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);
- 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.
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 Te = 200 - 300 эВ, Ti = 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(Ti + Te)/(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.