Комплексные исследования физических процессов при взаимодействии мощных потоков плазмы с материалами термоядерных установок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

Комплексные исследования физических процессов при взаимодействии мощных потоков плазмы с материалами термоядерных установок

Специальность 01.04.08 -- «Физика плазмы»

доктора физико-математических наук

Сафронов Валерий Михайлович

Троицк - 2012

Работа выполнена в ФГУП «Государственный научный центр Российской Федерации Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований».

Официальные оппоненты:

Малюта Дмитрий Дмитриевич - доктор физико-математических наук, профессор, Государственный научный центр Российской Федерации Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований, директор отделения

Мартыненко Юрий Владимирович - доктор физико-математических наук, НИЦ «Курчатовский институт», главный научный сотрудник

Шарапов Валерий Михайлович - доктор физико-математических наук, ФГБУН Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН, ведущий научный сотрудник

Ведущая организация: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский ядерный университет «Московский инженерно-физический институт»

Защита состоится «____» _____________ 2012 г. в _____ час. _____ мин. на заседании диссертационного совета ДС 201.004.01 в Государственном научном центре Российской Федерации Троицком институте инновационных и термоядерных исследований (ГНЦ РФ ТРИНИТИ) по адресу: 142190, Московская область, г. Троицк, ул. Пушковых, владение 12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ ТРИНИТИ.

Автореферат разослан «____» _______________ 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат физико-математических наук А. А. Ежов

излучение экранирующий ионизационный плазма

Общая характеристика работы

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 w_max, который может отводиться от облучаемой поверхности вглубь материала за счет теплопроводности:

(1)

где k- коэффициент теплопроводности, c - удельная теплоемкость, ? - массовая плотность, T_max - 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 w_max = 10 МВт/cм², меди w_max = 5 МВт/cм², графита w_max = 2 МВт/cм², стали w_max = 1,5 МВт/cм².

В настоящей работе исследовались такие режимы взаимодействия плазмы с материалами, когда w > w_max. 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 > w_max - 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 ? = 30 - 300 Е 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

1. Создание плазменной установки MK-200UG и получение потоков высокотемпературной замагниченной водородной плазмы с направленной энергией ионов E_i = 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.

2. 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).

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. Анализ излучательных характеристик мишенной плазмы и вывод о том, что экранирующий слой трансформирует энергию плазменного потока преимущественно в коротковолновое излучение (? < 400 Е) мишенной плазмы. Вывод о возможности создания мощных источников коротковолнового излучения на основе взаимодействия плазменного потока с твердотельной мишенью.

11. Результаты исследований эрозии материалов под действием излучения, выходящего из экранирующего слоя. Практические рекомендации относительно выбора материалов для дивертора ИТЭР.

12. 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.

13. 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.

14. 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);

- 2^nd German-Russian Conference on Propulsion Engines and Their Technical Application (Moscow 1993);

- 21^st International Conference on Phenomenon in Ionized Gases (Bochum 1993);

- 22^nd 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);

- 5^th 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.

Содержание работы

Во Введении дана общая характеристика работы. Обоснована актуальность темы, сформулирована цель исследований, научная новизна, научная и практическая ценность. Представлены защищаемые положения. Дана информация об апробации работы, публикациях и структуре диссертации. Приведено краткое содержание диссертационной работы.

В первой главе обсуждаются задачи экспериментального моделирования взаимодействия плазмы с диверторными пластинами ИТЭР при срывах тока, а также методы, которые применялись в работе для решения поставленных задач.

Отмечается, что плазменные нагрузки, которые ожидаются в ИТЭР, в существующих токамаках не достигаются, поэтому для экспериментального моделирования условий срыва тока и испытания диверторных материалов необходимо применять другие установки, например, плазменные ускорители, которые способны обеспечить требуемые энергетические нагрузки [8, 9]. Поскольку результаты облучения материала зависят от характеристик бомбардирующего потока, в модельных экспериментах следует воспроизводить те параметры плазмы, которые будут достигаться при срывах тока в ИТЭР. Однако эти параметры известны с большой степенью неопределенности и нет смысла говорить о точном экспериментальном моделировании условий срыва.

В сложившейся ситуации задача экспериментальных исследований формулируется следующим образом: изучение основных физических закономерностей взаимодействия мощных потоков плазмы с веществом в условиях, «максимально приближенных» к условиям срыва тока в ИТЭР.

