Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 13
1.1. Условия работы защитных материалов первой стенки и дивертора токамакаИТЭР 13
1.2. Захват изотопов водорода в продуктах эрозии обращенных к плазме материалов при моделировании стационарных процессов ИТЭР 22
1.3. Проблема удаления изотопов водорода из продуктов эрозии обращенных к плазме материалов 33
1.4. Заключение к главе 1 35
Глава 2. Экспериментальное моделирование импульсных плазменных процессов ИТЭР на квазистационарном плазменном ускорителе 36
2.1. Моделирование импульсных плазменно-тепловых нагрузок на квазистационарном плазменном ускорителе 37
2.1.1. Квазистационарный сильноточный плазменный ускоритель с собственным магнитным полем КСПУ-Т 37
2.1.2. Конструкция облучаемых мишеней 45
2.1.3. Тепловые нагрузки на поверхность материалов при воздействии плазменного потока 48
2.2. Численный расчет динамики испарения материалов тепловым импульсом 55
2.3. Заключение к главе 2 62
Глава 3. Условия осаждения продуктов эрозии материалов при импульсных переходных процессах 64
3.1. Условия эксперимента для измерения скорости осаждения, распределений тепловой нагрузки и массы осажденных продуктов эрозии при облучении материалов плазменным потоком 64
3.2. Распределения тепловой нагрузки и массы осажденных продуктов эрозии 66
3.3. Скорость осаждения продуктов эрозии
3.4. Сопоставление динамик испарения и осаждения материалов 85
3.5. Заключение к главе 3 92
Глава 4. Захват изотопов водорода в продукты эрозии обращенных к плазме материалов в условиях импульсных переходных процессов 94
4.1. Условия эксперимента для сбора продуктов эрозии 94
4.2. Структура и состав осажденных продуктов эрозии 96
4.3. Влияние условий в местах осаждения продуктов эрозии на концентрацию захваченных в них изотопов водорода 100
4.4. Заключение к главе 4 ПО
Глава 5. Воздействие излучения на продукты эрозии обращенных к плазме материалов 111
5.1. Параметры излучения, генерируемого с помощью квазистационарного плазменного ускорителя 111
5.2. Расчет кинетики выхода захваченного дейтерия при воздействии теплового импульса 119
5.3. Изменение свойств продуктов эрозии под действием излучения
5.3.1. Условия эксперимента для облучения продуктов эрозии 123
5.3.2. Результаты экспериментов. Сопоставление с расчетами 125
5.4. Заключение к главе 5 133
Заключение 134
Список использованных источников
- Захват изотопов водорода в продуктах эрозии обращенных к плазме материалов при моделировании стационарных процессов ИТЭР
- Квазистационарный сильноточный плазменный ускоритель с собственным магнитным полем КСПУ-Т
- Распределения тепловой нагрузки и массы осажденных продуктов эрозии
- Расчет кинетики выхода захваченного дейтерия при воздействии теплового импульса
Захват изотопов водорода в продуктах эрозии обращенных к плазме материалов при моделировании стационарных процессов ИТЭР
В работе [9] приводится оценка фактора W-At (W - тепловой поток, приходящий на поверхность материала, t - его длительность), ожидаемого для ЭЛМ-событий первого типа и «большого срыва» во время работы токамака ИТЭР в Н-моде при токе плазмы 7,5 МА: 64 МДж-м"2-с"0 5 и 100 МДж-м"2-с"0 5 соответственно. В то время как, при штатном режиме работы токамака в Н-моде ток плазмы должен достигать значения 15 МА, что приведет только к увеличению фактора W-At. Для сравнения, при значении фактора W-At = 20-40 МДж-м" -с" наблюдалось плавление макетов защитных покрытий из вольфрама при их облучении на плазменном ускорителе [29]. Таким образом, во время ЭЛМ-событий первого типа и «большого срыва» будет происходить плавление и, как следует из результатов расчетов, представленных в главе 2, испарение ОПМ при указанных параметрах теплового воздействия. При рассмотренных переходных процессах плазма в области дивертора ИТЭР будет в неравновесном состоянии, так, в том числе, температуры ионной и электронной компонент будут сильно отличаться: 3-5 кэВ и 10 - 100 эВ соответственно [28,30-32]. Указанные величины будут определять механизмы передачи энергии на поверхность ОПМ. В токамаке ИТЭР энергия на поверхность ОПМ будет передаваться: - при бомбардировке ионами высоких энергий; - за счет электронной теплопроводности; - за счет излучения в видимой и близкой ультрафиолетовой областях спектра. Давление плазмы на поверхность ОПМ при ЭЛМ-событиях будет незначительным в сравнении с условиями «большого срыва», когда значение данного параметра может быть порядка атмосферы.
