Введение к работе
Перспективы развития плазменных технологий и создание крупномасштабных термоядерных установок требуют разработки физических моделей, адекватно описывающих взаимодействие мощных потоков плазмы с конструкционными материалами. Для построения таких моделей требуется изучение не только конечных результатов взаимодействия но, главным образом, физических процессов, имеющих место быть при облучении материалов плазмой. Основная сложность заключается в необходимости учета одновременного действия большого количества взаимозависимых процессов.
Физические процессы, развивающиеся при облучении материалов плазмой, настолько многообразны и так чувствительны к изменению условий облучения, что они не могут быть описаны в рамках одной модели и, соответственно, не имеет смысла говорить о разработке всеобъемлющей модели взаимодействия. Задача состоит в изучении физической картины взаимодействия для определенного диапазона параметров, представляющих наибольший практический интерес.
Одним из наиболее важных параметров является поток энергии w, поступающий на поверхность материала. Для любого материала существует предельный поток wmax, который может отводиться от облучаемой поверхности вглубь материала за счет теплопроводности:
(1)
где k- коэффициент теплопроводности, c - удельная теплоемкость, r - массовая плотность, Tmax - максимально возможная температура поверхности материала (это может быть температура кипения или сублимации), t - момент времени от начала воздействия на материал. Например, при t = 1 мкс для вольфрама wmax = 10 МВт/cм2, меди wmax = 5 МВт/cм2, графита wmax = 2 МВт/cм2, стали wmax = 1,5 МВт/cм2.
В настоящей работе исследовались такие режимы взаимодействия плазмы с материалами, когда w > wmax. В этом случае падающий на поверхность поток энергии не может полностью отводиться вглубь материала; в результате, поверхностный слой материала испаряется, ионизуется, и образуется плотный слой мишенной плазмы, экранирующий поверхность от прямого воздействия высокоэнергетичной плазмы. После формирования экранирующего слоя тепловое воздействие плазмы на мишень определяется процессами передачи энергии в слое. При этом часть энергии вообще не доходит до поверхности материала и рассеивается в виде излучения мишенной плазмы. В результате, тепловая нагрузка на мишень может существенно снижаться. Эффект экранировки наблюдался во многих плазменных экспериментах, однако до начала исследований, выполненных в данной работе, эффект практически не изучался и надёжных сведений о свойствах экранирующего слоя и процессах вблизи облучаемой поверхности не существовало.
Экранирующий слой оказывает определяющее влияние на взаимодействие мощных потоков плазмы с твердотельными мишенями. Поэтому изучение физической картины взаимодействия плазмы с материалом при w > wmax - это не только исследование процессов, происходящих на поверхности и внутри облучаемого материала, но, прежде всего, это изучение процессов, развивающихся в экранирующем слое перед поверхностью материала.
Актуальность исследований обусловлены рядом причин:
Для обоснованного выбора материалов и конструкции первой стенки экспериментального термоядерного реактора ИТЭР необходимы достоверные сведения о том, что будет происходить с материалами первой стенки при срывах тока, сопровождающихся выбросом высокоэнергетичной плазмы на стенки камеры, когда тепловые потоки достигают уровня w = 1 - 100 МВт/см2 [1,2]. Исследования, выполненные в рамках данной работы, были нацелены в первую очередь на решение этой задачи.
Исследование механизмов и эффективности передачи энергии из плазмы на поверхность материала, а также изучение процессов, развивающихся в поверхностном слое облучаемого материала, необходимы для разработки физических основ плазменных технологий, в которых мощные потоки плазмы применяются для упрочнения поверхности конструкционных материалов.
В ходе исследований было обнаружено, что облако мишенной плазмы, которое образуется при облучении материалов интенсивными плазменными потоками, эффективно преобразует энергию плазменного потока в коротковолновое излучение. Обнаруженный эффект открывает новые возможности в создании мощных источников коротковолнового излучения на основе взаимодействия плазменных потоков с материалами.