Несмотря на то, что конечной целью является определение эрозии диверторных материалов, нельзя ограничивать экспериментальные исследования только лишь измерениями эрозии. Без понимания физической картины взаимодействия мощных потоков плазмы с веществом невозможно экстраполировать величину эрозии, полученную в условиях конкретного эксперимента, на условия ИТЭР.

В этой же главе представлены схемы плазменных установок, на которых проводились исследования. Приведены характеристики потоков плазмы. Анализируются достоинства и недостатки установок с точки зрения моделирования условий срыва в ИТЭР. Обсуждаются задачи, которые могут быть решены на каждой из установок.



Рис. 1. Схема магнитной ловушки

1 - магнитные катушки; 2 - вакуумная камера; 3 - поток замагниченной плазмы, вытекающий из ловушки; 4 - силовые линии магнитного поля; 5 - высокотемпературная плазма с ? = 1; 6 - мишень на держателе

Первые эксперименты по моделированию взаимодействия потока плазмы с диверторными пластинами ИТЭР были проведены на установке МК-200TRAP. Установка состоит из двух мощных импульсных плазменных ускорителей, установленных навстречу друг другу, и открытой магнитной ловушки (рис.1), располагающейся между ускорителей.

Заполнение ловушки плазмой осуществляется через открытые торцы при помощи плазменных ускорителей. Летящие навстречу друг другу плазменные потоки сталкиваются, в результате, кинетическая энергия сгустков трансформируется в тепловую энергию и в ловушке образуется высокотемпературная «стационарная» плазма с плотностью n = (1-2) 10¹⁶ см^-3, температурой T_e = 200 - 300 эВ, T_i = 700 - 800 эВ и энергосодержанием около 50 кДж. Плазма полностью вытесняет магнитное поле в зазор между плазмой и металлической стенкой камеры, т.е. магнитное поле в высокотемпературной плазме отсутствует и ? = nk(T_i + T_e)/(B²/8?) = 1.

Основным механизмом энергетических потерь плазмы из ловушки является уход частиц через кольцевые щели. Высокотемпературная плазма с ? = 1 диффундирует поперек силовых линий магнитного поля, попадает в скин-слой и затем покидает ловушку вдоль силовых линий магнитного поля. Таким образом, в кольцевой щели формируется поток высокотемпературной замагниченной плазмы.

Плазма, вытекающая из кольцевой щели ловушки, использовалась для воздействия на исследуемые материалы. Максимальная интенсивность плазменного потока достигалась в щели каспа на расстоянии R = 16 - 18 см от оси системы, где силовые линии магнитного поля параллельны друг другу и плазменный поток хорошо сколлимирован (Таблица 1).

Таблица 1. Параметры плазменного потока на установке МК-200 TRAP

Плотность энергии	qmax = 200 Дж/cм2
Плотность мощности	wmax = 10 MВт/cм2
Длительность потока	??= 20 мкс
Скорость плазменного потока	V = (2-3) 107 см/с
Плотность плазмы	n = (5-10)1015 cм-3
Температура электронов	Te = 120 эВ
Температура ионов	Ti = 600 эВ
Величина	= 0.2
Магнитное поле в плазме	В = 2 Тл
Ширина плазменного потока	d = 1 см

За счет перемещения исследуемого образца по радиусу каспа от R = 16 - 18 см до R = 33 см интенсивность плазменного воздействия можно варьировать в диапазоне w = 1 - 10 MВт/cм². Причем, изменение w происходит за счет изменения плотности частиц, а их энергетический спектр остается практически неизменным. С точки зрения моделирования условий срыва к позитивным особенностям установки следует отнести требуемую интенсивность плазменного потока (w = 10 MВт/cм²), наличие в плазме сильного магнитного поля (В = 2Тл), малое содержание примесей (<1%), а также сравнительно высокую температуру (T_i = 600 эВ), достаточную для того, чтобы плазменный поток был бесстолкновительным (как и поток, поступающий в дивертор ИТЭР при срывах тока). По крайней мере, в этом случае не возникает эффект «самоэкранировки», связанный с формированием ударной волны и торможением плазменного потока.