Для ослабления разрушительного плазменно-теплового воздействия на защитные покрытия при импульсных переходных процессах в ИТЭР планируется использовать систему инжекции газа (massive gas injection - MGI): газ будет поступать в камеру токамака под давлением (единицы кПа), при этом значительная доля запасенной в плазме энергии будет переходить в энергию излучения. При этом за счет того, что излучение будет воздействовать на всю внутреннюю поверхность вакуумной камеры ИТЭР, а не локально, как при ЭЛМ-событиях и срывах, тепловая нагрузка на защитные покрытия может быть значительно снижена. Ожидается, что при ослабленных таким образом срывах, плотность энергии излучения, приходящего на поверхность первой стенки токамака ИТЭР, будет лежать в диапазоне 0,1 - 0,5 МДж/м [8], для прямоугольного импульса длительностью 0,5 мс (характерное время импульсного переходного процесса) это соответствует значению фактора W-\t = 4-22 МДж-м" -с" . Для сравнения, порог плавления бериллия достигается при W-At 28 МДж-м"2-с"0 5, а нержавеющей стали — W-At 13 МДж-м"2-с"0 5.
В работе [33] для моделирования условий ослабленных срывов, ожидаемых в ИТЭР, использовался квазистационарный сильноточный плазменный ускоритель КСПУ-Т, который так же, как было показано в работе [34], подходит для экспериментального моделирования плазменно-тепловых нагрузок, ожидаемых при импульсных переходных процессах (ЭЛМ-события и «большой срыв»). Данный ускоритель применяется как для исследования эрозии материалов [35], так и для проведения ресурсных испытаний обращенных к плазме компонентов дивертора ИТЭР [36]. Необходимо отметить, что при плазменно-тепловых нагрузках, обеспечиваемых плазменным ускорителем КСПУ-Т, образующееся количество продуктов эрозии будет значительно больше, чем при стационарных процессах, когда эрозия материала вызвана, в основном, ионным распылением [37]. Тем не менее, значительная часть существующих экспериментальных данных о свойствах продуктов эрозии, в том числе и о захвате изотопов водорода, относится к случаю стационарных процессов, при которых скорость осаждения і о 9 1 мала (менее 10 атом-см" -с" ), например [5-7]. Хотя количество захваченного дейтерия во время коротких переходных процессов (менее 10 мс) может оказаться сравнимым или даже большим, чем в стационарном случае (секундная длительность), поскольку количество осажденного материала значительно больше в случае переходных процессов.
В следующем разделе настоящей главы будут рассмотрены критерии выбора ОПМ и захват изотопов водорода в продуктах эрозии ОПМ, наблюдаемый при моделировании условий стационарного процесса.
Выбор обращенных к плазме материалов является одной из важных и сложных проблем токамака-реактора ИТЭР. Рабочие условия для этих материалов будут включать в себя одновременное влияние теплового потока, воздействие излучения и потока частиц, в том числе нейтронов, поэтому выбор ОПМ должен быть сделан с учетом всех возможных важных факторов воздействия и особенностей разработки компонент токамака ИТЭР. Основные факторы воздействия включают в себя [2]: - физические требования (допустимые уровни примесей в плазме); - эрозия материалов; - тепловой удар и тепловое сопротивление усталости; - стойкость к нейтронному излучению; - удержание трития; - вакуумная совместимость; - целостность защитных материалов и материалов радиатора, возможность замены защитных материалов.