Цель данной работы состояла в проведении комплексных исследований взаимодействия импульсных потоков высокотемпературной водородной плазмы с конструкционными материалами при интенсивностях плазменных потоков 1 - 100 МВт/см2.
Основные задачи, решаемые в рамках указанной цели.
Создание необходимой экспериментальной базы и получение потоков плазмы с параметрами, характерными для срывов тока в ИТЭР.
Создание диагностического комплекса для изучения свойств экранирующего слоя (плотность плазмы, температура, химический состав, ионизационное состояние, радиационные потери и т.д.) и анализа результатов плазменного воздействия на облучаемые материалы (механизмы эрозии, продукты эрозии, суммарная эрозия).
Исследование основных физических процессов, имеющих место при взаимодействии мощных потоков плазмы с материалами.
Получение ключевых экспериментальных данных для разработки и совершенствования расчетно-теоретических моделей взаимодействия.
Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что
впервые подробно исследованы не только конечные результаты воздействия мощного потока плазмы на материал (эрозия, продукты эрозии и т.п.), но также и сам процесс взаимодействия при интенсивности плазменных потоков 1 - 100 МВт/см2;
впервые проведены исследования полного баланса энергии и показано, что из-за эффекта экранировки до поверхности мишени доходит лишь незначительная доля энергии потока, а основная часть энергии рассеивается в виде излучения мишенной плазмы;
впервые, с использованием надежных средств диагностики, проведены измерения основных параметров мишенной плазмы, образующейся при взаимодействии мощного потока высокотемпературной плазмы с твердотельными материалами. В частности, экспериментально доказано, что при сравнительно небольшой интенсивности плазменного потока w = 10 МВт/см2 мишенная плазма может быть нагрета до температуры Т = 40 – 70 эВ, причем, высокая температура плазмы сохраняется даже на расстояниях меньше 1 см от поверхности мишени;
впервые детально исследованы излучательные характеристики образующейся мишенной плазмы и показано, что мишенная плазма излучает преимущественно в интервале длин волн l = 30 - 300 и, таким образом, экранирующий слой является источником мощного коротковолнолнового излучения.
Научная и практическая ценность работы.
Представленные в диссертационной работе исследования были организованы в рамках официальной задачи ИТЭР «Срывная эрозия» (”Disruption erosion”) и были нацелены, прежде всего, на решение этой конкретной задачи. Однако ценность полученных результатов не ограничивается только лишь рамками этой задачи.
Полученные в диссертационной работе экспериментальные данные были использованы для разработки и совершенствования расчётных кодов FOREV-1D [3], FOREV-2D [4], MEMOS [5], PEGASUS-3D [6] и A*THERMAL-S [7], применяемых для моделирования процессов в диверторе токамака-реактора при срывах тока и экстраполяции результатов экспериментальных исследований на условия ИТЭР.
В результате проведенных исследований было показано, что из-за эффекта экранировки испарение материалов не представляет серьезной угрозы с точки зрения эрозии и разрушения облучаемых плазмой элементов дивертора. Реальную угрозу представляют макроскопические механизмы эрозии, именно эти механизмы будут определять время жизни элементов дивертора, а также количество материальной пыли, накапливающейся в вакуумной камере ИТЭР.
Стало понятно, что при выборе материала диверторных пластин необходимо принимать во внимание специфические особенности экранирующего слоя конкретного материала. При использовании тяжелых материалов (вольфрам) элементы дивертора, попадающие под действие интенсивного излучения мишенной плазмы, также нужно изготавливать из материалов, способных выдерживать высокие тепловые нагрузки. В случае легких материалов (графит) нужно учитывать, что быстро расширяющаяся мишенная плазма может попадать в основную камеру, что приведет к постепенному запылению внутренней поверхности камеры материалом пластин.
Экспериментально обнаруженные особенности в эрозии углеграфитовых композитов, а именно тот факт, что большая скорость эрозии вспомогательных PAN волокон определяет эрозию всего материала в целом, позволили сформулировать практические предложения по улучшению свойств С-С композита за счет изменения ориентации PAN волокон.