Основным недостатком установки является малая длительность плазменного воздействия на мишень ? = 20 мкс. По этой причине на установке МК-200 TRAP целесообразно проводить эксперименты по моделированию и изучению взаимодействия плазмы с материалами на начальной стадии срыва. Следует отметить, что при облучении материалов плазменным потоком с интенсивностью w = 10 MВт/cм² экранирующий слой образуется уже через 1-2 мкс, а потом наступает квазистационарная стадия взаимодействия. Следовательно, малая длительность плазменного импульса не является принципиальным ограничением для изучения экранирующего слоя.

Исследования на установке МК-200 TRAP проводились до 1994 г., а затем она была демонтирована и на ее месте создана установка MK-200 UG (рис.2). На установке MK-200 UG удалось значительно увеличить интенсивность плазменного потока w по сравнению с MK-200 TRAP. Это позволило не только расширить диапазон тепловых нагрузок, но и приступить к экспериментам с наклонным падением плазмы на поверхность мишени, которые более точно воспроизводят ситуацию в диверторе ИТЭР.

Рис. 2. Схема установки MK-200 UG

Уровень мощности, достигнутый на MK-200 UG, достаточен для того, чтобы наклонные (? = 20) мишени облучались потоком энергии w sin? ~ 10 MВт/cм², характерным для срывов тока в ИТЭР [1, 2]. При этом увеличение интенсивности потока w достигнуто в основном за счет увеличения энергии ионов до уровня E_i = 2 - 3 кэВ, что также приближает условия модельного эксперимента к условиям токамака.

Диаметр плазменного потока d_п = 6 - 7 см на MK-200 UG близок к ширине диверторного слоя плазмы d 10 см, ожидаемой при срывах тока. Это достаточно важно, т.к. существенную роль в процессе взаимодействия плазменного потока с материалом играет излучение мишенной плазмы, а оно зависит от размеров излучающей области. Характеристики плазменного потока, измеренные в мишенной камере, представлены в Таблице 2.

Таблица 2. Параметры плазменного потока на установке МК-200 UG

Плотность энергии	q = 1,5 кДж/cм2
Плотность мощности	w = 30 - 40 MВт/cм2
Длительность потока	= 40 - 50 мкс
Скорость плазменного потока	V = (6-7) 107 см/с
Плотность плазмы	n = (2-6)1015 cм-3
Температура электронов	Te = 100 - 200 эВ
Температура ионов	Ti 600 эВ
Величина	0.3
Диаметр плазменного потока	d = 6 - 7 см

В этой же главе описываются средства диагностики. Отмечается, что для исследования основных характеристик плазмы и плазменных процессов, происходящих перед поверхностью облучаемого материала, был создан специализированный диагностический комплекс, в состав которого вошли такие методики, как лазерная интерферометрия, томсоновское лазерное рассеяние, оптическая и ВУФ спектроскопия, радиационная калориметрия и ряд других. Кроме того, в состав диагностического комплекса были включены методики, предназначенные для исследования результатов воздействия мощных плазменных потоков на изучаемый материал (измерения температуры облучаемой поверхности, измерения поглощенной энергии, исследования структуры облученной поверхности, изучение механизмов эрозии и продуктов эрозии).

Вторая глава посвящена исследованиям формирования, динамики и структуры экранирующего слоя. Эти исследования должны были ответить на следующие вопросы:

1. За какое время формируется экранирующий слой?

2. Какова пространственная структура слоя?

3. Как зависят свойства слоя от материала мишени?

4. Влияет ли магнитное поле на динамику экранирующего слоя?

5. Как изменяются характеристики слоя в зависимости от интенсивности плазменного потока и угла падения потока на мишень?

На рис. 3 представлены результаты интерферометрических измерений плотности n_е в экранирующем слое графита. Видно, что к моменту t₀ = 1,5 мкс перед поверхностью мишени образуется слой плотной плазмы толщиной около 1 см. Слой расширяется вдоль силовых линий магнитного поля, а в поперечном направлении его размер существенно не меняется, оставаясь на уровне d_с = 1 - 1,5 см, что соответствует ширине плазменного потока, падающего на мишень. Этот факт свидетельствует об одномерном характере динамики экранирующего слоя в присутствии сильного магнитного поля (В = 2 Тл).