Из предварительного анализа компонент токамака ИТЭР (первая стенка, дивертор, лимиттер, перегородки) следует, что в качестве ОПМ можно использовать: бериллий, вольфрам и материалы на основе углерода [9], преимущества и недостатки указанных материалов представлены в таблице 2. Подробная характеристика выбранных для ИТЭР сортов материалов приведена в [2].
При воздействии интенсивных импульсных потоков плазмы (например, ЭЛМ-события и срывы) на поверхность данных материалов будет происходить их эрозия, сопровождающаяся, в том числе и их интенсивным испарением, а, следовательно, и осаждением материала. Как было показано в предыдущем разделе, основное количество продуктов эрозии будет формироваться при таких воздействиях, в то время как эрозия материалов, вызванная распылением материала ионами при стационарном процессе, будет намного меньшей.
Квазистационарный сильноточный плазменный ускоритель с собственным магнитным полем КСПУ-Т
Численный расчет динамики испарения материалов тепловым импульсом необходимо провести для того, чтобы выбрать режим облучения материалов (на основании результатов измерений параметров плазменно-теплового воздействия, представленных в предыдущем разделе) и сопоставить динамику испарения материалов при их облучении в выбранном режиме и условиях, ожидаемых при импульсных переходных процессах в ИТЭР. Методика расчета аналогична использованной ранее в работе [69], за исключением того, что расчет проводился с учетом испарения материалов и без учета эффекта экранировки, описанном, например, в работе [68]. Таким образом, рассчитанные значения толщин испаренного слоя и скорости испарения материалов являются максимально возможными в данных условиях и могут служить для предельной оценки количества испаренного материала.
Представленные в настоящем разделе расчеты выполнены для чистого вольфрама и графита. Графит имеет изотропные теплофизические характеристики и однороден по объему, в отличие от углеродно-волокнистого композита (УВК), использование которого в качестве ОПМ предполагалось в ИТЭР [2]. Несмотря на различные теплофизические характеристики графита и УВК, их эрозионная стойкость после многократного импульсного плазменного облучения будет практически одинакова [68]. Поэтому полученные расчетные данные для графита могут быть использованы и для оценки толщины испаренного слоя и скорости испарения УВК.
В расчетах учитывалось, что теплофизические свойства графита и вольфрама имеют достаточно сильную зависимость от температуры [70-73]. Так, например, для вольфрама при увеличении температуры от 300 К до 5953 К (точка кипения), теплопроводность уменьшается от 160 до 80 Вт/м-К, а теплоемкость возрастает от 100 до 200 Дж/кг-К. В качестве теплового импульса, соответствующего параметрам облучения мишеней на плазменном ускорителе КСПУ-Т, аналогично работе [34], использовался импульс прямоугольной формы длительностью 0,5 мс. Данный импульс был получен в результате аппроксимации экспериментально измеренного импульса давления [34]. Для моделирования условий импульсных переходных процессов ИТЭР использовался импульс с близкой к треугольной формой, представленный ранее в разделе 1.1. Длительность данного импульса на полувысоте характеризуется параметром т. Расчеты, аналогично [34], выполнены для двух значений параметра г: 500 мкс (тип 1) и 90 мкс (тип 2). При этом длительность импульса типа 1 будет совпадать как с длительность ЭЛМ-события первого типа, так и с длительностью импульса КСПУ-Т. Импульс типа 2, как было показано ранее [34] в определенной степени эквивалентен прямоугольному импульсу с длительностью 0,5 мс, т. к. при одинаковом энергосодержании указанных импульсов на поверхности материала будет достигаться одинаковая максимальная температура при одинаковой начальной температуре материала. Вид описанных типов импульсов представлен на рисунке 23.
