Физические процессы при очистке материалов стенок термоядерных установок от кислорода в водородной плазме

Актуальность работы.

Наличие кислородной примеси в плазме термоядерных установок существенно снижает их энергетические и эксплуатационные параметры, усложняет управление установками и интерпретацию получаемых результатов. Большие количества кислорода накапливаются в процессе работы токамака в графитовых элементах первой стенки в осаждённых углеродных и углеродно-вольфрамовых слоях, что затрудняет его удаление из плазмы в процессе подготовительных процедур. При последующем взаимодействии потока частиц и излучения плазмы с поверхностью графита в плазме оказывается большое количество кислорода. Это приводит к увеличению радиационных потерь из плазмы и, соответственно, к необходимости увеличения вкладываемой в плазму мощности. Другим отрицательным явлением в токамаках, обусловленным присутствием в плазме кислорода, является интенсивное распыление ионами кислорода поверхности первой стенки и загрязнение плазмы продуктами распыления. Эти и ряд других явлений, связанных с захватом и накоплением кислорода в контактирующих с плазмой графитовых элементах первой стенки определяют важность решения проблемы кислорода в плазме для современного этапа термоядерных исследований.

Данная работа является чрезвычайно актуальной, поскольку в ней проведено систематическое исследование параметров, закономерностей и механизмов захвата кислорода и водорода в графиты, облучаемые в водородной плазме с примесью кислорода, исследованы закономерности формирования углеродных и углеродно-вольфрамовых слоев и захват в них кислорода и предложена методика удаления кислорода (кондиционирования первой стенки) с помощью облучения плазмой «чистящих» разрядов.

Основные цели и задачи работы.

Основной целью проведенной работы являлось исследование закономерностей захвата кислорода и водорода в углеграфитовые материалы облучаемые в водородной плазме с примесью кислородаисследование процессов, определяющих удаление кислорода из углеграфитовых материалов при облучении в дейтериевой плазме и разработка методики его удаленияисследование формирования углеродных и углеродно-вольфрамовых слоев, напыляемых в плазме, и особенностей захвата ими кислорода и водорода.

Для достижения этой цели были сформулированы следующие задачи исследования:

Измерение параметров и изучение закономерностей захвата водорода в углеграфитовый композит СБС и пиролитический графит при облучении в водородной плазме с примесью кислорода.

Выявление закономерностей формирования углеродно-вольфрамовых плёнок, напылённых в плазме.

Исследование закономерностей захвата водорода и кислорода в углеродные и углеродно-вольфрамовые плёнки.

Изучение закономерности и разработка методики удаления кислорода из графитов при облучении в дейтериевом разряде.

Выносимые на защиту результаты.

1. Захват водорода и кислорода в углеграфитовые материалы, контактирующие с водородной плазмой, а также в углеродные и в углеродно-вольфрамовые слои, напыляемые в плазме, растёт при увеличении в ней концентрации кислородной примеси до определенной величины и спадает при дальнейшем её увеличении 1.1.Рост захвата водорода при появлении в плазме кислородной примеси обусловлен тем, что атомы и ионы кислорода активируют поверхность углеграфитовых материалов и интенсифицируют потенциальный механизм захвата атомов водорода из водородосодержащих молекул, сорбированных на их поверхности.

1.2.Уменьшение захвата водорода при увеличении концентрации кислородной примеси в плазме выше определённой величины происходит в результате увеличения степени покрытия поверхности углеграфитовых материалов молекулами Н20, ИБО, Б20 и, соответственно, уменьшением возможности активации поверхности ионами и атомами кислорода плазмы.

2. При облучении графитов ионами водородной плазмы с примесью кислорода максимум распределения кислорода смещается на глубину, сравнимую с проективным пробегом ионов водорода, в результате его участия в каскадах смещения, создаваемых последними.

3. Удаление кислорода, имплантированного в углеграфитовые материалы, при их облучении ионами водорода происходит, в основном, за счёт распыления поверхностного слоя, содержащего атомы кислорода.

