плазмы с элементами первой стенки невозможны их успешная эксплуатация в термоядерных установках(ТЯУ) и получение термоядерных параметров плазмы.
Наиболее существенный вклад в процесс поступления примесей в замагниченную горячую плазму установок типа "Токамак" вносит распыление лимитеров и пластин дивертора ионами плазмы. С целью уменьшения радиационных потерь плазмы изготовление такого рода узлов термоядерного реактора (ТЯР) целесообразно осуществлять из термостойких материалов с небольшими значениями атомного номера и коэффициента распыления легкими ионами. К ним относятся различные углеродосодержащие материалы. Температура поверхности энергонапряженных элементов вакуумной камеры уяе в реакторах первого поколения будет достигать величины 1200С и выше. В связи с вышесказанным особую важность приобретают знания эрозионных характеристик углеродосодержащих материалов, перспективных для использования в ТЯР, под действием ионного облучения в условиях высоких температур.
Изучение процессов высокотемпературного распыления представляет большой интерес и с чисто научной точки зрения. Увеличение
температуры в условиях ионного облучения может приводить к так называемым синєргическим эффектам, заключающимся в том, что эффект от воздействия на ыатериал двух и более факторов носит неаддитивный характер. Для угдеродосодержащих материалов примерами проявления синергического эффекта при повышенных температур являются химическое распыление ионами водорода /I/ и аномально высокий рост коэффициента распыления при Т> 1000 К /2/. Выяснение механизмов такого рода явлений важно для понимания физических принципов взаимодействия атомных частиц с поверхностью твердого тела.
Несмотря на научную и практическую значимость, проблема изучена недостаточно. Нет ясности в представлениях о физике процесса высокотемпературной ионно-сгимулированной эрозии графита. Сведения о характере и механизмах высокотемпературного распыления многокомпонентных и многофазных углеродеодеркащих материалов носят фрагментарный характер либо совсем отсутствуют.
Целью работы было экспериментальное исследование процессов эрозии поверхности углеродсодержащих материалов при ионном облучении в условиях высоких температур. В задачу диссертационной работы входило изучение закономерностей высокотемпературного распыления графита, карбидов тугоплавких металлов, композитов на основе углерод-углеродной связки легкими ионами, а также исследования возможное?!! подавления аномально высокой эрозии графита при высоких температурах.
Научная новизна работы I. Установлено, что в широком диапазоне температур скорость высокотемпературной эрозии графита под действием лонного облучения определяется ионно-стимулированной десорбцией (ИСД) с
поверхности слабосвязанных углеродных атомов. Измерены сече-ния десорбция ионами D и Не средних анергий и температурный интервал действия ИСД в качестве механизма, определяющего скорость эрозии графита.
-
Проведены исследования характеристик высокотемпературной ионно-стимулированной эрозии графита при различных дозах облучения. Показано, что их изменение связано с развитием микрорельефа поверхности.
-
Изучено влияние кислорода остаточного газа на эрозионные характеристики карбидов тугоплавких металлов при ионной бомбардировке и высоких температурах. Обнаружена стимулирующая роль ионного облучения в процессе образования оксикарбидной фазы. Показано, что разложение оксикарбида, сопровоздающееся выделением окиси углерода и, в случае Ті С , испарением титана, может быть источником судестзенного загрязнения плазмы ТЯУ примесями.
Л. Исследованы закономерности распыления новых композитных углеродньк материалов легкими ионами при высоких температурах. Показана принципиальная возможность подавления аномально высокой ионно-стимулировашюй высокотемпературной эрозии углеграфитовых материалов их объемной пропиткой тугоплавкими металлами, в частности, титаном.
Практическая ценность работы определяется важностьп полученных результатов для оптимизации условий эксплуатации углерод-содержачих материалов в установках термоядерного синтеза и создания новых графитовых материалов для ТЯР.
Совместно с ШИ "Графит" на основе полученных в диссертационной работе результатов создан графитовый материал (КУП ВМ +Tl) с малым коэффициентом высокотемпературного распыления, используемый в настоящее время в качестве экранных пластин в Токамаке
с сильным полем (ТСП) Филиала Института атомной энергии им.И.В.Курчатова.
На защиту выносится
-
Закономерности процесса высокотемпературного распыления графита легкими ионами. Определение механизмов эмиссии с поверхности графита слабосвязанных атомов углерода. Изменение характеристик высокотемпературного распыления графита с увеличением дозы ионного облучения.
-
Закономерности высокотемпературной эрозии карбидов тугоплавких металлов под действием облучения ионами и плазмой. Механизм повышенной эрозии карбидов І Ї.С и fJctC при ионной бомбардировке и высоких температурах в присутствии кислорода остаточного газа, заключающийся в образовании и разложении оксикарбидной фазы. Роль ионного облучения в процессе формирования оксикарбида на поверхности карбидов. Определение состава эмитированных частиц при разложении оксикарбидов ниобия и титана в условиях облучения ионами плазмы.
-
Создание углеродосодержацнх материалов с низким значением коэффициента высокотемпературного распыления ионами и плазмой.
-
Принципы подавления высокотемпературной ионно-стимулирован-ной эрозии графита.
Апробация работы Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Ш Всес.конференции по исследованию и разработке конструкционных материалов для реакторов термоядерного синтеза (Ленинград, 1984), И Всес.семинаре "Взаимодействие ионных пучков с атомами и поверхностью твердого тела" (Новгород, 1986), I Всес.совеїцании^-семинаре "Ускорители заряженных частиц и радиационная физика" (ШКІ, 1987), заседаниях рабочей группы по
взаимодействию плазмы с поверхностью материалов для ТЯР (Москва, 1985,1937), Советско-американском совещании по CIT (Ленинград, 1988), Всес.конференции "Вторично-ионная и ионно--фоитонная омиссия" (Харьков, 1988), П Веес.совещании "Фиэико--химия взаимодействия ионного и фотонного излучения с поверхностью твердых тел" (Зпеиигород, 1988), IX и X Всес.конференциях "Взаимодействие атомных частиц с твердым толом" (Москва,1991, 1989)т ІУ Международной конференции по исследованию и разработке конструкционных материалов для реакторов термоядерного синтеза (Дубна, 1990), Всес.конференции "Радиационное воздействие на материалы ТЯР" (Ленинград, 1990), заседании международной группы по управлению примесями в ИТЭРе (Гархинг, ФРГ, Г989).
Публикации По теме диссертация опубликовано 9 печатных работ.
Структура диссертации Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Полный объем 143 стр., в том числе 104 стр. текста, 58 рис., 5 табл., список литературы содержит 81 работу.