Рис.3. Распределение плотности в экранирующем слое графитовой мишени на установке МК-200TRAP при интенсивности потока 10 МВт/см² (X - координата перпендикулярная поверхности мишени; Y - координата параллельная поверхности; время от начала облучения t = t₀ - ?, где ? = 0,6 - 0,7 мкс)

Экранирующий слой графитовой мишени условно можно разделить на две области, отличающиеся по величине плотности плазмы. Первая, более плотная, непосредственно примыкает к поверхности мишени. Ее толщина составляет около 1 см, плотность достигает n_e = 5 10¹⁷ см^-3. Во второй области, т.н. плазменной короне, плотность плазмы значительно меньше и не превышает n_е = 5 10¹⁶ см^-3 за все время разряда. Толщину плазменной короны оценить не удается, так как ее передняя граница быстро выходит из поля зрения. Скорость переднего фронта составляет V_c = 4 10⁶ см/с.

На рис.4. представлены аналогичные данные для медной мишени. Как и в предыдущем случае, слой плотной мишенной плазмы формируется через t = t₀ - ? 1 мкс после начала взаимодействия. На начальной стадии взаимодействия ( t₀ = 1,5 - 1,7 мкс) распределение плотности n_е(x,y) перед поверхностью обеих мишеней (рис.3 и рис.4) выглядит практически одинаково, но спустя короткий промежуток времени возникают явные различия. Основное отличие состоит в том, что экранирующий слой медной мишени расширяется вдоль силовых линий магнитного поля с существенно меньшей скоростью, чем экранирующий слой графитовой мишени. Скорость передней границы слоя медной мишенной плазмы составляет V = (2 - 3) 10⁵ см/с. Плазменная корона не образуется. Следует также отметить, что плотность экранирующего слоя медной мишени выше, чем графитовой, и достигает значения n_е = 1,5 10¹⁸ см^-3 вблизи поверхности.

Рис.4. Распределение плотности в экранирующем слое медной мишени

Помимо графита и меди исследовались и другие материалы: оргстекло, кварц, нитрид бора, алюминий, титан, нержавеющая сталь, молибден и вольфрам. Выяснилось, что при интенсивности потока w = 10 MВт/cм² для всех этих материалов за исключением вольфрама время формирования экранирующего слоя не превышает t = 1 мкс.

Через 1 мкс (для вольфрама - 2-3 мкс) после начала облучения перед поверхностью образуется слой плазмы с плотностью n_e 10¹⁷ см^-3. В этот момент времени температура мишенной плазмы не превышает нескольких электрон-вольт. Плазменный поток, взаимодействуя с плотной пристеночной плазмой, начинает тормозиться. Торможение ионов водорода происходит в основном за счет столкновений с электронами пристеночной плазмы. При плотности электронов n_e = 10¹⁷ см^-3 и температуре T_e = 1 эВ ионы тормозятся на длине [10]:

0,1 мм (2)

т.е. на передней границе слоя. Таким образом, образующийся слой мишенной плазмы эффективно поглощает энергию плазменного потока и полностью экранирует поверхность материала от прямого воздействия высокоэнергетичной плазмы.

C точки зрения различий в динамике экранирующего слоя все исследованные материалы можно разделить на две группы: материалы с высоким Z и материалы с низким Z. (Граничным элементом является алюминий.) Для мишеней, состоящих из легких элементов, т.е. элементов с малым Z, скорость расширения экранирующего слоя значительно выше, чем для тяжелых. Для таких материалов, как графит, оргстекло и нитрид бора наблюдается формирование плазменной короны, которая распространяется от мишени навстречу плазменному потоку со скоростью V_c ? 10⁶ см/с. Для тяжелых материалов (медь, нерж. сталь, молибден, вольфрам) экранирующий слой локализован в основном вблизи поверхности мишени.

На рис.5. приведены результаты измерения плотности в экранирующем слое вольфрама. Видно, что толщина плотного слоя вольфрамовой плазмы сохраняется на уровне 1 см в течение всего процесса взаимодействия.

Рис.5. Динамика плотности в экранирующем слое вольфрама

С ростом интенсивности потока w время нагрева поверхности материала до температуры интенсивного испарения T_v [11] уменьшается

(3)

и экранирующий слой формируется быстрее. При интенсивности потока w 20 МВт/см² для всех исследованных материалов, включая вольфрам, экранирующий слой образуется менее чем за 1 мкс. С ростом интенсивности w происходят изменения в структуре экранирующего слоя. Увеличивается ширина слоя и в слое появляются периферийные области, в которых плотность мишенной плазмы больше, чем в центре экранирующего слоя. Наиболее вероятной причиной формирования периферийных областей является излучение мишенной плазмы, которое вызывает испарение и ионизацию материала мишени за пределами зоны прямого воздействия плазменного потока.

