Рис.23. Профиль поверхности С-С композита (50 облучений, КСПУ)
После 200 облучений профиль поверхности становится гладким, приобретает синусоидальную форму (рис.23в) и в дальнейшем он уже практически не меняется, т.е. эрозия начинает идти равномерно по всей поверхности композита. Это означает, что после определенного количества облучений поперечные волокна, которые должны обеспечивать высокую эрозионную стойкость материала, начинают эродировать с такой же большой скоростью, как и менее стойкие продольные волокна.
Рис.24. Профиль поверхности С-С композита
после 50 (а), 150 (б), 200(в) облучений на установке КСПУ
Таким образом, эрозия С-С композита в значительной степени определяется поведением продольных PAN-волокон, которые выполняют лишь технологическую роль и применяются для «сшивки» поперечных pitch-волокон. PAN-волокна являются слабым местом С-С композита. Если просуммировать всю совокупность данных, полученных автором в экспериментах с углеграфитовыми материалами, то следует сделать следующий вывод: при плазменных нагрузках, характерных для срывов тока в ИТЭР, дорогостоящий С-С композит не имеет существенных преимуществ по сравнению с обычным мелкозернистым графитом.
В Заключении сформулированы основные результаты.
Основные результаты и выводы
1. Создан экспериментальный плазменный стенд MK-200UG, предназначенный для проведения исследований взаимодействия потоков плазмы с материалами при интенсивностях потоков 1 - 100 МВт/см2. Получены потоки высокотемпературной водородной плазмы для моделирования плазменных нагрузок, ожидаемых в диверторе ИТЭР при срывах тока. Для исследования процессов, происходящих при взаимодействии плазменного потока с материалом, создан специализированный диагностический комплекс.
2. Впервые с применением надежных средств диагностики подробно исследованы не только конечные результаты воздействия мощного потока плазмы на материалы (эрозия, продукты эрозии и т.п.), но также и сам процесс взаимодействия. Установлено, что слой мишенной плазмы, образующийся в результате испарения и ионизации материала мишени, экранирует поверхность от прямого воздействия плазменного потока. Экранирующий слой играет принципиальную роль в процессе взаимодействия плазменного потока с материалами и в значительной степени определяет как динамику этого процесса, так и его конечные результаты. В частности, при плазменных нагрузках, характерных для срывов тока в ИТЭР, эрозия материалов, обусловленная их испарением, уменьшается в сотни раз из-за эффекта экранировки.
3. Показано, что при облучении любого твердотельного материала потоком плазмы с интенсивностью w 10 МВт/см2 экранирующий слой формируется менее чем за 1 - 2 мкс, после чего тепловое воздействие на материал полностью определяется процессами передачи энергии в экранирующем слое. В случае тяжелых материалов, состоящих из элементов с большим Z (медь, сталь, молибден, вольфрам), энергия доставляется на поверхность мишени, в основном, за счет излучения, а для материалов с малым Z (графит, C-C композит, оргстекло, нитрид бора) более существенную роль играет теплопроводность.
4. Впервые исследован полный баланс энергии и сделан вывод об определяющей роли радиационных потерь: энергия плазменного потока эффективно поглощается экранирующим слоем, и основная её часть рассеивается в виде излучения мишенной плазмы. В результате, до поверхности мишени доходит лишь незначительная часть энергии потока, соответственно, эрозия материала существенно снижается. Однако, излучение экранирующего слоя настолько интенсивное, что вызывает эрозию окружающих материалов, не находящихся в контакте с плазмой. Применительно к дивертору ИТЭР это означает, что не только приемные пластины, но и соседние элементы дивертора нужно изготавливать из эрозионностойких материалов.
5. В результате проведенных экспериментальных исследований получены надежные данные об основных характеристиках плазмы экранирующего слоя, включая плотность, температуру, ионизационное состояние, а также их пространственное распределение и временную эволюцию для ряда материалов, в том числе, для углеграфитов и вольфрама, являющихся основными теплозащитными материалами для дивертора ИТЭР. Впервые экспериментально доказано, что при сравнительно небольшой интенсивности плазменного потока w = 10 МВт/см2 мишенная плазма нагревается до температуры Т = 40 - 70 эВ, в то время как предсказываемые значения не превышали 10 эВ.
6. Впервые детально исследованы излучательные характеристики образующейся мишенной плазмы и показано, что излучение плазмы экранирующего слоя сосредоточено в сравнительно узком коротковолновом диапазоне ? = 30 - 300 Е независимо от сорта облучаемого материала. Учитывая высокую эффективность преобразования энергии плазменного потока в излучение, этот факт открывает новые возможности в создании мощных источников коротковолнового излучения на основе взаимодействия плазменных потоков с материалами. При этом спектр излучения можно менять простой заменой облучаемого материала.