Стоит отметить, что максимальную пиковую мощность имеет импульс типа 2: ее значение в 3,5 раза больше мощности прямоугольного импульса и примерно в 6 раз больше пиковой мощности импульса типа 1.
Для всех форм импульса были рассчитаны зависимости максимальной температуры на поверхности и максимальной толщины испаренного слоя от плотности энергии, приходящей на поверхность вольфрама и графита. Начальная температура материала в расчетах с использованием тепловых импульсов типа 1 и 2 задавалась на уровне 500 С, поскольку указанное значение температуры находится в заданном рабочем диапазоне температур для вольфрама в ИТЭР. Данный диапазон ограничен снизу температурой перехода вольфрама из хрупкого в пластичное состояние Тввтт = 400 С, при меньшей температуре будет происходить его растрескивание под действие тепловых напряжений, а сверху — температурой рекристаллизации Trec = 1300 С [73]. При расчетах с использованием прямоугольной формы теплового импульса начальная температура материала задавалась на уровне 20 С, что соответствует условиям эксперимента на КСПУ-Т. Результаты расчетов представлены на рисунках 24 и 25, зависимости максимальной температуры на поверхности от плотности энергии, приходящей на поверхность вольфрама для тепловых импульсов типа 1 и 2 были получены ранее в работе [34].
Распределения тепловой нагрузки и массы осажденных продуктов эрозии
Несмотря на то, что при дополнительном расчете значение теплопроводности графита было уменьшено более чем в 3 раза, изменения зависимости скорости испарения графита от времени оказались незначительными. Данный факт связан с тем, что расчет проводился таким образом, чтобы обеспечить соответствие между измеренным и расчетным профилем поверхности после многократного плазменного облучения. Профиль поверхности в настоящих экспериментах измерялся с применением механического профилометра. Измеренные исходный профиль поверхности и профиль кратера эрозии после многократного плазменного облучения, а также расчетные профили поверхности при различных распределениях тепловой нагрузки на поверхности графита представлены на рисунке 47. Методика измерения распределенной по поверхности материала тепловой нагрузки многоканальным термопарным калориметром была описана ранее, например, в работе [76].
Измеренные исходный, после многократного плазменного облучения и расчетные профили поверхности (а) при соответствующих распределениях тепловой нагрузки (б) на поверхности графита Как следует из данных рисунка 47, измеренный профиль кратера эрозии (зеленая линия на рисунке 47 а) сильно не совпадает с расчетным (голубая линия на рисунке 47 а) в случае использования распределения тепловой нагрузки, полученного с ниобиевого калориметра (голубая линия на рисунке 47 6). Совпадение между измеренным и расчетным профилями поверхности (рисунок 47 а) может быть получено только в том случае, если использовать в расчетах другие распределения тепловой нагрузки, представленные на рисунке 47 6: фиолетовая и красная линии для исходного и уменьшенного в 3 раза значений теплопроводности графита соответственно. Данный факт означает, что при прочих равных условиях, распределение тепловой нагрузки на поверхности зависит от материала облучаемой мишени. Этот эффект может быть объяснен влиянием испаренного вещества на распределение тепловой нагрузки по поверхности, что, по сути, представляет собой случай слабого эффекта экранировки, исследованного в работе [68] на импульсных плазменных ускорителях. В условиях плазменного облучения на КСПУ-Т эффект экранировки выражен не так явно: эрозия графита уменьшается примерно в 2 раза в сравнении с расчетным значением. В случае же вольфрама дополнительный расчет проводился без сопоставления измеренного и расчетного профилей поверхности, поскольку для вольфрама эрозия, обусловленная испарением, на порядок меньше, чем вызванная перемещением материала по поверхности и выбросом капель, и не может быть определена из измерений профиля [76]. В расчетах использовалось значение теплопроводности вольфрама, уменьшенное в 2 раза по сравнению с исходным. При этом наблюдается совпадение только переднего фронта скорости осаждения и испарения, задний фронт осаждения сильно не совпадает с расчетным фронтом испарения. По-видимому, несовпадение задних фронтов вызвано тем, что для вольфрама характерно интенсивное течение расплавленного слоя, при котором может происходить его отрыв от поверхности и образование капель. Вследствие чего, теряется тепловой контакт между поверхностью материала и расплавленным слоем, а это приводит к увеличению испарения материала и, следовательно, его осаждению. Как было показано в [76], выброс капель с поверхности вольфрамовой мишени наблюдается как во время разряда, так и в течение 1,5 мс после его окончания. Следовательно, и осаждение испаренного материала может происходить в течение более длительного промежутка времени, по сравнению с расчетным.
