Закономерности и механизмы захвата водорода в углеграфитовые материалы при облучении в плазме

4.2. Захват частиц при выдержке образца CFC в дейтерии-газе.66.

4.3. Захват частиц при облучении потоком атомов водорода.67.

4.4. Захват частиц при облучении в дейтериевой плазме.71.

4.4.1. Параметры эксперимента.71.

4.4.2 Результаты экспериментов.71.

4.6.

Заключение

75.

Глава 5. Закономерности захвата водорода и десорбции водородосодержащих молекул.76.

5.1.

Введение

76.

5.2. Зависимость захвата дейтерия от энергии облучающих ионов.76.

5.2.1 Параметры облучения.76.

5.2.2 Результаты и их обсуждение.77.

5.2.2.1. Захват дейтерия при облучении ионами высоких энергий.79.

5.3.2.2. Захват дейтерия при облучении ионами низких энергий.81.

5.2.3. Выводы.82.

5.3. Зависимость захвата дейтерия от времени облучения.83.

5.3.1 Параметры облучения.83.

5.3.2 Результаты экспериментов и их обсуждение.84.

5.3.3 Модель «потенциального механизма» захвата, объясняющая увеличение захвата при уменьшении. потока при постоянстве дозы.87'.

5.3.4 Выводы.91.

5.4. Зависимость захвата дейтерия от температуры облучения.92.

5.4.1 Параметры облучения.:.92.

5.4.2 Результаты и их обсуждение.92.

5.4.3 Выводы.95.

5.5. Образование углеводородов в облучаемых углеграфитовых материалах.96.

5.6 Выводы.99.

6.

Заключение

102.

Список цитированной литературы.105.

Актуальность работы.

Захват и накопление изотопов водорода в графитовых материалах является важной проблемой' для' современныхтермоядерных: установок, в которых графитовые: материалы используются в качестве материала, контактирующего с плазмой, элементов1 первой стенки, и дивертора. Накопление в них и затемнеуправляемая десорбция изотопов водорода порождает серьёзные проблемы в работе существующих, установок. Выявление закономерностей и механизмов захвата водородав графитовых материалахпринципиально важно w для создаваемого? Международного Термоядерного Экспериментального Реактора (ITER) — из-за опасности' накопления трития в. диверторных пластинах, выполненных из. углеграфитового композита^((2Е (2)|. щ в" перенапыленных углеродных слоях.

Захват и удержание изотопов водорода в графитах и GFC изучались в большом количестве работ, выполненных на токамаках: Ив лабораторных ионно-пучковых и плазменных установках. Накоплен большой массив данных о величинах захвата ири различных условиях облучения. Вместе с тем, основные закономерности и механизмы захвата водорода в углеграфитовые материалы, облучаемыевплазме, вчастности, вусловиях, подобныхусловиям облучения периферийной плазмой токамаков, до сих пор' изучены недостаточно: В' результате затрудняется выбор правильных конструктивных решений и оптимальных режимов эксплуатации углеграфитовых элементов плазменных камер термоядерных установок.

Основные цели и задачи работы.

Основной целью проведенной работы являлось выявление роли компонентов водородной плазмы (ионов, электронов, нейтральных атомов) в захвате атомов водорода в углеграфитовые материалыисследование процессов, определяющих захват водорода в углеграфитовые материалы" при плазменном облученииизучение закономерностей захвата водорода в этих, условиях, в частности, измерение и объяснение зависимости захвата водорода от энергии^ ионов водородной плазмы, от плотности ионного тока И' от температуры облучаемой поверхности.

Для достижения этой цели были сформулированы следующие задачи исследований:

1. Определение связи между положением пиков, термодесорбции и условиями захвата водорода и областями его локализации в^ углеграфитовом материалес целью, расширения возможностей — метода термодесорбции для? исследования закономерностешзахвата водорода в-материалы-.

2. Определение относительной роли: облучения ионами,-. электронами ш атомами водородной нлазмы в захвате водорода в углеграфитовые материалы.

3. Изучение общих закономерностей иособенностей захвата водорода в пиролитический графит и углеграфитовый композит при облучении в плазме. В частности, измерение и объяснение особенностей зависимостей захвата водородаот энергии. ионов плазмы, от плотности ионного тока и от температуры облучаемой поверхности;

4. Выявление типа и характера процессовобеспечивающих наблюдаемые закономерности;

Положения, выносимые на защиту.

1. Взаимосвязь между условиями облучения углеграфитовых материалов атомами и ионами водорода, их захватом и положением максимумов термодесорбционных спектров.

2. Закономерности изменения спектров термодесорбции водорода из углеграфитового композита и пирографита взависимости от энергии ионов дейтериевой плазмы в диапазоне энергий от 12 до 1000 эВ/атом и спектры термодесорбции при облучении электронами плазмы со средней энергией -10 эВ.

3. Зависимость между термодесорбцией метана и водорода из углеграфитовых материалов, облученных ионами-водорода, выражающаяся в однонаправленном смещении максимумові тремодесорбции по шкале температур при изменении энергии облучающих ионовш^ объясняющаяся тем, что десорбцияметана происходит после выделения значительнойчасти водорода.