7. 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.
8. Показано, что за счет действия 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 опасной материальной пыли, накапливающейся в вакуумной камере ИТЭР.
9. Экспериментально доказано, что 3-х мерный углеграфитовый 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, которые обладают большой теплопроводностью и которые должны были бы обеспечивать высокую эрозионную стойкость всего материала. 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 мелкозернистым графитом.
10. 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 технологических PAN-волокон.
11. Установлено, что при облучении металлических мишеней 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 и его глубина 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.
12. Полученные в диссертационной работе экспериментальные данные были использованы для разработки и совершенствования расчётных кодов FOREV-1D, FOREV-2D, MEMOS, PEGASUS-3D и A*THERMAL-S, применяемых для моделирования процессов в диверторе токамака-реактора при срывах тока, а также для экстраполяции результатов экспериментальных исследований на условия ИТЭР.
Результаты диссертационной работы могут быть использованы в научно-исследовательских центрах, ведущих исследования по программе УТС и физике плазмы (НИЦ Курчатовский институт, НИИЭФА им. Д.В.Ефремова, ИЯФ им. Г.И.Будкера СО РАН, НИЯУ МИФИ), а также в институтах и лабораториях, разрабатывающих и использующих мощные плазменные источники для решения научных и прикладных задач.
Список основных публикаций автора по теме диссертации
Архипов Н.И., Житлухин А.М., Сафронов В.М., Сиднев В.В., Скворцов Ю.В. Динамика взаимодействия сверхзвукового плазменного потока с твердотельной мишенью // Физика плазмы. 1987. Т. 13. Вып. 5. С. 632.
Arkhipov N.I., Safronov V.M., Skvortsov Yu.V., Zhitlukhin A.M. Interaction of high temperature plasma with solid targets // Fusion Technology 1992. / Eds. C. Ferro, M. Gasporotto, H. Knoepfel. Amsterdam: Elsevier, 1993. V. 1 P. 171.
Архипов Н.И., Житлухин А.М., Сафронов В.М., Скворцов Ю.В. Инжекция и удержание плотной высокотемпературной плазмы с ? = 1 в длинной антипробочной ловушке // Физика плазмы. 1994. Т. 20. № 10. С. 868.
Arkhipov N.I., Bakhtin V.P., Safronov V.M., et.al. Experimental simulation and numerical modeling of vapor shield formation and divertor material erosion for ITER typical plasma disruptions // Journal of Nuclear Materials. 1995. V. 220-222. P. 1066.
Arkhipov N., Bakhtin V., Kurkin S., Safronov V., Toporkov D., Vasenin S., Wuerz H., Zhitlukhin A. Study of structure and dynamics of shielding layer for inclined incidence of plasma stream at MK-200 facility // Journal of Nuclear Materials. 1996. V. 233-237. P. 767.
Hassanein A., Belan V., Konkashbaev I., Nikandrov L., Safronov V., Zhitlukhin A., Litunovsky V. Modeling and simulation of melt-layer erosion during a plasma disruption // Journal of Nuclear Materials. 1997. V. 241-243. P. 288.
Arkhipov N., Bakhtin V., Basylev B., Landman I., Safronov V., Toporkov D., Vasenin S., Wuerz H., Zhitlukhin A. Plasma - surface interaction in ITER tokamak disruption simulation experiments // Fusion Technology. 1997. V. 32. P. 45.
Архипов Н.И., Бахтин В.П., Васенин С.Г., Житлухин А.М., Куркин С.М., Сафронов В.М., Топорков Д.А. Температура экранирующего слоя при взаимодействии высокотемпературной плазмы с поверхностью твердого тела // Физика плазмы. 1998. Т. 24. № 4. С. 340.
Архипов Н.И., Васенин С.Г., Житлухин А.М., Половцев Н.А., Сафронов В.М., Топорков Д.А. Многокадровая М.П.К. - камера для М.Р.-В.У.Ф. - спектроскопии мишенной плазмы // ПТЭ. 1998. № 1. С. 128.
Архипов Н.И., Бахтин В.П., Васенин С.Г., Житлухин А.М., Куркин С.М., Сафронов В.М., Топорков Д.А. Формирование экранирующего слоя при облучении твердотельных материалов мощными плазменными потоками // Физика плазмы. 1999. Т. 25. № 3. С. 263.
Basylev B., Landman I., Safronov V. Radiation in plasma target interaction events typical for ITER tokamak disruptions // Fusion Technology. 1996. V. 30. P. 739.
