Взаимодействие плазмы с поверхностью. Проблемы термоядерного реактора

Элементы токамака контактирующие с плазмой
Разрез камеры токамака ИТЭР (а) и
дивертор (б), расположенный в
нижней части камеры,
звездочки - места осаждения
продуктов эрозии.
Максимальнгая эрозия
Максимальное осаждение
Схема дивертора JET

1. Проблема стойкости деталей реактора (первой стенки)
эрозия элементов камеры при больших удельных нагрузках
изменение поверхности, перепыление материала, образование сплавов, соединений с новыми свойствами
2. Проблема продуктов эрозии: пыль, плёнки
накопление трития в продуктах эрозии,
химическая активность наноструктур (разложение воды → водород → взрыв)
токсичность Be - конъюнктивиты, дерматиты и поражения легких,
радиологическая опасность - радиоактивная пыль
диагностические стёкла
3. Плазма и поверхности обращённые к ней – единая взаимосвязанная система
Самосогласованное описание плазмы со стенкой
Пыль в токамаке → переизлучение энергии, возмущение перефирийной плазмы
стабилизация инжекцией пыли, mitigation
4. Ввод топлива с помощью пылевых и кластерных струй.
Проблемы термоядерного реактора

Проблемы термоядерного реактора
Тритий в ИТЭРе
сгорает 0.5г Т за один разряд ИТЭРа (0.5%)
до 5г (5% - ) Т за разряд осаждается в
продуктах эрозии внутри вакуумной
камеры (1кг Т = $10 - $30 M)
придется извлекать Т 20 – 50 раз в год
Соосаждение с перепыленным материалом
DT experiments in JET
Retention by implantation
and co-deposition: ~30% retained
T.Loarer. 7th EU PWI TF.
Julich. 14-15 October 2008
Ttitium retention in ITER

Процессы эрозии – продукты эрозии
Физическое распыление (первой стенки)
поток атомов (~ 1-10 эВ),
Блистеринг (первая стенка)
крышки блистеров, 1-10 мкм
Химическое распыление (дивертор, CFC)
летучие углеводороды СНn.
Радиационно-ускоренная сублимация (дивертор, CFC)
поток атомов.
ELM-ы, срывы, дуги - тепловой удар (дивертор, W, CFC)
испарение, корпускулярная эрозия
(хрупкое разрушение, капельная эрозия)
В ПЛАЗМЕ –
диссоциация молекул, ионизация, испарение пылевых части
ПРОДУКТЫ ЭРОЗИИ
- атомы и ионы
- пылевые частицы
Строительный материал
для пыли и плёнок

ITER
ELM ~ 1 – 4 MJ/m2 in 0.5 ms
Disruption ~ 20 - 40 MJ/m2 in 1ms
Основной механизм эрозии – ELMы
A.Loarte. EU PWI TF. Madrid. October 2007
Экранирование поверхности
плазмой- паром
Расчёт (КИ + Ч-70 1996) +
МК-200 (Троицк)
W=10 MW/cm2
2*10-5 c
Ee = 1 keV
ne = 4*1015 cm-3
P = 10 атм
B= 2T

Известны основные закономерности
Конкретные условия взаимодействий –
новые вызовы
Совместное облучение разных материалов Предыстория взаимодействия
Синергизм разных факторов
Свойства модифицированных материалов
Процессы эрозии и модификации поверхности

Конкретные условия взаимодействий – новые вызовы
Эрозия при ELMах зависит от условий при нормальном режиме (Guseva, Khripunov, Martynenko, et al.JNM.1998)

Конкретные условия взаимодействий –
новые вызовы
Sputtering yields (Yw = 1.7⋅10-2 at/ion, Yc = 5⋅10-1 at/ion)
Yw = 2.2·10-3 at/ion, Yc < 6·10-3 at/ion – single targets
C chemical sputtering Yc < 10-1 at/ion
Redeposition of W on graphite ~0.17 at.% in spots ~ 2.5 at.%.
C redeposition on W in neighborhood to graphite ~ 60 at.%
with tungsten carbides WC and W2C phases.
Combined W+C target
D plasma
(N = ~1012 cm-3,
Te ~ 5 eV,
Ei = 500 eV,
Φi ~ 1021 ion/cm2

Конкретные условия взаимодействий – новые вызовы
W пух (fazz ). 1000K < T < 2000K
Не, E >20~30 eV
Bubble
Pinhole
Protrusions
Swelling
&Digging
Nano-
Structure
(Fuzz)
Малое распыление
, Излучение, ниже Т –
меньше эрозия при ELM
Дуги, образование пыли

Продукты эрозии
Плёнки
Пыль
Пленки вблизи лимитера Т-10
Пленка из Tore Supra
57 nm
JT-60
Т-10
25 нм
Пыль из JET
«Глобулярная»
Слоистая
«Столбчатая»
2 мкм
1 мкм
0.1 мкм
5 мкм

Глобулярные плёнки из разных установок
Углеводородная пленка с колоннообразной
формой, токамак JT-60U
1мкм
Tore Supra
NAGDIS-II
DIII-D
TEXTOR
50 мкм
5 мкм
20 мкм
2 мкм

