Диссертация (Создание физических моделей и разработка обращённых к плазме энергонапряжённых внутрикамерных элементов токамака на основе литиевых капиллярно-пористых систем), страница 4

Результаты показали, что при взаимодействии лития с D- и He-плазмойтокамака аномальная эрозия жидкого лития отсутствовала. Для температур Т <500ºС эмиссия лития соответствует его распылению ионами дейтерия и лития, апри T > 500ºC на первое место выходит испарение лития с поверхности. Такжев результате экспериментов удалось подтвердить работоспособность КПС какстабилизатора поверхности жидкого металла.Ранее, на установке PISCES-B, были произведены измерения распыленияповерхностипредназначенажидкогодлялитияионамимоделированиядейтерия[27].взаимодействияЭтагорячейустановкаплазмытермоядерного реактора с внутрикамерными элементами реактора и, по сути,представляет собой имитатор пристеночной плазмы. Схема установки показанана Рисунке 1.2.Установка позволяет получать стационарный плазменный поток втечениедлительноговремени(порядкахарактеристики установки даны в Таблице 1.несколькихчасов).Основные2045312Рисунок 1.2.

Схема установки PISCES-B: 1 – камера мишени, 2 – источникплазмы, 3 – ввод образца, 4 – выход для спектроскопии (аксиальный режим),5 – выход для спектроскопии (доплеровский режим)Таблица 1.Основные характеристики установки PISCES-BХарактеристикаЗначениеДиаметр плазменного столба, см6Остаточное давление системы, тор2·10-8Температура электронной компоненты плазмы, эВ5…40Концентрация электронов, см-31011…1013Энергия ионов, кэВдо 2…3Рабочее веществоГелий, дейтерийТермометрированиеТермопара, ИК-пирометрОбразец, который представляет собой молибденовую чашу, установленвертикально на конце ввода и удерживается им в центре столба плазмы так, чтосиловыелиниимагнитногополяперпендикулярныповерхности.Параметры плазмы у образца могут варьироваться изменением напряжения накатоде и скоростью напускания газа.

Испытуемый образец лития представляетсобой цилиндр толщиной 2 мм и диаметром 1 см, расположенный на дне21молибденовой чаши. Температура образца может регулироваться с помощьюподачи хладагента к чаше через ввод. Термометрирование в данномэксперименте осуществлялось с помощью термопары.Величина эрозии лития измерялась спектрометрическими методами,исходя из линейчатого излучения нейтральных атомов лития (670,7 нм) вплазме.

В процессе распыления играют роль два вида частиц — нейтральныеатомы и ионы, но так как на образец относительно плазмы поданотрицательный потенциал, то вклад в распыление будут вносить тольконейтральные атомы.Наустановкедоступныдварежимаизмерений:аксиальныйидоплеровский. Первый режим измеряет параллельно поверхности на разныхрасстояниях от неё. С помощью этого режима можно напрямую измеритьколичество нейтральных атомов, покинувших поверхность образца.

Второй,доплеровский режим, позволяет проводить измерения перпендикулярноповерхности образца (т. е. вдоль магнитного поля). С помощью этого методаопределяется доплеровское смещение линии, следовательно, этот методпозволяет определить скорость частиц покидающих образец.Согласно теоретическим представлениям ожидалось, что при T<Tплскорость распыления — постоянная величина, при T=Tпл — происходит скачок,связанный с уменьшением энергии связи на поверхности. При дальнейшемувеличении температуры скорость распыления растёт, но в то же время растёти скорость испарения. Наконец, при высоких температурах механизмиспарения становится определяющим, и зависимость уноса материала отвеличины падающих ионов исчезает.На Рисунке 1.3а показаны результаты измерений скорости распыленияобразца под действием двух различных потоков гелиевой плазмы (Ei = 175 эВ).При T≤Tпл отклонений от ожидаемой зависимости не наблюдается, но приувеличении температуры жидкого лития, скорость распыления начинает растиэкспоненциально при температуре намного меньше ожидаемой.