4. Толщина слоя, который необходимо распылить ионами водорода для удаления кислорода, имплантированного в графит, может оказаться значительно большей толщины слоя, содержащего кислород до начала облучения, в результате того, что максимум распределения кислорода, постоянно смещаясь по мере распыления поверхности, остаётся на примерно постоянном удалении от поверхности.

5. В тех случаях, когда углеродные и углеродно-вольфрамовые слои, напыляемые в плазме, не облучаются быстрыми атомарными частицами плазмы, захват водорода и кислорода в них происходит по «потенциальному» механизму, в основном, из молекул воды, сорбированных на поверхности слоя. Захват стимулируется ионами плазмы, активирующими поверхность слоёв.

6. Захват кислорода и водорода из сорбированных молекул воды в углеродные слои увеличивается при увеличении активирующего поверхность потока ионов плазмы и уменьшается при увеличении потока молекулярного водорода, способствующего уменьшению концентрации молекул воды в поверхностном слое.

Научная и практическая значимости работы.

В диссертационной работе впервые экспериментально определены основные закономерности захвата кислорода и водорода в углеграфитовые материалы, контактирующие с водородной плазмой с примесью кислорода. Определены закономерности захвата. Выявлены закономерности удаления кислорода из углеграфитовых материалов при облучении в дейтериевом разряде.

Практическая значимость работы определяется тем, что в ней разработана методика удаления кислорода (кондиционирования) элементов первой стенки токамаков, выполненных из графита, с помощью облучения плазмой «чистящих» разрядов.

4.4. Выводы.

Определены закономерности формирования углеродно-вольфрамовых слоев, напыляемых в плазме, на подложки из нержавеющей стали, вольфрама и углерода. Определены толщины слоев, после достижения которых напыляемые слои начинают разрушаться, превращаясь, в конечном итоге, в пыль в условиях термоядерных установок. Для углеродно-вольфрамовых слоев, напылённых на подложки из вольфрама и графита эта толщина составила 2,5 мкм, на подложки из нержавеющей стали — 1 мкм.

Показано, что в тех случаях, когда углеродные и углеродно-вольфрамовые слои, напыляемые в плазме, не облучаются быстрыми атомарными частицами плазмы, захват водорода и кислорода в них происходит по «потенциальному» механизму, в основном, из молекул воды, сорбированных на поверхности слоя. Захват стимулируется ионами плазмы, активирующими поверхность слоёв.

Обнаружено, что захват кислорода и водорода из сорбированных молекул воды в углеродные слои увеличивается при увеличении активирующего поверхность потока ионов плазмы и уменьшается при увеличении потока молекулярного водорода, способствующего уменьшению концентрации молекул воды в поверхностном слое. Выявлена зависимость захвата водорода и кислорода в углеродные и углеродно-вольфрамовые слои от давления водорода.

Заключение

.

1. В работе проведены экспериментальные исследования и определены основные закономерности захвата водорода и кислорода в углеграфитовые материалы, облучаемые в водородной плазме с примесью кислородаизучен механизм и разработаны основные положения методики удаления кислорода из СБС облучением в водородной плазмевыявлены закономерности формирование углеродных и углеродно-вольфрамовых плёнок при напылении в плазме и особенности захвата в них водорода и кислорода.

2. Проведены следующие эксперименты и получены результаты:

— измерен захват водорода и кислорода в СБС при облучении в Б2 + 2% 02 плазме ионами различных энергий (от -12 эВ/атом до 1000 эВ/атом) и при облучении электронами со средней энергией -10 эВ,.

— измерен захват водорода и кислорода в СБС при облучении в плазме с различной концентрацией кислорода в рабочем газе (от 0,2% до 7%),.

— исследован характер распределения захваченного кислорода по глубине,.

— проведены эксперименты по удалению кислорода, захваченного в СБС и в Рв в Б2 + 2% 02 плазме, при облучении ионами дейтериевой плазмы с энергиями 100 и 400 эВ,.

