Введение к работе
Актуальность работы
Изучение взаимодействия изотопов водорода с углеродными материалами применительно к термоядерным исследованиям ведется довольно давно. Долгое время углеродные материалы рассматривались в качестве наилучшего материала для первой стенки будущего реактора благодаря своим преимуществам: низкий зарядовый номер, низкое давление насыщенных паров, хорошие тепловые характеристики (теплопроводность, температура плавления) и низкая стоимость. Впоследствии выяснилось, что эти материалы имеют недостатки, которые ставят под вопрос их использование для первой стенки ТЯР: высокий коэффициент химического распыления водородом, высокая скорость радиационно-стимулированной сублимации, неконтролируемое появление потоков углерода в центральную плазму из локализованных горячих точек на поверхности, деградация теплопроводности под действием нейтронов и высокий коэффициент захвата изотопов водорода. Вследствие химической природы связи захваченного водорода с углеродными атомами, концентрация его может достигать очень больших величин -Н/С около 0.4. При эрозии материала образуются летучие соединения (углеводороды), которые осаждаются из плазмы обратно на поверхности, обращенные к плазме, образуя пленки. В этих пленках также может накапливаться большое количество трития. Накопление трития в углеродных материалах представляет опасность. Поэтому в принятых сейчас конструктивных решениях ИТЭР углеродные материалы в значительной степени заменены на бериллий и вольфрам. Несмотря на снижение доли углеродных материалов в последних вариантах ИТЭР, интерес к ним для будущих проектов не угас. Поэтому, вопросы накопления трития в углеродных материалах и углеродных пленках остаются актуальными с точки зрения радиационной безопасности реактора.
Изучению взаимодействия изотопов водорода с углеродными материалами посвящено большое количество работ. В том числе, много работ посвящено исследованию накопления и термодесорбции изотопов водорода при облучении ионами и плазмой. Однако, анализ показывает, что результаты, полученные в разных группах часто отличаются друг от друга не только количественно, но и качественно, а разброс данных, полученных в рамках одной серии экспериментов часто очень велик. Возможных причин такого расхождения много, но работ, посвященных сравнительному анализу разных факторов, мало. Поэтому исследования, посвященные сравнительному анализу экспериментов, выполненных в разных условиях, весьма актуальны.
Цель работы:
1. Создание сверхвысоковакуумного термодесорбциоиного стенда для изучения захвата и газовыделения изотопов водорода из различных материалов.
Проведение сравнительного анализа особенностей захвата дейтерия в углеродные материалы и газовыделения из них в экспериментах по облучению высокоэнергетичным ионным пучком, ионами плазмы и при насыщении из газовой фазы.
Проведение сравнительного анализа захвата в компактные углеродные материалы и осажденные аморфные углеводородные пленки.
Проведение сравнительного анализа захвата и десорбции из графита и углеродного композита при плазменном облучении.
Проведение сравнительного анализа захвата дейтерия в углеродные материалы при их облучении плазмой на установках различного типа.
Исследование механизмов захвата дейтерия в графит при высоких дозах и высоких температурах при облучении потоком ионов плазмы с высокой плотностью и низкой энергией.
Исследование модификации поверхности углеродных материалов после облучения плазмой на разных плазменных установках.
На защиту выносятся следующие результаты, содержащие научную новизну:
Термодесорбционный стенд с уникальными характеристиками: сверхвысокий вакуум, быстрая замена образцов с использованием шлюзовой системы без потери сверхвысокого вакуума, отсутствие роста фоновых сигналов измеряемых газов при термодесорбции, что значительно повышает чувствительность, разрешение и надежность измерений.
Результаты впервые проведенного в одной серии экспериментов сравнительного анализа захвата и термодесорбции дейтерия в углеродные материалы при бомбардировке высокоэнергетичным ионным пучком, облучении ионами плазмы, насыщении из газовой фазы и при захвате в растущие углеводородные пленки, который свидетельствует о том, что термодесорбционные спектры после облучения в плазме имеют черты, характерные для спектров после ионной бомбардировки, насыщения из газа и аморфных углеводородных пленок.
Результаты сравнительного анализа захвата и термодесорбции из мелкозернистого графита и углеродного композита, облученных плазмой, в котором впервые показано, что спектры термодесорбции из этих материалов качественно похожи, несмотря на существенное различие структуры этих материалов, а отличается только количество захваченного дейтерия, которое больше у углеродного композита за счет большей площади поверхности, обращенной к плазме.