Обнаруженная в ходе исследований возможность нагрева экранирующего слоя мишенной плазмы до сравнительно большой температуры и высокая эффективность преобразования энергии плазменного потока в излучение открывают новые возможности в создании мощных источников коротковолнового излучения на основе взаимодействия плазменных потоков с материалами. При этом, меняя материал мишени, можно управлять спектром излучения и его пространственным профилем.
Возможность прямых измерений температуры, плотности и одновременно с этим спектра излучения плазмы любого твердотельного материала представляет самостоятельный научный интерес, так как эти данные могут быть использованы (и уже используются) для разработки и уточнения соответствующих моделей излучения.
Сведения о механизмах и эффективности передачи энергии из плазмы на поверхность материала, а также основных процессах, развивающихся в поверхностном слое облучаемого материала, представляют несомненную ценность для создания физической основы плазменных технологий, в которых мощные потоки плазмы применяются для обработки поверхности конструкционных материалов.
На защиту выносится
-
Создание плазменной установки MK-200UG и получение потоков высокотемпературной замагниченной водородной плазмы с направленной энергией ионов Ei = 2-3 кэВ, температурой T 1 кэВ, средней плотностью энергии q = 1,5 кДж/см2, интенсивностью до w = 50 - 100 МВт/см2 и полным энергосодержанием до Q = 50 кДж в магнитном поле В = 2 – 3 Т для экспериментального моделирования плазменных нагрузок в диверторе ИТЭР при срывах тока.
-
Создание диагностического комплекса для изучения основных характеристик экранирующего слоя плазмы (плотность, температура, химический состав, ионизационное состояние, радиационные потери и т.д.), а также результатов воздействия плазменного потока на облучаемые материалы (механизмы эрозии, продукты эрозии, суммарная эрозия).
-
Результаты исследования эффекта экранировки и вывод о том, что при взаимодействии мощного потока плазмы с твердотельной мишенью в условиях, когда поступающий на поверхность поток энергии не может полностью отводиться вглубь облучаемого материала за счет теплопроводности, эффект экранировки играет принципиальную роль и в значительной степени определяет как динамику процесса взаимодействия, так и его конечные результаты. В частности, из-за эффекта экранировки существенно уменьшается эрозия материала.
-
Экспериментальные данные о формировании экранирующего слоя, свидетельствующие о том, что воздействие мощного потока плазмы приводит к быстрому испарению и ионизации тонкого слоя материала мишени. В результате, образуется облако плотной (n > 1017 см-3) мишенной плазмы, которое экранирует поверхность от прямого воздействия плазменного потока: поток тормозится в мишенной плазме и не доходит до поверхности. При интенсивности плазменного потока w 10 МВт/см2 экранирующий слой формируется за 1-2 мкс, т.е. за сравнительно короткий промежуток времени, после чего устанавливается квазистационарная стадия взаимодействия, когда тепловое воздействие на материал определяется процессами передачи энергии в экранирующем слое.
-
Создание экспериментальной базы данных для разработки и проверки расчетно-теоретических моделей взаимодействия мощных потоков плазмы с конструкционными материалами. Результаты измерений плотности, температуры, ионизационного состояния, а также их пространственного распределения и временной эволюции для ряда материалов, в том числе, для углеграфитов и вольфрама, которые считаются основными теплозащитными материалами для дивертора ИТЭР. Экспериментальное доказательство возможности нагрева мишенной плазмы до температуры Те = 40 – 70 эВ при интенсивности плазменного потока w = 10 МВт/см2.
-
Анализ механизмов переноса энергии в экранирующем слое и вывод о том, что для материалов с высоким Z (медь, сталь, молибден, вольфрам) энергия доставляется на поверхность, в основном, за счет излучения, а для материалов с малым Z (графит, C-C композит, оргстекло, нитрид бора) существенную роль играет продольная электронная теплопроводность.