Последний раздел главы посвящен экспериментам с наклонным падением плазмы на поверхность мишени. В этих экспериментах было обнаружено, что мишенная плазма может перемещаться вниз по наклонной поверхности. Двигаясь по наклонной поверхности, мишенная плазма может вообще покинуть поверхность мишени и уйти за пределы мишени. Это видно на интерферограммах (рис.6), сделанных вблизи заднего торца мишени.

В момент времени t = 2,5 мкс искажение интерференционных полос наблюдается не только вблизи лицевой поверхности мишени, но и за ее пределами, что свидетельствует о том, что часть мишенной плазмы покидает поверхность мишени. Судя по локальному характеру искажения интерференционных полос за торцом мишени, мишенная плазма сносится с края мишени в виде узкой струи, направленной вдоль магнитного поля.

t = 0 мкс	t = 2,5 мкс
t = 8,5 мкс	t = 38,5 мкс

Рис.6. Интерферограммы экранирующего слоя на наклонной графитовой мишени (установка MK-200UG, время экспозиции кадра 0,5 мкс)

Истечение плазмы из экранирующего слоя продолжается и в последующие моменты времени (t = 8,5; 32,5 мкс). Электронная концентрация в струе мишенной плазмы достигает максимальной величины n_e = (2 - 3) 10¹⁷ см^-3 к моменту t = 10 мкс, а затем сохраняется на этом уровне в течение всего процесса. Это означает, что происходит постоянный снос испаренного вещества с поверхности наклонной мишени. Такое поведение мишенной плазмы может привести к снижению количества испаренного вещества, участвующего в экранировке поверхности, и соответственно, к увеличению эрозии материала.

В третьей главе анализируются основные характеристики экранирующего слоя. Приводятся сведения о химическом и ионизационном составе приповерхностной плазмы. Представлены результаты спектральных измерений (рис.7), свидетельствующие о том, что экранирующий слой состоит из смеси мишенной плазмы (образующейся в результате испарения и ионизации облучаемого материала) и водородной плазмы (приходящей в экранирующий слой с плазменным потоком). Обращается внимание на то, что спектр излучения мишенной плазмы линейчатый. Это означает, что излучение экранирующего слоя нельзя описывать в приближении черного тела.

Рис.7. Спектр излучения на расстоянии 0,5 см от поверхности вольфрамовой мишени (установка MK-200UG, тепловая плазменная нагрузка q = 1 кДж/см²)

Излучение в оптическом диапазоне спектра наблюдается только вблизи мишени, а на расстояниях больше 1-2 см от облучаемой поверхности мишенная плазма излучает в основном в ВУФ диапазоне (рис.8,9). Измеренные спектры излучения указывают на то, что испаренный материал присутствует в экранирующем слое в виде высокоионизованных ионов. Например, экранирующий слой углеграфитовых мишеней состоит преимущественно из ионов С⁴⁺ и С⁵⁺, т.е. Не- и Н-подобных ионов углерода, что свидетельствует о достаточно высокой температуре экранирующего слоя.

Рис.8. Спектр излучения экранирующего слоя графита (установка MK-200 TRAP, интенсивность потока 10 МВт/см², расстояние 2,5 см от мишени)

По отношению интенсивностей спектральных линий CV (40,3 Е) и CVI (33,7 Е) были сделаны оценки температуры в экранирующем слое:

Т = 10 - 50 эВ на расстоянии х = 2 - 20 мм от мишени;

Т > 50 эВ на расстоянии х > 20 мм.

Рис.9. Спектр излучения экранирующего слоя вольфрама (установка MK-200 TRAP, w = 10 МВт/см², х = 2 см от мишени)

Спектральные линии вольфрама (рис.9) расположены настолько плотно, что сложно их идентифицировать. Однако, как и в случае углерода, спектр излучения вольфрама лежит в коротковолновом диапазоне, что также свидетельствует о высокой температуре экранирующего слоя.

При помощи методики томсоновского лазерного рассеяния были сделаны прямые измерения температуры T_e и плотности n_e в экранирующем слое. На рис.10 а,б представлены результаты измерений T_e и n_e на расстоянии х = 3 см от графитовой мишени. Для сравнения на этих же рисунках приведены значения T_e и n_e, измеренные в той же точке, но в отсутствие мишени, т.е. в свободном плазменном потоке.