4. «Потенциальный» механизм захвата, водорода в углеграфитовые материалы, при, котором захват атомов водорода происходит а), принеупругих взаимодействиях атомов, и ионов-водорода с поверхностью, б) при-неупругих взаимодействиях молекул водорода или водородосодержащих молекул с поверхностью, активированной4 потоками ионов и атомов, водорода или электронов1. По «потенциальному» механизму могут захватыватьсяатомы водорода, входящие в составмолекул^ водорода или водородосодержащих молекул, облучающих поверхность, или сорбированных на поверхности.

5. Закономерности «потенциального механизма» захвата:

• вероятность «потенциального» захвата практически не зависит от энергии облучающих ионов водорода в диапазоне от ~12 эВ/атом до 1000 эВ/атом.

• при облучении медленными ионами (ионы дейтерия с энергией Е- <200 эВ/атом), не способными обеспечить захват водорода в зоне торможения за счёт своей кинетической энергии, атомы, захваченные по «потенциальному» механизму, сосредотачиваются в ловушках, максимум выделения водорода из которых наблюдается при температуре 700−850 К и обеспечивают большую часть захвата водорода.

• при, облучении быстрыми ионами, способными-: обеспечить захват водородав зоне торможения/ за счёт своей кинетическойэнергии (ионы дейтерия" с энергией Е- >200 эВ/атом), атомы, захваченные по" «потенциальному» механизму, могут концентрироваться как в ловушках, максимумвыделения водорода из которых наблюдается, при температуре 700 850 К, так и в ловушках, созданных в зоне торможения, максимум выделения водорода из которых происходит при температуре 1000−1100 К.

• при облучении с одинаковой? дозой.

5−10 ат/м) захват по? «потенциальному" — механизму больше при большем? времени эксперимента (увеличение' времени! облученияс 80 • до: 400? минут) ш меньшей плотности облучающего: потока;

• уменьшение захватав высокотемпературные: ловушки (900−1200 К) происходит уже при температурах распада' низкотемпературных («потенциальных» ловушек) (600−800 К).

Научная и практическая значимость работы.

Результаты, представленные внастоящей диссертационной работе, важны для дальнейшего развития и систематизации представлений о захвате водорода в углеграфитовыег материалы. Проведенный анализ связи положений: пиков термодесорбции водорода с условиями облучения и удержания захваченного водорода создает методологическую основу для более широкого использования метода термодесорбции при исследовании закономерностейзахвата и удержания водорода в графитовых материалах. Обнаруженные закономерности захвата водорода в углеграфитовые материалы расширяют представления о процессе захвата водорода в углеграфитовые материалы.

Практическая значимость работы определяется тем, что результаты работы позволяют выявить роль каждой из компонент периферийной плазмы токамака в захвате водорода в углеграфитовые тайлы первой стенки и определить закономерности такого захвата. Тем самым, создаются условия для правильного выбора конструктивных решений и оптимальных режимов эксплуатации углеграфитовых элементов плазменных камер термоядерных установок.

5.6 Выводы.

Представлены результаты экспериментов по облучению пиролитического графита и углеграфитового композита ионами водорода различных энергий и электронами из плазмы. Показано, что захват водорода уменьшается при уменьшении энергии от ЮОО’эВ/атом, но не достигает нуля при малых энергиях падающих^ ионов. Захват наблюдается^ даже при облучении графитов ионами с энергией 12 эВ/атом. и электронами изплазмы. Сделаны выводы о характере захвата водорода пиролитическим графитом и углеграфитовым композитом: при облучении ионами свыше. 200 эВ основной механизм^ захвата «кинетический», при. облучении^ ионамис энергией, меньше- 200″. эВ и при облученииэлектронами захват «потенциальный», случай с облучением ионами с энергией 200 эВ/атом, является, промежуточным, в нем" приблизительно половина водорода захватывается" по одному принципу, а половина — по другому. В. обоих случаях на углеграфитовом композите более выражен захват водорода В! неразрушенные области, что объясняется более дефектной структурой композита. I.

При облучении углеграфитового композита ионами различных энергий в плазме при постоянной дозе, но разном потоке облучающих ионов, захват растет при увеличении, времени эксперимента. Увеличение захвата наблюдается во всем исследованном интервале энергий. Сделан вывод о том, что при высоких энергиях облучения, так же как и при низких, происходит захват по «потенциальному механизму», так как захват по «кинетическому механизму» зависит только от дозы. Таким образом, «потенциальный захват» наблюдается во всем исследованном диапазоне энергий.

Предложена модель, рассматривающая создание активных центров на поверхности за счет частиц облучающего потока, захват в эти центры атомов облучающего потока или из сорбированных молекул, уход атомов из этих ловушек в глубину. Данная модель показывает, что этот механизм может объяснить увеличение захвата водорода при увеличении времени облучения при сохранении дозы постоянной.

