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

В этом же параграфе рассматривается эрозия материалов под действием излучения, выходящего из экранирующего слоя. Анализируются результаты эксперимента, в котором вольфрамовая мишень облучалась потоком водородной плазмы, а сбоку устанавливалась графитовая мишень и подвергалась действию излучения экранирующего слоя вольфрама. Радиационная энергетическая нагрузка изменялась по поверхности боковой мишени в диапазоне I = 10 - 120 Дж/см².

Выяснилось, что эрозия графита растет линейно с радиационной нагрузкой и достигает величины ? = 0,37 мкм/облучение. Практически такая же величина (? = 0,4 мкм/облучение) получается при прямом облучении графита потоком плазмы. Но, если при плазменном воздействии эта эрозия достигается при нагрузке порядка q₀ = 2,5 кДж/см², то в случае излучения - при нагрузке I = 120 Дж/см², что в 20 раз меньше q₀. Таким образом, не только диверторные пластины, но также и соседние элементы, которые могут попадать под действие излучения экранирующего слоя, должны изготавливаться из эрозионностойких материалов.

Четвертый параграф посвящен вопросам переноса энергии на поверхность мишени. На основании измерений энергии излучения, поступающей на поверхность сетчатой мишени, делается вывод о том, что в случае тяжелых материалов (сталь, медь, вольфрам и т.п.) перенос энергии осуществляется преимущественно за счет излучения. В случае легких материалов, типа графита, для которых характерна большая температура вблизи мишени и невысокая интенсивность излучения приповерхностной плазмы, перенос энергии на поверхность, в значительной степени, осуществляется за счет теплопроводности.

В этом же разделе описывается эксперимент с кварцевой мишенью, в котором при помощи оптической интерферометрии были проведены измерения эрозии в реальном масштабе времени, т.е. в процессе взаимодействия плазмы с мишенью. Эксперимент проводился на установке МК-200 TRAP при интенсивности потока w₀ = 10 МВт/см² и характерной длительности ? = 20 мкс.

Результаты измерения эрозии ?(t) приведены на рис.14. Видно, что испарение кварца начинается практически сразу же после падения плазмы на поверхность мишени, а затем происходит с постоянной скоростью около 0.02 мкм/мкс, достигая величины ? = 0.8 мкм к моменту t = 40 мкс. (Осцилляции на кривой ?(t) обусловлены звуковыми колебаниями, которые возбуждаются в кварцевой пластине при ударе плазмы.)

Рис.14. Эрозия кварца на установке МК-200 TRAP

Обращает на себя внимание тот факт, что скорость эрозии остается постоянной в течение почти 40 мкс, несмотря на то, что интенсивность плазменного потока уменьшается за это время, по крайней мере, в 10 раз. Это означает, что экранирующий слой снижает поток энергии, расходуемый на испарение материала, до определенной величины w_vap, которая практически не зависит от интенсивности w₀ налетающего потока.

Можно предположить, что при наличии экранирующего слоя основным параметром, влияющим на толщину испаренного слоя материала ?, является длительность плазменного импульса ??: чем больше ?, тем больше ?. Это предположение подтверждается результатами измерений эрозии на плазменных установках с разной длительностью плазменного воздействия. Имеющиеся результаты свидетельствуют о том, что при интенсивности плазменного потока, достаточной для быстрого формирования экранирующего слоя, толщина испаренного слоя ? зависит, прежде всего, от длительности плазменного воздействия ? и растет пропорционально длительности, т.е. ? ~ ?.

Пятая глава посвящена исследованиям механизмов эрозии и их относительного вклада в результирующую эрозию материала.

Проблему эрозии диверторных материалов при срывах тока можно было бы считать решенной, если бы эрозия происходила только за счет испарения. Однако существуют еще макроскопические механизмы эрозии, которые вызывают более серьезные повреждения поверхности, чем испарение. Например, углеграфиты подвержены хрупкому разрушению и могут эродировать в виде гранул, а эрозия металлов может осуществляться за счет разбрызгивания расплава, образующегося на поверхности мишени. В первой части главы обсуждается эрозия металлов, а во второй - эрозия углеграфитов.

При облучении металлической мишени мощным потоком плазмы на поверхности образуется слой расплава. Процессы, происходящие в расплаве (движение расплава под действием внешних сил, кипение жидкого металла, развитие гидродинамических неустойчивостей, инжекция капель и струй), оказывают существенное влияние на эрозию металла. Задача эксперимента состоит в изучении этих механизмов и определении их вклада в результирующую эрозию в зависимости от условий облучения.