“box counting method“:
число глобул - Ni
кластера с радиусом ri
Ni (r) ~ ri -D,
фрактальная размерность
-D = ∂ log Ni / ∂ log ri
Ni(ri)
Фрактальная размерность
глобулярных плёнок ≈ 2.2
Определение фрактальной размерности глобулярных плёнок
D=2.2 ± 0.2
Ni(ri)
ri [мкм]
Цель – определить удельную сорбционную поверхность
1.5 мкм

a0
rmax
Фрактальная структура состоит из элементарных частиц – кластеров размером a0. Количество кластеров NB = r D,
где D = 2.2 ÷ 2.3. Удельная поверхность SSA
a0
Плёнки с развитой поверхностью
a0
rmax
rmax
Если a0 ~ 15 нм, SSA ≈ 170 м2/г для углерода и
~ 16 м2/г для вольфрама
Оценка величины сорбционной поверхности фрактальных кластеров
SSA =
Плёнки из токамака Tore-Supra
BET метод (адсорбция метана при 77 0С)
SSA = 180 м2/г для углеводородной пленки
Водород хуже удерживается во
фрактальных, чем в гладких
пленках.
В твердых СНx пленках D/C = 0.2 - 0.4,
в мягких СНx пленках D/C = 0.5 - 0.9.
Соосаждение –
водород
равномерно
распределен
по глубине

нм
РД
на трубке
МУРР
ТДС
ЭПР
и на СИ
≈ 0.65 эВ/H
ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ
ТДС
≈ 1.25 эВ/H
EXAFS
карбид FeC
Eg ≈ 3 эВ
Eg ≈ 3 эВ
Размеры и свойства кластеров в гладкой плёнке из Т-10

Начальный этап - рост дендритов из одиночных подвижных атомов.
Образование на поверхности критических зародышей – центров роста дендридов –
флуктуационно и/или около примесей →
зависимость структуры от потока атомов и примесей, Т.
Модель образования фрактальной структуры
РАЗМЕР МИНИМАЛЬНОГО КЛАСТЕРА:
Диффузионное «разравнивание» слишком мелких объектов: a0 = 2σ Ω /T ~ 15 нм,
SSA(С) ≈ 170 м2/г. SSA(W) ≈ 16 м2/г
(σ - поверхностное натяжение, T –температура поверхности, Ω – атомный объем).
Когда поверхность заполнена – рост
фрактальной структуры за счет осаждения атомов.
(Диффузионно ограниченная агрегация – DLA)
Диффузия примесей к более горячим местам в результате
уменьшения энергии активации при термическом расширении решетки → рост развитых структур.

Продукты эрозии: плёнки
Известны разные типы плёнок СНx и W и общие их образования:
гладкие пленки - малые потоки оседающих частиц и низкие Т подножки,
плёнки с развитой поверхностью, фрактальные, – высокоэнергичные режимы (потоки, температура).
Требуются количественные данные условий образования типов пленок и возможного рециклинга.
2. Исследована структура гладких пленок СНx.
Необходимы такие же исследования и для других видов плёнок
3. Определена удельная поверхность некоторых фрактальных пленок .
Нужны более широкие исследования.
4. Измерены содержания водорода и ТДС некоторых видах.
Нужны более широкие исследования.
5. Теоретические оценки отрыва и фрагментации плёнок на куски ℓ ~ 10-2–1 см. Нужны экспериментальные работы

Нанопыль в токамаках
Пыль - мобилизуемая часть продуктов эрозии.
Пыль влияет на работу токамака:
охлаждает плазму, попадая в центральную часть;
инициирует малые вихри (blobs) в периферийной
плазме;
3) возможна стабилизация разряда инжекцией пыли.
Опасна при вскрытии камеры реактора –
летучесть, тритий, радиоактивность, токсичность (Ве).

Нанопыль в токамаке Т-10
2008 г. Программа - «Образование пыли в токамаке Т-10
и ее влияние на безопасность термоядерного реактора»
Пыль собранная на кварцевом фильтре в Т-10 и ее распределение по размерам
Пыль собранная в JT-60
Агломерация пыли. Стеклянный фильтр Т-10
0.1 мкм
0.1 мкм

600 kВт × 0.5сек = 2000 0C
(50 МВт/м2)
ИТЭР – подобные условия.
Пыль
Нанопыль в токамаке Т-10
Фильтр для сбора пыли, Т-10
25 нм
Пыль собранная на кварцевом фильтре Т-10
25 нм
Водорода в пыли мало

Новый подход к стабилизации плазмы при
инжекции пылевых частиц
Введение в плазму мелко-дисперсного (1 ÷ 100 мкм) порошка Al2O3 привело к увеличению времени жизни пинча Z-пинча более чем на порядок.
30 нс
Разряд в чистом неоне в установке «Плазменный фокус ПФ-3»
150 нс
Разряд в неоне с пылью
500 нс
950 нс
500 нс
650 нс
(V.E. Fortov, V.I. Kraus, V.P. Smirnov et al, 5th Int. Conf, on Z-pinches, Albuquerque, 2002)
Стабилизация плазмы пылью

плазма
HeNe
Пыль СxНy, d<5 мкм
видеокамера
ICCD
Эксперимент в Нагдис-II
Стабилизация плазмы пылью
При напуске пыли в Нагдис II (2008)
потоки плазмы из разряда
в среднем уменьшились на 20%,
но частота флуктуаций возросла.
Напуск N2 в ASDEX(2008) →
уменьшение амплитуды и
увеличение частоты ELM-ов.
излучение возросло только
в дивертере.

Inclusion of surface reactions in self-consistent global
model of impurity migration K. Krieger, Ch. Linsmeier, K. Schmid
Analytical model:
first wall: n tiles, different loads
background plasma (B2 + EIRENE …)
redistribution matrix (DIVIMP)
SDTrim sputter yields
parametrized surface materials evolution
Treat complex plasma-wall interactions and material evolution in a simplified way
Background
plasma
Reaction
zone
Bulk