Диссертация (Создание физических моделей и разработка обращённых к плазме энергонапряжённых внутрикамерных элементов токамака на основе литиевых капиллярно-пористых систем), страница 18

Схема экспериментовСхема эксперимента показана на Рисунке 4.22. Криогенная мишеньвводится через горизонтальный патрубок в экваториальной плоскости. Дляорганизации тлеющего разряда в вакуумную камеру вводится дополнительныймолибденовый электрод, роль второго электрода выполняет криогеннаямишень. Стенки разрядной камеры изолированы от криомишени. Количествособранного лития (основной параметр, определяемый в экспериментах, черезкоторый определялась эффективность метода) определялось с помощьювышеописанного метода химического титриметрического анализа. Также вэкспериментальной кампаниипроведенияэкспериментовбыл задействованпоопределениюмасс-спектрометр. Дляэффективностиработыкриомишени в присутствии паров воды был создан калиброванный источник(будет описан ниже).4.6.2. Эксперименты по определению эффективности сбора литиякриогенной мишенью в зависимости от вакуумных условийЭффективность любого способа сбора лития (в том числе и криогенноймишенью) определяется балансом атомов лития, захваченных и эмитируемых146(например, в результате распыления) приёмной поверхностью коллектора.

Входе ранних экспериментов [72] была получена зависимость эмиссионныхспособностей литиевого лимитера от температуры (Рисунок 4.23). Можноотчётливо видеть, что в области криогенных температур эмиссия лития резкопадает. Было выдвинуто предположение, что при таких температурах приёмнаяповерхность очень эффективно сорбирует пары воды, которые в свою очередь«отравляют» литиевую поверхность, тем самым предотвращая поступлениелития в разрядную камеру.Рисунок 4.22. Схема экспериментов с криогенной мишенью.

GD – электродтлеющего разрядаРисунок 4.23. Литиевая эмиссия с поверхности лимитера, полученная в ходеранних экспериментов147На Рисунке 4.24а показана эволюция давления паров воды в остаточнойатмосфере токамака после введения захоложенной криомишени. Характеризменений — двухэкспоненциальный (с характерными временами 3 и 25 мин).На Рисунке 4.24б показана эволюция давления паров воды в остаточнойатмосфере токамака после удаления криомишени из вакуумной камерытокамака. Видно, что давление стало расти (характерное время — 75 мин).Проведённые опыты [73, 74] ясно указали на эффективность криогенноймишени в отношении паров воды.

Предположение о положительной роли паровводы в процессе захвата лития криомишенью подтвердилось сериейпоследовательных экспериментов [75], в которых реализовывался процессочистки закрытой камеры после её разгерметизации. Температура стеноккамеры во время проведения экспериментов составляла 30±10С, в каждомслучае мишень экспонировалась в течение 4х часов в условиях тлеющегоразряда на водороде (потенциал электрода тлеющего разряда относительностенок  +400 В, ток  5 А, криогенная мишень под потенциалом стенки).

НаРисунке 4.25 представлены результаты проведённых экспериментов. По осиабсцисс — номер эксперимента, по оси ординат — скорость сбор лития. Видно,что по мере улучшения вакуумных условий скорость сбора падает. Вэксперименте №2 для контроля использовалась криомишень без жидкого азота.В результате было получено вполне ожидаемое резкое уменьшение скоростисбора.Следующимэтапомисследованийсталовыявлениеконкретнойзависимости скорости сбора лития от давления паров воды. Для этой цели былразработан калиброванный источник паров воды (Рисунок 4.26).

Содержаниепаров воды в камере регулировалось напускным клапаном и контролировалосьмасс-спектрометром.Впроцессеэкспериментальнойкампаниибылпроведёнрядэкспериментов по определению скорости сбора лития при различных давленияхпаров воды и температурах стенки токамака 12С и 190С. Результаты148представлены на Рисунке 4.27. Добавление паров воды в пределах от 6·10-5 Падо 2·10-3 Па позволяет в 4 – 5 раз увеличить скорость сбора лития криогенноймишенью.