Рис.15. Кратер эрозии на поверхности графита и алюминия (установка MK-200CUSP, ширина потока d_п = 0,5 см, графит - 40 облучений, алюминий - 18 облучений)

На рис.15 показаны кратеры эрозии на поверхности графита и алюминия, полученные в одинаковых экспериментальных условиях. Эрозия графита составила ? = 0,25 мкм за один пуск установки, а алюминия ? = 10 мкм/разряд, что в 40 раз превышает эрозию графита. Большая разница в эрозии этих материалов обусловлена тем, что расплав, образующийся на поверхности алюминиевой мишени, перемещается под действием плазменного потока из центра зоны облучения на периферию. В результате, в центральной части образуется кратер эрозии, причем, глубина кратера растет линейно с количеством плазменных облучений. Данный механизм эрозии является универсальным для всех металлических мишеней и вносит основной вклад в результирующую эрозию любого металла.

При определенных условиях металлический расплав может кипеть. Пузырьки пара, образующиеся в кипящем расплаве, лопаются на поверхности, и металлическая мишень покрывается открытыми полостями (рис.16), из-за чего поверхность становится шероховатой. В условиях эксперимента на установке MK-200UG алюминий начинает кипеть при интенсивности потока w > 0,3 МВт/см², медь при w > 1 МВт/см², а вольфрам при w > 5 МВт/см².

Рис.16. Кипение расплава

Под действием плазменного потока происходит разбрызгивание металлического расплава в виде капель. Часть капель остается на поверхности мишени (рис. 17), а другие ее покидают. Они оседают на стенках вакуумной камеры, диагностических окнах и т.д. С точки зрения эрозии диверторных пластин и накопления взрывоопасной металлической пыли наибольшую опасность представляют капли, улетающие с поверхности.

Рис.17. Разбрызгивание капель по поверхности вольфрама

Было исследовано влияние капельного разбрызгивания на эрозию металлических мишеней. Около мишеней устанавливались сборники капель и попавшие туда капли анализировались при помощи микроскопа (рис.18). Потери расплава, обусловленные инжекцией капель, определялись взвешиванием образцов до и после облучения. Для регистрации летящих с поверхности капель применялась методика лазерного рассеяния.

Выяснилось, что интенсивность капельного разбрызгивания критическим образом зависит от соотношения размеров мишени и диаметра плазменного потока. Если мишень небольшая и поток ее обтекает, то с поверхности мишени инжектируется много капель и в этом случае капельное разбрызгивание может вносить заметный вклад в эрозию металла. Если мишень полностью перекрывает мишень и поток не может ее обтекать, то количество капель резко уменьшается, и вкладом этого механизма в результирующую эрозию можно пренебречь. В то же время, именно этот механизм определяет количество металлической пыли, накапливающейся в вакуумной камере.

Рис.18. Капли металла, собранные около мишени

Эрозия металлов может происходить в результате растрескивания. В частности, сильному растрескиванию подвержен вольфрам, считающийся одним из наиболее перспективных диверторных материалов. На рис.19 показаны типичные трещины на поверхности облученного вольфрама. Имеются крупные и мелкие трещины. Крупные трещины покрывают поверхность мишени сплошной сеткой и разбивают ее на отдельные ячейки размером 1-2 мм (рис.19а). Каждая такая ячейка покрыта системой микротрещин (рис.19б). Микротрещины тоже формируют ячеистую структуру, но уже более мелкого масштаба.

Рис.19. Растрескивание поверхности вольфрама (MK-200UG, 10 облучений)

Среди исследованных марок вольфрама только монокристалл вольфрама и вольфрам, легированный рением, не подвержены сильному растрескиванию. Эти сорта вольфрама можно рекомендовать для применения в ИТЭР. Однако они очень дороги, поэтому продолжается поиск альтернативных решений.

Вторая часть главы посвящена эрозии углеграфитовых материалов. Эрозия углеграфитовых материалов происходит как в виде пара, так и в виде твердых осколков, образующихся вследствие хрупкого разрушения. В случае мелкозернистого графита образуются гранулы микронного размера. На рис.20а приведены результаты анализа частиц в эксперименте с графитом МПГ-8. Размер частиц определялся как d = (4S/?)^1/2, где S - площадь проекции частицы на поверхность сборника.

Распределение графитовых частиц по размеру N(d) имеет резкий максимум в районе d = 2 - 3 мкм. На рис.19б приведено изображение поверхности графитовой мишени, на которой видны отдельные гранулы. По-видимому, именно эти гранулы вылетают с поверхности мишени при воздействии плазменного потока. По крайней мере, размер гранул, представленных на рис. 20б, согласуется с размером частиц на рис. 20а.