— проведены эксперименты по осаждению углеродных и углеродно-вольфрамовых слоёв на подложки их нержавеющей стали, вольфрама и графита и по изучению захвата в них кислорода и водорода.

3. Показано, что наличие кислорода в плазме приводит к увеличению захвата дейтерия в СБС, в основном, по «потенциальному» механизму. Основным источником захватываемых частиц являются сорбированные на поверхности молекулы Н20, ИБО, Б20. Захват водорода достигает максимума при определённой концентрации кислорода в рабочем газе. (В наших экспериментахэто почти шестикратное увеличение при концентрации кислорода -2% по сравнению с захватом в водородной плазме). Последующее уменьшение захвата, предположительно, объясняется увеличением степени покрытия поверхности молекулами Н20, ИБО, Б20 при увеличении концентрации кислорода в рабочем газе и, соответственно, уменьшением возможности активации поверхности ионами и атомами кислорода плазмы.

4. Захват кислорода в CFC, облучаемом в D-0 плазме, происходит в слое, соизмеримом с зоной торможения ионов водорода. Величина захвата изменяется синхронно с захватом водорода.

5. Установлено, что удаление кислорода, имплантированного в углеграфитовые материалы, при его облучении ионами дейтериевой плазмы происходит, в основном, за счёт распыления слоя, содержащего атомы кислорода. Для их удаления из PG распылялась поверхность примерно на глубину пробега ионов кислорода, а для удаления кислорода из CFC — на глубину, значительно превышающую толщины слоя торможения ионов кислорода и дейтерия.

6. Сделан вывод о том, что при облучении CFC ионами дейтерия происходит перемещение имплантированных атомов кислорода в глубину в результате их участия в каскадах столкновений, порождаемых внедряющимися ионами дейтерия. В распыляемых приповерхностных слоях оказывается лишь «хвост» распределения кислорода, а максимум распределения, смещаясь по мере распыления поверхности, остаётся на постоянной относительно неё глубине в течение большей части времени распыления. В результате, скорость удаления кислорода оказывается низкой, слабо меняется в процессе его удаления, и также, как толщина распыляемого слоя и время удаления, зависит от энергии ионов дейтерия, определяющей как скорость распыления, так и скорость смещения атомов кислорода в глубину. Практически полное удаления кислорода из CFC при энергии ионов дейтерия 400 эВ достигалось за 80 — 100 минут после распыления слоя толщиной > 1000 нм, а при энергии ионов дейтерия 100 эВ — за 180 — 200 минут после распыления слоя толщиной примерно 600 нм. Сформулированы рекомендации по оптимизации методики удаления кислорода из CFC облучением в дейтериевой плазме.

7. Установлены закономерности формирования углеродно-вольфрамовых слоёв, напыляемых в плазме, на подложки из нержавеющей стали, вольфрама и.

111 графита. В слоях, осаждённых на подложки из графита и вольфрама, выявлено формирование карбидных фаз. Определены толщины, после которых напыляемые слои начинают разрушаться и отслаиваться, что в условиях термоядерных установок приводит к образованию пыли. Для углеродно-вольфрамовых слоёв на подложках из вольфрама и графита эта толщина составляла ~ 2,5 мкм, на подложках из нержавеющей стали ~ 1 мкм.

8. Показано, что в тех случаях, когда углеродные и углеродно-вольфрамовые слои, напыляемые в плазме, не облучаются быстрыми атомарными частицами плазмы, захват водорода и кислорода в них происходит по «потенциальному» механизму, в основном, из молекул воды, сорбированных на поверхности слоя. Обнаружено, что захват увеличивается при увеличении активирующего поверхность потока ионов плазмы и уменьшается при увеличении потока молекулярного водорода. Выявлена зависимость захвата водорода и кислорода в углеродные и углеродно-вольфрамовые слои от давления водорода.