Результаты впервые проведенного в одной серии экспериментов сравнительного анализа захвата и термодесорбции дейтерия в углеродные материалы при их облучении плазмой на установках различного типа, в результате которого показано, что характеристики захвата и десорбции в разных экспериментах могут отличаться, несмотря на заявляемые близкие значения энергии ионов, дозы облучения и температуры мишеней, что может
быть связано с различиями свойств плазмы, которые обычно не контролируются в таких экспериментах.
Результаты исследования захвата дейтерия в графит при высоких дозах и высоких температурах при облучении потоком ионов плазмы с высокой плотностью и низкой энергией, в которых впервые показано, что дейтерий захватывается по всему объему материала на глубине до нескольких миллиметров в результате того, что в естественных порах на входной поверхности графита создается локальное высокое давление газа за счет ре-эмиссии большого потока ионов, что приводит к течению этого газа по системе соединенных пор к обратной стороне образца и термически активируемой абсорбции дейтерия в зернах по всей толщине образца.
Результаты анализа модификации поверхности углеродных материалов при их облучении в плазме в различных установках, в которых показано, что взаимодействие плазмы с поверхностью может приводить к неконтролируемому развитию рельефа поверхности в результате роста разнообразных трехмерных структур.
Научная и практическая значимость работы
Создан уникальный стенд для проведения термодесорбционных исследований, который используется для анализа захвата газов в различных конструкционных и функциональных материалах.
В результате сравнительного анализа термодесорбционных спектров, полученных после насыщения углеродных материалов в экспериментах с ионами, плазмой и газом, показано, что захват изотопов водорода из плазмы определяется не только ионами, но и тепловыми атомами, газом, а также осажденными и модифицированными пленками на поверхности. Это необходимо принимать во внимание при анализе накопления изотопов водорода в углеродных материалах, экспонируемых в плазменных установках. Это также свидетельствует, что анализ накопления трития в материалах ТЯР, сделанный на основании экспериментов по ионному облучению, не всегда применим к условиям пламенного облучения.
Проведены сравнительные измерения термодесорбционных спектров, полученных с одинаковыми образцами, облученными плазмой в различных установках в различных институтах в приблизительно одинаковых условиях (round robin experiments) и показано, что спектры могут сильно отличаться, хотя основные параметры облучения примерно одинаковы. Это может быть связано с тем, что такие параметры плазмы, как степень ионизации газа, массовый состав плазмы и энергетический спектр ионов обычно не контролируются в модельных установках Это может объяснять также наблюдаемое в литературе расхождение экспериментальных данных, полученных в разных научных группах, и большой разброс данных, который часто наблюдается даже в рамках одной серии экспериментов.
Эксперименты с различными углеродными материалами свидетельствуют, что не следует ожидать каких-либо принципиальных изменений в захвате при выборе в будущем каких-либо новых чисто углеродных материалов.
Показано, что накопление трития в объеме графитовых материалов может быть даже больше, чем накопление в зоне облучения, а развитие рельефа поверхности может существенно изменить параметры накопления и удержания при контакте материала с плазмой.
Полученные результаты должны приниматься во внимание при оценке накопления изотопов водорода в углеродных материалах в термоядерных установках.
Апробация работы
Всего по результатам работы опубликовано 12 работ, перечисленных в списке публикаций
Основные результаты диссертационной работы изложены в шести статьях в журналах из перечня ВАК.
Основные результаты диссертационной работы были представлены на шести международных конференциях: 17 международном вакуумном конгрессе (2007, Стокгольм, Швеция), на 3 международной конференции по взаимодействию изотопов водорода с конструкционными материалами (2007, Санкт-Петербург, Россия), на XVIII международной конференции по взаимодействию ионов с поверхностью (2007, Звенигород, Россия), на 18й международной конференции по взаимодействию плазмы с поверхностью (2008, Толедо, Испания), на 14й международной конференции по материалам для термоядерных реакторов (2009, Саппоро, Япония), на 19й международной конференции по взаимодействию плазмы с поверхностью (2010, Сан-Диего, США).
Личный вклад в опубликованных работах заключается в следующем: [6] -конструирование установки, проведение экспериментов; [3,5,7,12] - проведение экспериментов; [1,2,4,8-11] - проведение экспериментов и анализ экспериментальных данных.
Структура и объем диссертации