Превышение предела 3·10-3 Па приводит к срыву разряда и,соответственно, сбора лития. Как и ожидалось, прогрев камеры увеличиваетэффективность криомишени [76]. На Рисунке 4.28 показан вид приёмной частикриомишени после экспериментов при «низком» и «высоком» вакууме.абРисунок 4.24. Динамика поведенияРисунок 4.25. Динамика скоростидавления паров воды после заливкисбора лития криомишенью по мережидкого азота в криомишень (а) иулучшения вакуумных условийпосле её удаления (б)149Рисунок 4.26.

Калиброванный источникРисунок 4.27. Влияние водяныхпаров воды: 1 – резервуар с водой, 2 –паров на сбор лития во времятермостат,3водородного тлеющего разряданапускнойклапан,–трубопровод,5–4–вакуумнаякамера токамака, 6 – нагреватель, 7 –масс-спектрометрРисунок 4.28. Вид приёмной части криомишени после экспериментов при«низком» (слева) и «высоком» (справа) вакууме4.6.3. Исследование влияния температуры стенок разрядной камерына эффективность сбора литияЛогическимпродолжениемпроведённыхэкспериментовсталоисследование влияния температуры стенок камеры на процесс сбора [75, 76].Результаты исследования представлены на Рисунке 4.29.Температура стенок вакуумной камеры контролировалась с помощьютермопар и локально с помощью ИК-термометра.

Однако необходимо150принимать во внимание, что температура стенки в этом исследовании величинаусловная, так как многие элементы токамака (патрубки, выводы вакуумнойоткачки и др.) имеют температуру значительно ниже средней. Распределениетемпературы камеры токамака вдоль ее обхода по азимуту при максимальнойтемпературе 200С показано на Рисунке 4.30. Возвращаясь к результатамэкспериментов (Рисунок 4.29), можно утверждать, что прогрев камерыоднозначно увеличивает эффективность сбора лития (в первую очередь из-затермодесорбции). В данных экспериментах криомишень находилась подпотенциалом камеры.Рисунок 4.29.

Зависимость скоростиРисунок4.30.Распределениесбора лития от температуры стенкитемпературы камеры токамакаразрядной камеры4.6.4. Исследование влияния рабочего газа тлеющего разряда наэффективность сбора литияСледующий параметр, который может влиять на эффективность процессасбора лития — вид плазмообразующего газа тлеющего разряда. Былипроведены эксперименты с использованием в качестве рабочего газа водорода,151гелия, аргона и азота (остальные параметры при этом были фиксированы) [75,76]. Результаты проведённых экспериментов представлены на Рисунке 4.31.На представленных результатах видно, что скорость сбора максимальна вслучае тлеющего разряда на азоте (4,4 мг/ч), в случае тлеющего разряда наводороде скорость падает примерно в 2 раза (2,2 мг/ч), применение гелия иаргона снижает скорость ещё сильнее (1,2 и 1,5 мг/ч соответственно).Полученные результаты можно объяснить различной скоростью распылениялитияразличнымиатомами.Этавеличинасущественновышеприбомбардировке тяжёлыми ионами (в нашем случае гелия и аргона).

Такимобразом, по сравнению с тлеющим разрядом на водороде, имеет местоповышенный обратный поток атомов лития. Повышенная эффективностьтлеющего разряда на азоте по сравнению с водородом (Рисунок 4.31б)объясняется тем фактом, что приходящий азот вступает в реакцию с литием,связывая его (аналогично действию паров воды) и предотвращая егораспыление (эксперимент №4 — незахоложенная мишень).Рисунок 4.31. Сравнение эффективности сбора лития в зависимости от видаплазмообразующего газа тлеющего разряда1524.6.5.