Рис. 20. Распределение по размеру частиц графита МПГ-8 (а), структура поверхности графита (б)

Частицы (гранулы), потеряв тепловой контакт с массивом графита, начинают испаряться под действием теплового потока w_s = w_target, проходящего через экранирующий слой на поверхность мишени. Испарение круглой частицы радиусом r описывается уравнением:

,(10)

где = 100 кДж/см³ - удельная теплота парообразования для графита. Интегрируя уравнение (10), получаем

(11)

откуда следует, что все частицы, диаметр которых меньше d^* = 2 ()/, должны полностью испариться к моменту времени t.

Для экспериментов на установке МК-200UG, где = q_target ? 30 Дж/см², величина d* составляет 6 мкм. Учитывая, что графит МПГ-8 состоит из гранул размером меньше 6 микрон (рис.20б), можно считать, что основная масса частиц, образующихся в результате хрупкого разрушения графита, должна испаряться вблизи поверхности. В сборники, вероятно, попадают только те частицы, которые образуются на краях зоны облучения, где интенсивность плазменного воздействия ниже, чем в центре.

Для получения количественных данных о вкладе хрупкого разрушения в общую эрозию графита был проведен анализ продуктов эрозии при помощи рентгеновского дифрактометра. Среди собранных вокруг мишени продуктов эрозии доля кристаллических частиц графита составила около 10%. Это нижняя оценка для вклада хрупкого разрушения в эрозию графита. Реальный вклад больше 10%, т.к. существенная часть графитовых частиц испаряется и присутствует в продуктах эрозии в виде аморфного углерода.

Были проведены расчеты эрозии графита с учетом его хрупкого разрушения. Выяснилось, что в случае мелкозернистого графита хрупкое разрушение не приводит к существенному увеличению эрозии по сравнению с обычным испарением. Это объясняется тем, что графит эродирует в виде мелких частиц, которые быстро испаряются вблизи поверхности мишени. В результате, возникает дополнительная экранировка поверхности и тепловая нагрузка на мишень снижается.

Углеграфитовый композит (С-С композит) состоит из объемного трехмерного каркаса, образованного пучками углеродных волокон, ориентированными перпендикулярно друг другу, и углеродного наполнителя. Большая теплопроводность композита обеспечивается pitch-волокнами, ориентированными перпендикулярно лицевой поверхности материала [15]. PAN-волокна, направленные вдоль лицевой поверхности, выполняют технологическую роль и применяются для «сшивки» pitch-волокон.

Рис.21. Хрупкое разрушение С-С композита (а - растрескивание поверхности и формирование осколка, б - крупный осколок композита)

Хрупкое разрушение С-С композита происходит как в виде микронных частиц, так и в виде крупных осколков размером 100-200 микрон (рис. 21). Крупные частицы не испаряются полностью, поэтому часть эродированного материала не принимает участия в экранировке поверхности. Это отличает С-С композит от графита.

Являясь сильно анизотропным материалом, С-С композит подвержен растрескиванию. Трещины образуются по границам между пучками PAN и pitch-волокон, где возникают самые большие термические напряжения.

Были проведены ресурсные испытания С-С композита на квазистационарном плазменном ускорителе КСПУ при длительности плазменного импульса t = 500 мкс и плотности энергии q = 3 кДж/см².

Рис. 22. Изменения потерь массы С-С композита

Образец С-С композита был подвергнут 250 облучениям. После каждой серии из n = 25 облучений измерялись потери массы Dm и определялась средняя величина потерь dm = Dm/n для одного облучения данной серии. Было обнаружено, что потери массы dm растут с количеством облучений N (рис. 22). (Это принципиально отличается от поведения графита, для которого величина dm практически не зависит от числа облучений.) Если в начале испытаний потери массы у С-С композита были меньше, чем у графита, то после 200 облучений они сравнялись. При этом сохраняется тенденция к росту dm.

Облученная плазмой поверхность композита приобретает волнистый профиль (рис. 23). Это происходит из-за того, что пучки продольных волокон эродируют с большей скоростью, чем поперечные. В начале облучения потери массы (рис.22) почти полностью обусловлены эрозией продольных PAN волокон (рис.23, 24а), а поперечные волокна вносят незначительный вклад. Однако после того, как продольные волокна эродируют на глубину около 0,5 мм (приблизительно после 100 облучений), эрозия поперечных волокон заметно интенсифицируется, что сопровождается увеличением потерь массы (рис.22) и изменением профиля поверхности (рис.24б).