В течение первых двух микросекунд характеристики плазмы перед графитовой мишенью остаются примерно такими же, как и в налетающем плазменном потоке: плотность n_е = (3 - 4) 10¹⁵cм^-3, температура T_e = 120 эВ. Затем происходит резкий рост плотности перед мишенью (рис.10 б) и к моменту t 4 мкс значение n_е увеличивается более чем в 10 раз по сравнению со свободным плазменным потоком. Это объясняется тем, что в точку измерения приходит углеродная мишенная плазма, распространяющаяся вдоль силовых линий магнитного поля от поверхности графита вверх по потоку.

Температура мишенной плазмы ниже, чем температура налетающего плазменного потока, тем не менее, в течение первых 15 мкс она находится на достаточно высоком уровне и составляет T_e = 60 - 100 эВ (рис.10а). Затем начинается охлаждение углеродной плазмы: к моменту t = 20 мкс температура уменьшается до Т_е = 20 - 25 эВ, а к 30-й микросекунде спадает до нескольких электрон-вольт. Наблюдаемый спад температуры экранирующего слоя не связан с изменениями температуры в налетающем плазменном потоке, т.к. температура потока по-прежнему сохраняется на уровне Т_е 85 эВ (рис.10а).

а	б

Рис.10. Динамика температуры T_e (а) и плотности n_e (б) в экранирующем слое графита (1) на расстоянии 3 см от поверхности мишени и в свободном плазменном потоке (2) (MK-200 TRAP, w = 10 МВт/см²)

Пространственное распределение температуры T_e(x) перед поверхностью графитовой мишени показано на рис.11. Представленные данные указывают на то, что температура T_e(x) распределена достаточно однородно по толщине экранирующего слоя и что охлаждение плазмы происходит также равномерно по толщине слоя.

Рис.11. Распределение температуры T_e(x) в экранирующем слое графита в моменты времени t = 8 мкс (2) и t = 15 мкс (1) (MK-200 TRAP, w = 10 МВт/см²)

Кроме того, полученные данные свидетельствуют о том, что при сравнительно невысокой интенсивности плазменного потока w 10 МВт/см² слой мишенной плазмы нагревается до температуры в несколько десятков электрон-вольт. Причем, даже на расстоянии х 1 см от холодной поверхности мишени температура экранирующего слоя составляет Т_е = 40 - 50 эВ.

Пространственный профиль T_e(x) перед вольфрамовой мишенью отличается от случая графита (рис.12). Например, на расстоянии x = 7 мм от поверхности вольфрама электронная температура Т_е = 30 эВ ниже, чем в случае графита, однако на расстоянии x = 50 мм температура уже заметно выше и достигает величины Т_е = 120 эВ. Столь высокое значение Т_е обусловлено тем, что на расстоянии x = 50 мм вольфрамовой плазмы практически нет и значение Т_е определяется температурой водородной плазмы.

По сравнению с графитом температура плазмы перед вольфрамовой мишенью изменяется в процессе взаимодействия гораздо медленнее. Профили температуры T_e(x), соответствующие моментам времени t = 8 мкс и t = 15 мкс, почти не отличаются друг от друга (рис.12). На расстоянии x = 15 мм от вольфрама температура плазмы сохранялась на уровне Т_е = 50 эВ в течение 30 мкс и снижалась до Т_е = 10 эВ лишь к моменту t = 50 мкс [12].

Рис.12. Распределение температуры T_e(x) в экранирующем слое вольфрама в моменты времени t = 8 мкс (1) и t = 15 мкс (2) (MK-200 TRAP, w = 10 МВт/см²)

В конце главы анализируются причины различий в поведении температуры T_e(x,t) перед поверхностью графитовой и вольфрамовой мишеней. На основании полученных данных делается вывод о том, что более резкое охлаждение экранирующего слоя графита по сравнению с вольфрамом связано с влиянием углеродной плазменной короны, которая эффективно снижает поток энергии, поступающий в приповерхностную зону.

