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

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

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

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.

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.