Эксперименты по облучению углеграфитового композита ионами с энергией 200 эВ/атом и 800 эВ/атом при различных температурах показали, что характер зависимости захвата водорода от температуры различается для случая облучения ионами с энергией 200 эВ/атом и 800 эВ/атом. Характер уменьшения захвата при облучении ионамис энергией 200 эВ/атом является типичным: спектры уменьшаются^ области меньшейтемпературы облучения.

При облучении ионами^ высокой^ энергии при увеличении температуры облучения спектры уменьшаются не только в области температурменьших температуры облучения, но и в области больших температур. Это-объясняется уменьшением эффективности потенциального захвата при увеличении температуры.

Лимитирующим фактором в процессе проникновения в СБС атомов по потенциальному механизму и их захвата являются концентрация поверхностного слоя сорбции и время жизни активных поверхностных центров, создаваемых при взаимодействии облучающих ионов с поверхностью. Уменьшение обоих этих величин при температурах около 500−600 К объясняет наблюдавшееся в этом диапазоне температур уменьшение захвата не только в низкотемпературные, но и в высокотемпературные ловушки, распадающиеся в диапазоне температур 900−1300 К.

Молекулы С04 формируются в углеродных структурах с высоким уровнем дефектов. Они десорбируются, когда значительная часть удерживаемого дейтерия уже покинула материал. Можно предположить, что поры и микро каналы, образующиеся при рекристаллизационных процессах сопровождающих удаление дейтерия, делают возможным диффузию молекул СБ4 к поверхности и их десорбцию.

6.

Заключение

.

В диссертационной работе изучены закономерности захвата водорода в углеграфитовые материалы при облучении в плазме, выявлена роль компонентов водородной плазмы в захвате водорода, получены зависимости захвата водорода от энергии ионов водородной плазмы, от плотности ионного тока и от температуры^ облучаемой поверхностипредложено объяснение полученных результатов:

Проведены следующие измерения:

• измерен захват водорода в углеграфитовый композит и пирографит при. облучении в плазме ионами различных энергий (от —12 эВ/атом до 1000 эВ/атом) и при облучении электронами, со средней-энергией —10 эВ.

• измерен^захват водорода в углеграфитовый композит при разных энергиях облучающих, ионов (от —12 эВ/атом до 1000 эВ/атом) прш разном потоке ионов лл ч 1П л ло л.

10 ат/м с и 2−10 ат/м с) при^постоянной дозе (5−10 ат/м).

• измерена зависимость захвата1 водородав" углеграфитовый композит от температуры облучения, при энергии облучающих ионов 200 эВ/атом и. 800' эВ/атом.

• измерено образование ¦ дейтерометана во всех указанных выше экспериментах.

• проведены измерения захвата водорода в углеграфитовый. композит при-облучении атомарнымпотоком.

Установлены следующие закономерности и сделаны выводы.

Установлена взаимосвязь между положением пиков-термодесорбционных спектров из графитов, условиями облучения и захватом водорода в графит.

Экспериментально показано, что при облучении в плазме захват водорода в углеграфитовый композит за счет атомарного облучения составляет не более 10% от захвата при облучении ионами из плазмы и около 20% при облучении электронами из плазмы.

Обнаружено, что при уменьшении энергии облучающих ионов в плазме захват водорода уменьшается, но не обращается в ноль при облучении под плавающим потенциалом и при облучении электронами.

Наблюдалось, что захват водорода возрастает, если при постоянной дозе облучения уменьшается плотность потока ионов и увеличивается время облучения.

Показано, что зависимость захвата от температуры в случае облучения ионами. с энергией 200 эВ/атом и с энергией 800 эВ/атом отличается. Захват при энергииоблучающих ионов. 800 эВ/атом уменьшается не только в диапазоне температур меньших температуры облучения, но и при больших, температурах.

Выявлен «потенциальный» механизм' захвата водорода в углеграфитовые материалы, объясняющий описанные выше закономерности. «Потенциальный» механизм захвата водорода вуглеграфитовые материалы, заключается в, том, что захват атомов водорода происходит, а) при неупругих взаимодействиях, атомов* и ионов водорода с поверхностью, б) при неупругих взаимодействиях молекул водорода или водородосодержащих молекул с поверхностью, активированной потоками^ ионов и атомов водорода или электронов. По «потенциальному» механизму могут захватываться атомы водорода, входящие в состав^ молекул водорода или водородосодержащих молекул, облучающих поверхность, или сорбированных на поверхности!

Закономерности «потенциального» захвата:

• вероятность «потенциального» захвата практически не зависит от энергии облучающих ионов водорода.

• при. низких энергиях ионов (-12−100 эВ/атом) «потенциальный» механизм обеспечивает большую часть захвата атомов водорода.

• атомы, захваченные по «потенциальному» механизму могут захватываться в ловушках, созданных в зоне торможения быстрыми ионами.

• при облучении с одинаковой дозой захват по «потенциальному» механизму увеличивается с увеличением времени облучения.

• уменьшение захвата в высокотемпературные ловушки (900−1200 К) происходит уже при температурах распада низкотемпературных («потенциальных» ловушек) (600−800 К).