Четвертая глава посвящена исследованиям баланса энергии. Поток энергии w₀ = 1 - 100 МВт/см², переносимый струей водородной плазмы, частично теряется в экранирующем слое (w_shield), а оставшаяся часть

w_target = w₀ - w_shield(4)

доходит до поверхности мишени и расходуется на нагрев материала (w_th), тепловое излучение нагретой поверхности (w_sr) и эрозию материала (w_er)

w_target = w_th + w_sr + w_er(5)

Излучением поверхности w_sr можно пренебречь, т.к. даже при температуре поверхности Т = 5000 - 6000 К излучается не более w_sr = уT⁴ = 10 кВт/см², что значительно меньше w_target. Таким образом, можно считать, что поток энергии, доходящий до поверхности мишени, полностью расходуется на нагрев материала и его эрозию. В интегральном виде это выражение выглядит следующим образом:

q_target = q_th + q_er, (6)

где q_target = w_target dt - плотность энергии, попадающей на поверхность мишени за время облучения, q_th - плотность энергии, расходуемой на нагрев мишени, q_er - энергия, потребляемая на эрозию материала с 1 см² облучаемой поверхности за один плазменный импульс.

В первом параграфе обсуждаются результаты измерений энергии, расходуемой на нагрев мишени. При заданной длительности плазменного потока ? для каждого материала существует предельная плотность энергии , которая может быть израсходована на нагрев материала. Величина q_max определяется теплофизическими свойствами облучаемого материала и может быть заранее рассчитана. Отмечается хорошее совпадение между величиной q_max, измеренной экспериментально, и величиной q_max, полученной в расчетах. При длительности потока = 50 мкс (установка МК-200 UG) на нагрев вольфрамовой мишени расходуется не более q_max = 70 Дж/см², а графитовой - не более q_max = 30 Дж/см². Учитывая, что плотность энергии в центре плазменного потока составляет q₀ = 2500 Дж/см², можно сделать вывод, что на нагрев мишени потребляется лишь незначительная доля энергии плазмы.

Во втором параграфе анализируются результаты измерений эрозии. Если бы плазменный поток мог свободно проходить через слой испаренного материала и воздействовать на мишень, вызывая испарение материала с поверхности, баланс энергии выглядел бы следующим образом:

q₀ = q_th + q_vap,(7)

где q_vap - энергия, расходуемая на испарение материала. В этом случае толщина испаренного слоя d₀ определялась бы разницей между энергией плазменного потока q₀ и энергией q_th, пошедшей на нагрев материала:

d₀ = q_vap/r = (q₀ - q_th)/r q₀/r,(8)

где - удельная энергия парообразования облучаемого материала.

В отсутствие эффекта экранировки толщина испаренного слоя графита на установке МК-200 UG была бы больше d₀ = 200 мкм за один пуск установки. Реальная эрозия графита значительно меньше этой величины и составляет всего лишь d = 0,4 мкм/разряд. Это означает, что благодаря эффекту экранировки количество углерода, испаряемого с поверхности графита, уменьшается в k = d₀/d = 500 (!) раз. Для вольфрама эффективность экранировки еще выше и превышает величину k = 1000.

Эффективность экранировки k увеличивается с ростом интенсивности w₀ и длительности плазменного потока и, соответственно, снижается при уменьшении w₀ и . Например, на установке МК-200 TRAP, где значения w₀ и меньше чем на МК-200 UG, коэффициент экранировки графита и вольфрама снижается до k = 70 - 100. При срывах тока в ИТЭР длительность плазменного воздействия будет значительно больше, чем на установке МК-200 UG, поэтому коэффициент экранировки должен быть больше k = 1000.

В этом же параграфе обсуждаются эксперименты с наклонными мишенями. Отмечается, что при неизмененных характеристиках плазменного потока эрозия материала на наклонной мишени может быть существенно больше, чем на перпендикулярной (??= 90°), несмотря на то, что для наклонной мишени интенсивность плазменного воздействия w = w₀ sin? меньше, чем для перпендикулярной. Экспериментально показано, что этот эффект имеет место только в случае небольших наклонных мишеней, которые не перекрывают полностью плазменный поток, и поток может их обтекать. Если же наклонная мишень достаточно большая и полностью перекрывает плазменный поток (что соответствует случаю диверторных пластин в ИТЭР), то эрозия материала не растет, а снижается при уменьшении угла падения плазмы на поверхность. Однако снижение эрозии происходит не так быстро, как уменьшается интенсивность w = w₀ sin? плазменного воздействия.