-
Экспериментальные данные о влиянии магнитного поля на движение мишенной плазмы и эффективность экранировки поверхности:
- при нормальном падении плазменного потока на мишень магнитное поле (перпендикулярное поверхности мишени) ограничивает расширение экранирующего слоя поперек силовых линий. В результате устанавливается практически одномерное течение эрозионной плазмы вдоль силовых линий магнитного поля навстречу потоку. Вся масса испаренного вещества участвует в экранировке поверхности и, таким образом, достигается максимальная эффективность экранировки;
- при наклонном падении потока на поверхность, часть мишенной плазмы сносится по наклонной поверхности вниз по потоку, что может приводить к потере испаренного вещества и снижению экранировки.
-
Результаты исследования баланса энергии и вывод об определяющей роли радиационных потерь: энергия плазменного потока поглощается экранирующим слоем, и основная её часть трансформируется в излучение мишенной плазмы, причем, доля энергии, рассеиваемой в виде излучения, растет с ростом интенсивности плазменного потока.
-
Экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что экранирующий слой эффективно защищает облучаемый материал от испарения. В условиях проведенных экспериментов на испарение расходовалось не более 1 - 2% энергии плазменного потока. Доля энергии, расходуемой на испарение материала, уменьшается с ростом интенсивности плазменного потока.
-
Анализ излучательных характеристик мишенной плазмы и вывод о том, что экранирующий слой трансформирует энергию плазменного потока преимущественно в коротковолновое излучение (l < 400 ) мишенной плазмы. Вывод о возможности создания мощных источников коротковолнового излучения на основе взаимодействия плазменного потока с твердотельной мишенью.
-
Результаты исследований эрозии материалов под действием излучения, выходящего из экранирующего слоя. Практические рекомендации относительно выбора материалов для дивертора ИТЭР.
-
Экспериментально обнаруженные различия в свойствах экранирующего слоя углеграфитовых и вольфрамовой мишеней и вывод о необходимости учета этих особенностей при выборе материала для диверторных пластин ИТЭР. При выборе вольфрама необходимо принять во внимание, что все элементы дивертора, попадающие под действие интенсивного излучения экранирующего слоя, нужно изготавливать из теплостойких материалов. При выборе углеграфитовых материалов следует учесть, что быстро расширяющаяся мишенная плазма может попадать в основную камеру, что приведет к постепенному запылению поверхности камеры углеродом.
-
Результаты исследования эрозии углеграфитовых материалов:
- графит и С-С композиты эродируют в виде пара и в виде твердых осколков, образующихся вследствие хрупкого разрушения материала;
- в случае хрупкого разрушения мелкозернистого графита образуются гранулы микронного размера. Эти гранулы полностью испаряются вблизи поверхности, что приводит к росту плотности мишенной плазмы и усилению эффекта экранировки;
- хрупкое разрушение углеграфитового композита происходит не только в виде мелких частиц, но и в виде крупных осколков размером 100 - 200 мкм. Из-за хрупкого разрушения поверхность С-С композита растрескивается. Трещины образуются на границах между продольными пучками волокон (PAN-волокна, ориентированные вдоль поверхности) и поперечными (pitch-волокна, перпендикулярные поверхности), т.е. в тех местах, где возникают максимальные термические напряжения;
- С-С композит имеет серьезный недостаток, заключающийся в том, что скорость его эрозии определяется эрозией вспомогательных PAN волокон, использующихся лишь для того, чтобы соединить друг с другом основные pitch-волокна, обладающие высокой теплопроводностью;
- эрозия С-С композита растет с количеством плазменных облучений и через 100-200 облучений сравнивается с эрозией обычного мелкозернистого графита. При плазменных нагрузках, характерных для срывов тока в ИТЭР, дорогостоящий С-С композит не имеет существенных преимуществ по сравнению с обычным графитом.