Исходя из сопоставления экспериментально определенной динамики осаждения и проведенных расчетов динамики испарения для графита и вольфрама со скорректированными значениями теплопроводности, были определены значения тепловых нагрузок, при которых начинается интенсивное испарение материалов: 0,7 МДж/м для графита и 1,6 МДж/м для вольфрама (длительность импульса 0,5 мс). Хотя без учета деградации теплопроводности, по расчетным данным, испарение должно было бы происходить при тепловой нагрузке более 1,1 МДж/м2 для графита и более 1,9 МДж/м2 для вольфрама (длительность импульса 0,5 мс), что соответствует значению фактора W-\t 49,2 МВт-с 5/м2 для графита и 85 МВт-с 5/м2 для вольфрама.
Необходимо отметить, что экспериментально определенные в настоящей работе значения тепловых нагрузок, при которых начинается интенсивное испарение графита и вольфрама, согласуются с соответствующими значениями для случая коротких плазменных импульсов (таблица 6). Так, в работах [80,81] были экспериментально определены тепловые нагрузки, при которых начинается интенсивное испарение графита: 0,2 МДж/м , и вольфрама: 0,5 МДж/м (длительность импульса в обоих случаях 0,05 мс). При пересчете на большую длительность импульса, характерную для КСПУ-Т, интенсивное испарение должно начинаться при 0,6 МДж/м для графита и при 1,6 МДж/м для вольфрама (длительность импульса 0,5 мс).
Расчет кинетики выхода захваченного дейтерия при воздействии теплового импульса
Коллекторы во время их облучения излучением размещались в верхней части камеры ускорителя (рисунок 62) в специальных кассетах, конструкция которых была подробно описана в главе 3. В эксперименте кассеты были обращены областью с осажденной пленкой к источнику излучения, при этом половина этой области была закрыта от воздействия излучения специальным экраном. Типичный внешний вид коллекторов, закрепленных в кассетах, до (без экрана) и после (со специальным экраном) облучения представлен на рисунке 64. Использование экрана позволяло, впоследствии, проводить сопоставление характеристик осажденных продуктов эрозии до и после их облучения излучением. После облучения оба участка обследовались с применением различных методов микроанализа. В результате обследования образцов после их облучения излучением было установлено, что на участках закрытых от воздействия излучения экраном, отсутствуют какие-либо изменения толщины, состава и структуры осажденной пленки. На этих участках пленка остается идентичной той, которая имелась перед облучением. На участках, испытавших воздействие излучения, наблюдаются изменения толщины, состава и структуры пленки, в зависимости от параметров излучения.
Для многократного облучения излучением использовалось два набора коллекторов с осажденными С—D- и С—W—D-пленками. Данные пленки были получены после 25-35 плазменных воздействий КСПУ-Т длительностью 0,5 мс с тепловой нагрузкой 2,6 МДж/м на оси потока плазмы (в центре мишени) по графитовой и вольфрамовой мишеням соответственно (температура коллектора находилась на уровне 300 К). При этом толщины осажденных С—D- и С—W—D-пленок лежали в диапазоне 0,75 - 1 мкм и 0,15 - 0,25 мкм соответственно. Таким образом, исследовалось изменение свойств С—D- и С—W—D-пленок, образовавшихся за одинаковое количество импульсов КСПУ-Т, под действием излучения.
