Экспериментальное моделирование взаимодействия плазмы изотопов водорода с материалами стенки термоядерного реактора

• Автор: Елистратов, Николай Геннадьевич
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 194 с. : ил.

1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВОДОРОДНОЙ ПЛАЗМЫ ТЕРМОЯДЕРНОГО РЕАКТОРА СО СТЕНКОЙ И ЕГО

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

1.1. Основные воздействия на элементы конструкции, обращенные

к плазме, в реакторе ИТЭР

1.2. Теплофизические процессы взаимодействия плазмы со стенкой

и их влияние на работоспособность термоядерного реактора

1.3. Кандидатные материалы компонентов, обращенных к плазме

1.4. Устройства для моделирования взаимодействия водородной плазмы

с материалами стенки термоядерного реактора

1.5. Накопление изотопов водорода в бериллии и вольфраме

1.6. Постановка задачи

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТЕНДЫ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПЛАЗМЫ ИЗОТОПОВ ВОДОРОДА С МАТЕРИАЛАМИ СТЕНКИ ТЕРМОЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
2.1. Требования к параметрам стендов
2.2. Экспериментальный стенд “МАУГЛИ”
2.3. Экспериментальный стенд “МАТРАС” для исследования взаимодействия плазмы с бериллием
2.4. Магнетронные распылительные системы для моделирующих стендов
2.5. Измерение и регистрация рабочих параметров
3. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАЗРЯДОВ В МОДЕЛИРУЮЩИХ МАГНЕТРОННЫХ РАСПЫЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ
3.1. Вольт-амперные характеристики
3.2. Потоки ионов в моделирующих магнетронах
3.3. Энергетические спектры ионов, бомбардирующих катод-мишень магнетрона

4. ДИНАМИКА РАСПЫЛЕННЫХ АТОМОВ В СРЕДЕ ИЗОТОПОВ ВОДОРОДА
И ОБОСНОВАНИЕ УСЛОВИЙ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
4Л. Режимы распространения распыленных атомов в газовой среде
и их моделирование
4.2. Численное моделирование торможения распыленных частиц
методом Монте-Карло
4.3. Пробеги распыленных частиц в модели непрерывного торможения
вдоль прямолинейных траекторий
4.4. Расчет функции виртуального источника для планарного

магнетрона
4.5. Диффузия термализованных атомов и выбор диапазона рабочих давлений
4.6. Расчет потоков нетермализованных распыленных частиц
5. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВОДОРОДНОЙ ПЛАЗМЫ С БЕРИЛЛИЕВЫМИ И ВОЛЬФРАМОВЫМИ КОМПОНЕНТАМИ
5.1. Моделирование взаимодействия плазмы водорода
с бериллиевыми мишенями
^ 5.2. Исследование взаимодействия дейтериевой плазмы
с бериллиевыми компонентами
5.3. Экспериментальное моделирование взаимодействия плазмы дейтерия с вольфрамовыми и составными бериллий - вольфрамовыми мишенями
5.4. Соосаждение и анализ вольфрам-углеродных пленок
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

* Процессы, происходящие при взаимодействии плазмы термоядерного реактора (ТЯР) с обращенными к ней элементами конструкции, стали рассматриваться как одни из ключевых уже в самом начале работ по управляемому термоядерному синтезу (УТС). Это было связано, в первую очередь, с малым временем удержания энергии в водородной плазме из-за неконтролируемого содержания примесей, поступавших со стенок. Первый значительный успех в УТС, достигнутый на токамаке Т-3 (Г/ ~ 1 кэВ, п ~ 3 1019 м'3) в СССР, был обязан как прогрессу в удержании плазмы, так и специальным мероприятиям по подготовке поверхностей компонентов,
* обращенных к плазме (КОП). Дальнейшее приближение к термоядерным параметрам
потребовало уменьшения эффективного заряда ядер в плазме (Z3фф), поэтому для установок следующих поколений были разработаны устройства очистки плазмы от примесей, а для изготовления КОП стали применяться материалы, состоящие из элементов с низким Z. В крупных современных исследовательских токамаках, как JET (ЕС), TFTR (США), JT-60 (Япония), обращенные к плазме элементы изготовлены из углеродных материалов - специальных графитов и углерод-углеродных композиционных материалов (УУКМ). Все это, наряду с развитием средств дополнительного нагрева плазмы, позволило вплотную приблизиться к созданию
^ демонстрационного термоядерного реактора с положительным энергетическим
балансом.
Несмотря на достоинства КОП из углеродных материалов, например, стойкость к высоким тепловым нагрузкам, они обладают рядом существенных недостатков. Основными являются химическая эрозия при взаимодействии с водородной плазмой, быстрая деградация теплопроводности при облучении нейтронами, высокое накопление изотопов водорода в зоне прямого взаимодействия с плазмой и в пленках, осаждающихся в теневых участках. Влияние этих факторов на работоспособность
* реактора столь велико, что для изготовления первой стенки стали рассматриваться альтернативные материалы с малым Z - литий, бериллий, бор, а для элементов КОП,
пленках, а также для изучения эрозии материалов КОП. Использование данного магнетрона позволило получать толстые переосажденые слои (до нескольких мкм) даже при малых коэффициентах распыления ионами водорода, а конструкция его катодного узла обеспечила возможность работы с мишенями, состоящими из элементов, изготовленных как из одинаковых, так и из разных материалов.
В главе обсуждаются особенности экспериментальных установок для моделирования взаимодействия водородной плазмы с КОП. Отдельно рассмотрено оснащение каждого из стендов. Представлены схемы и обоснован выбор конструкций моделирующих MPC. В заключительном разделе рассмотрена система измерения и регистрации рабочих параметров, использовавшаяся при проведении экспериментов.
2.1. Требования к параметрам стендов
Оснащение экспериментальных стендов “МАУГЛИ” и “МАТРАС” определялось диапазонами рабочих параметров MPC (тока и напряжения разряда, давления рабочего газа, конфигурацией и индукции магнитного поля), особенностями работы магнетрона в водородной среде и свойствами исследуемых материалов. При определении диапазонов рабочих параметров принималась во внимание необходимость проведения моделирующих экспериментов в среде изотопов водорода, изучения рабочих характеристик моделирующих MPC, а также постановки экспериментов по напылению отражающих покрытий из бериллия для элементов диагностики реактора ИТЭР [71].
Исходя из этого, основным требованием к вакуумным системам и к системам газонапуска стендов является обеспечение рабочего давления в диапазоне от 10 Па, необходимого в экспериментах по получению переосажденных пленок, до < 0,1 Па в технологии напыления бериллиевых покрытий. Использование паромасляных вакуумных агрегатов, производительность которых при р > 1 Па нестабильна, дополнительно потребовало создания систем автоматического регулирования, поддерживающих необходимый уровень давления.