-
Результаты исследования механизмов эрозии металлических мишеней:
- при облучении металлической мишени мощным потоком плазмы образуется слой расплава, который под действием потока перемещается по поверхности мишени от центра к периферии. В результате, в центральной части мишени образуется кратер эрозии. Глубина кратера растет пропорционально количеству плазменных облучений;
- перемещение расплава по поверхности мишени является универсальным механизмом эрозии для любого металла и вносит основной вклад в результирующую эрозию металлических мишеней;
- испарение, а также инжекция капель, обусловленная кипением расплава и развитием в нем гидродинамических неустойчивостей, оказывает незначительное влияние на результирующую эрозию металла, но определяет количество металлической пыли, накапливающейся в вакуумной камере.
Апробация работы. Результаты, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях:
Всесоюзная конференция по плазменным ускорителям и ионным инжекторам (Москва 1982, Днепропетровск 1986, Харьков 1989);
1-ый Всесоюзный Симпозиум по Радиационной Плазмодинамике (Джан-Туган 1989);
4-ая Всесоюзная конференция “Взаимодействие излучения, плазменных и ионных потоков с веществом“ (Фрунзе 1990);
Symposium on Fusion Technology (SOFT-17, Rome 1992; SOFT-18, Karlsruhe 1994; SOFT-19, Lisboa 1996; SOFT-20, Marseille 1998, SOFT-25, Rostock 2008);
2nd German-Russian Conference on Propulsion Engines and Their Technical Application (Moscow 1993);
21st International Conference on Phenomenon in Ionized Gases (Bochum 1993);
22nd IEEE International Plasma Science (Madison 1995);
European Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics (Dubrovnic 1988, Montpellier 1994, Bournemouth 1995, Prague 1998, Maastricht 1999, Warsaw 2007);
Международная Конференция “Взаимодействие инов с поверхностью“ (Москва 1995, 1997);
International Conference on Open Magnetic Systems for Plasma Confinement (OS-98, Novosibirsk 1998);
International Congress on Plasma Physics (Prague 1998);
5th International Symposium on Fusion Nuclear Technology (Rome 1999);
16-ая Международная Конференция “Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество“ (Нальчик 2001);
International Conference on Plasma-Surface Interaction in Controlled Fusion Devices (PSI-11, Mito 1994; PSI-12, Saint-Raphael 1996; PSI-13, San-Diego 1998; PSI-14, Rosenheim 2000, PSI-16, Portland 2004);
IAEA Conference on Fusion Energy (Vilamura 2004, Chengdu 2006, Geneva 2008);
International Conference on Fusion Reactor Materials (ICFRM-6, Stresa 1993; ICFRM-7, Obninsk 1995; ICFRM-9, Colorado Springs 1999; ICFRM-10, Baden-Baden 2001; ICFRM-11, Kyoto 2003; ICFRM-13, Nice 2007);
ITER Workshop on Disruption Erosion (San Diego 1991; Karlsruhe 1994; Obninsk 1995; St.-Petersburg 1997, 2001; Troitsk 1996, 1998, 2000; 2002, 2003, 2004);
International Conference and School on Plasma Physics and Controlled Fusion (Alushta, 1998, 2000, 2002, 2004, 2006, 2008, 2010);
International Workshop on Plasma-Facing Materials and Components for Fusion Applications (Julich 2003, Greifswald 2006, Julich 2009);
Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС (Звенигород 1993-2012);
Публикации. По теме диссертации опубликовано более 80 научных работ, из них 33 статьи опубликованы в рецензируемых журналах, входящих в список ВАК.
Личный вклад автора в научные исследования и получение представленных в работе результатов состоит в выработке программ исследований и постановке экспериментов, непосредственном участии в создании установки МК-200 UG, организации и проведении экспериментов, а также в обсуждении результатов и анализе физических механизмов, характеризующих процессы, происходящие перед поверхностью, на поверхности и внутри облучаемого плазмой материала.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, включающего 243 названия, из которых 85 работ автора. Диссертация изложена на 245 страницах машинописного текста, содержит 94 рисунка и 5 таблиц.