При облучении изменялись как значение плотности энергии излучения (за счет изменения энергосодержания плазменного потока), так и количество импульсов излучения. Типичные фотографии облученных С—D- и С—W—D-пленок представлены на рисунке 65. коллектор с облученной С—D-пленкой, q = 0,05 МДж/м ; б — коллектор с облученной С—W—D-пленкой, qhv= 0,1 МДж/м Рисунок 65 - Типичные фотографии коллекторов до (левая половина коллектора) и после (правая половина коллектора) облучения излучением Из представленных фотографий видно, что в результате облучения продуктов эрозии излучением наблюдается изменение оптических характеристик, проявляющиеся в изменение ее цвета и отражательной способности. На рисунке 66 представлены снимки поверхности исходных и облученных излучением пленок, полученные с применением электронного микроскопа (снимки во вторичных электронах соответствуют центральным областям необлученных и облученных участков). Анализ данных снимков указывает на то, что снижение коэффициента отражения облученных С—D-пленок, возможно, происходит вследствие развития поверхности. С другой стороны, для С—D-пленок снижение коэффициента отражения может свидетельствовать о снижении содержания в них изотопов водорода [92]. Кроме того, при облучении излучением с плотностью энергии менее 0,1 МДж/м , толщина С—D-пленок сокращается со скоростью до 0,02 мкм за импульс, т.е. после воздействия 25 импульсов излучения относительное изменение толщины составило не более 15 %. Однако после воздействия 25 импульсов с плотностью энергии излучения более 0,2 МДж/м в результате визуального обследования облученных образцов с использованием оптического микроскопа было установлено, что происходит практически полное удаление С—D-пленки, даже при толщине до 1 мкм.
Снимки поверхности коллекторов с С—D- и С—W—D-пленками после воздействия 25 и 2 импульсов излучения соответственно В случае С—W—D-пленок уменьшение коэффициента отражения, возможно, происходит в результате формирования многочисленных пор на 128 облученной поверхности. После облучения излучением с тепловой нагрузкой 0,1 МДж/м на поверхности пленки наблюдаются отдельные поры, размер основной массы которых лежит в диапазоне от 2 до 50 мкм. В результате, при указанной тепловой нагрузке площадь поверхности занятая пленкой в отдельных случаях снижается более чем на 10%. С ростом плотности энергии излучения наблюдается рост пор в размерах и их перекрытие, при котором происходит значительное уменьшение занятой пленкой площади. Так уже при тепловой нагрузке 0,15 МДж/м площадь пленки занимает не более 40% той площади, которая была покрыта пленкой до облучения, и не более 5% — при тепловой нагрузке 0,3 МДж/м . Тот факт, что при образовании пор в пленки вскрывается поверхность коллектора, подтверждается концентрационными кривыми (рисунок 67). Концентрационные кривые, представленные на рисунке 67 б, были получены в результате рентгеноспектрального анализа вдоль направления, показанного на рисунке 67 а. Остаточное содержание вольфрама на поверхности коллектора уменьшается с ростом интенсивности излучения. Так при плотности энергии 0,1 МДж/м концентрация вольфрама на поверхности коллектора в результате облучения практически не изменяется, при 0,15 МДж/м2 — составляет 50% от исходной, а после 0,3 МДж/м2 снижается до 7,5%. Таким образом, данные оптической микроскопии и рентгеноспектрального свидетельствуют, что увеличение отражательной способности поверхности коллектора с осажденной пленкой, облученного при тепловой нагрузке 0,3 МДж/м , связано со значительным изменением содержания продуктов эрозии вольфрама.