Arkhipov N., Bakhtin V., Vasenin S., Kurkin S., Safronov V., Toporkov D., Zhitlukhin A., Rockett P. and Hunter J. Absolute VUV Spectroscopy of an Eroding Graphite Target Using a Calibrated CCD Camera // Journal of Nuclear Materials. 1999. V. 266-269. P. 751.
Arkhipov N., Bakhtin V., Kurkin S., Safronov V., Toporkov D., Vasenin S., Wuerz H., Zhitlukhin A. Study of plasma-material interaction under high heat flux // Problems of Atomic Science and Technology; Series “Plasma Physics.” 1999. No. 1-2. P. 121.
Arkhipov N., Bakhtin V., Safronov V. et.al. Material erosion and erosion products in disruption simulation experiments at the MK-200 UG facility // Fusion Engineering and Design. 2000. V. 49-50. P. 151.
Arkhipov N., Bakhtin V., Kurkin S., Toporkov D., Safronov V., Vasenin S., Wuerz H., Zhitlukhin A. VUV radiation during plasma/surface interaction under plasma stream power density of 20 40 MW/cm2 // Problems of Atomic Science and Technology; Series “Plasma Physics.” 2000. No. 6. P. 97.
Scaffidi-Argentina F., Safronov V., Arkhipov I. et al. Erosion mechanisms and products in graphite targets under simulated disruption conditions // Journal of Nuclear Materials. 2000. V. 283-287. P. 1111.
Архипов Н.И., Бахтин В.П., Васенин С.Г., Житлухин А.М., Сафронов В.М., Топорков Д.А. Измерение эрозии кварца в реальном масштабе времени в экспериментах по моделированию тепловых нагрузок на диверторные пластины при срывах в токамаке // Физика плазмы. 2001. Т. 27. № 3. С. 243.
Safronov V., Arkhipov N., Bakhtin V., et.al. Material erosion and erosion products under plasma heat loads typical for ITER hard disruptions // Journal of Nuclear Materials. 2001. V. 290-293. P. 1052.
Bazylev B., Landman I., Pestchanyi S., Safronov V., Wuerz H. Macroscopic erosion of divertor and first wall armour in future tokamaks // Journal of Nuclear Materials. 2002. V. 307-311. P. 60.
Архипов Н.И., Бахтин В., Васенин С.Г., Житлухин А.М., Куркин С.М., Сафронов В.М., Топорков Д.А. Баланс энергии при взаимодействии интенсивных потоков высокотемпературной плазмы с материалами // Физика плазмы. 2002. Т. 28. № 4. С. 1.
Safronov V., Arkhipov N., Bakhtin V., et.al. Macroscopic erosion of divertor materials under plasma heat loads typical for ITER hard disruptions // Problems of Atomic Science and Technology; Series “Plasma Physics”. 2002. No. 5. p. 27.
Arkhipov N., Bakhtin V., Barsuk V., Kurkin S., Mironova E., Piazza G., Safronov V., Scaffidi-Argentina F., Toporkov D., Vasenin S., Wuerz H., Zhitlukhin A. Erosion mechanisms and erosion products in carbon-based materials // Journal of Nuclear Materials. 2002. V. 307-311. P. 1364.
Pestchanyi S., Safronov V., Landman I. Estimation of carbon fibre composites as ITER divertor armour // Journal of Nuclear Materials. 2004. V. 329-333. P. 697.
Landman I., Pestchanyi S., Safronov V., Bazylev B., Garkusha I. Material surface damage under high pulse loads typical for ELM bursts and disruptions in ITER // Physica Scripta. 2004. T 111. P. 206.
Safronov V.M., Arkhipov N.I., Klimov N.S. et. al. Investigation of erosion mechanisms and erosion products in divertor armour materials under conditions relevant to ELMs and mitigated disruptions in ITER. // Problems of Atomic Science and Technology; Series: Plasma Physics. 2008. No. 6. P. 52.
Bazylev B., Janeshitz G., Landman I., Loarte A., Klimov N.S., Podkovyrov V.L., Safronov V.M. Experimental and theoretical investigation of droplet emission from tungsten melt layer // Fusion Engineering and Design. 2009. V. 84. No. 2-6. P. 441.
Safronov V.M., Arkhipov N.I., Landman I.S. et.al. Evaporation and vapor shielding of CFC targets exposed to plasma heat fluxes relevant to ITER ELMs // Journal of Nuclear Materials. 2009. V. 386-388. P. 744.
Климов Н.С., Подковыров В.Л., Житлухин А.М., Коваленко Д.В., Москачева А.А., Позняк И.М., Сафронов В.М. Разбрызгивание вольфрама при воздействии интенсивного потока плазмы // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Термоядерный синтез. 2009. № 2, C. 52.