Исследование влияния электрических и магнитных полей наэффективность сбора литияДанная серия экспериментов [75, 76] была направлена на выявлениесостояния атомов лития в процессе сбора, так как изначально не было ясностиионизованный или нейтральный литий улавливается мишенью.В ходе экспериментов с введением электрического поля на мишеньотносительно камеры подавался потенциал (от минус 300 В до плюс 300 В),электрод тлеющего разряда имел постоянный потенциал относительно камерыплюс 400 В. Полученные результаты показаны на Рисунке 4.32 увеличениеотрицательного потенциала криомишени относительно стенки камеры в 1,3 –1,5 раза повышает эффективность сбора лития по сравнению со случаем когдакриомишень находится под потенциалом стенки и в 3 раза по сравнению сослучаем когда криомишень находится под положительным потенциаломотносительно стенки. Как видно, исследуемая зависимость ведёт себяаналогично на гелии и водороде, однако в области отрицательных потенциаловвблизи 300 В имеет место спад эффективности, что можно объяснитьувеличением распыления лития вследствие увеличения энергии приходящихионов гелия.абРисунок 4.32.

Эффективность сбора лития в зависимости от разностиэлектрических потенциалов между стенкой Т-11М и криогенной мишенью вслучае тлеющего разряда на водороде (а) и гелии (б)153Проведённый эксперимент [77] с введением тороидального магнитногополя порядка 5·10-3 Тл (при больших значениях разряд срывался) также показалувеличение скорости сбора в 3 – 4 раза.Полученные результаты явно указывают на тот факт, что литий впроцессе сбора находится в ионизованном состоянии. Это даёт возможностьуправлять скоростью сбора лития с помощью магнитного и электрическогополей.4.6.6. Эксперименты с криогенной мишенью в режиме штатнойработы токамакаУспешные эксперименты с литиевыми лимитерами по сбору лития в SOLтокамака навели на мысль использовать криомишень в качестве коллектораионов в штатном разряде.

Серия экспериментов [75] показала эффективностьэтого устройства в условиях плазменного разряда и подтвердила ранниерезультатыэкспериментовпосборулитиябоковымисторонамигоризонтального лимитера [54]. На Рисунке 4.33 представлена схемаэкспериментов:криогеннаямишень находилась в тенивертикальноголитиевого лимитера. На Рисунке 4.34 — результаты.Другая серия экспериментов [75] была направлена на определениеколичества лития, захваченного мишенью после длительной экспозиции вразряде. На Рисунке 4.35 показано интегральное количество собранного литияпосле 200 разрядов (что эквивалентно непрерывной работе токамака в течение30 с).

Видно, имеет место растущая со временем зависимость, что являетсясерьёзным аргументом для использования криомишени в качестве коллекторалития в стационарных токамаках.154абРисунок 4.33. Схема проведенияРисунокэкспериментов с криомишенью вэкспериментовусловиях штатного разряда: 1 –условиях штатного разряда токамака: аплазма,– внешний вид приёмной поверхности2криомишень–лимитер,3–4.34.сРезультатыкриомишеньюв(«ионная» сторона), б – радиальноераспределение захваченного лития для«ионной» (A) и «электронной» (B)сторонРисунок 4.35. Результаты экспериментов с криомишенью в условияхштатного разряда токамака: полное количество собранного лития взависимости от времени экспозиции в плазме1554.6.7. Результаты экспериментальной кампанииОсновные результаты экспериментальной кампании следующие:1) продемонстрирована работа криогенной мишени в условиях тлеющего иштатного разряда токамака, показано явное увеличение эффективности сборалития охлаждённой мишенью (T=-196°C) по сравнению с неохлаждённой (T=20°C), что позволяет осуществить процесс очистки в течение 4 часов (обычныйметод очистки без криогенной мишени занимает 1 месяц) [68];2) установлено положительное влияние «плохого» вакуума на скоростьсбора лития криогенной мишенью.