Кроме того,при высоких температурах сохраняется зависимость скорости потерь от потока.22Это означает, что механизм, отвечающий за повышение потерь от распыления,связан с каждым ионом, приходящим на поверхность (Рисунок 1.3б).абРисунок 1.3. Скорость распыления (а) и выход атомов (б) из литиевогообразца при бомбардировке ионами с энергией 175эВРисунок 1.4. Скорость распыленияРисунок1.5.Средняяэнергиялитиевого образца при бомбардировкеатомов покинувших поверхностьионами дейтерияобразца23На Рисунке 1.4 представлены измерения, проведенные для дейтериевойплазмы, в этом случае величина потока оставалась постоянной, а энергия ионовварьировалась.Полученныерезультатыпоказывают,чтоотличияэкспериментальной зависимости от теоретической не являются следствиемвеличины энергии падающих ионов или разницы температур междуповерхностью и контактом термопар.Также на Рисунке 1.4 представленыизмерения, проведенные с одним из образцов лития при помощи кварцевогокристаллического осциллятора в отсутствие плазмы.

Полученные данныесогласуются со значением величины испарения, что означает, что образецполностью чист, и поверхностные примеси не могут вызвать этот эффект.На Рисунке 1.5 даны результаты исследований с помощью доплеровскогорежима работы спектрографа. Видно уменьшение энергии частиц, уходящих споверхности. Это означает, что при увеличении температуры поверхностьпокидают всё большие фракции частиц.1.3.2. Исследования по удержанию дейтерия жидким литиемОдно из преимуществ лития, а именно высокая поглощательнаяспособность по отношению к газам и продуктам эрозии первой стенки, можетстать серьёзным недостатком в свете проблемы захвата дейтерия литием.

Вработах [28, 29] проведены исследования по удержанию дейтерия жидкимлитием. Эксперименты проводились на установке PISCES-B. Результатыпредставлены на Рисунке 1.6. В ходе эксперимента литиевые образцы (вжидкой и твёрдой фазе) облучались потоком ионов дейтерия с последующимфиксированиемвеличиныпоглощённогодейтерияприпомощиТДС.Облучение проводилось при разных температурах: 323°К для твёрдой фазы и523°К, 573°К, 623°К, 673°К для жидкой фазы. На Рисунке 1.6 разнымтемпературам соответствуют разные обозначения точек.

Также на Рисунке 1.6изображены три линии: первая, штриховая, показывает содержание атомовлития в образце, вторая, сплошная, соответствует полному поглощению ионов24дейтерия, третья, пунктирная, показывает поток всех частиц из образца (суммаизмеренного потока ионов и вычисленного потока нейтральных атомов).Результаты эксперимента показывают, что имеет место полное удержаниеионов, упавших на поверхность жидкого образца. Как видно из Рисунка 1.6,при увеличении величины потока падающих ионов ионов дейтерия донекоторой величины полное удержание продолжается, а после этой величинылитиевый образец переходит в форму дейтерида лития (литиевый образецнасыщается дейтерием в отношении 1:1). После насыщения образца резкоувеличиваются рециркуляционные способности.Как было сказано выше,жидкие образцы исследовались при разных температурах (от 523°К до 673°К),однако никакой зависимости поглощения дейтерия от температуры ненаблюдается.

Для твёрдого лития картина иная: поного растворения дейтерияне обнаружилось. Полагается, что это результат низкой диффузии водорода втвёрдом литии, то есть насыщается лишь поверхность образца.Рисунок 1.6. Зависимость поглощения дейтерия от потока приходящих ионовНа Рисунке 1.6 виден один интересный эффект: количество поглощённыхчастицвсегдабольшеколичестваприходящихчастиц,тоестьэкспериментальные точки располагаются всегда выше сплошной линии. Этообъясняется тем, что из плазмы приходит также поток нейтральных атомов (от25перезарядки). Теоретические оценки потока нейтральных атомов выражаютсяна Рисунке 1.6 пунктирной линией. Таким образом, в эксперименте имеет местоабсорбция нейтральных атомов жидким литием.Эксперименты по поглощению дейтерия проводились и на токамаке Т11М [26, 30].

Результаты показали, что в условиях малого токамака происходитсорбция дейтерия и гелия, но при нагреве первой стенки до 50 – 100ºС сорбциягелия снижается, а до 300 – 350ºС — снижается сорбция дейтерия. Разложениедейтерида лития происходит при температуре около 700ºС, поэтому можнопредположить, что основная доля дейтерия заключена в литии не в формедейтерида, а просто растворена в нём. Захваченный дейтерий относительнопросто извлечь, нагревая литий до 400 – 450ºС в специальном объёме.Извлечениелитияидейтериясостеноккамерыпослезавершенияэкспериментальной кампании осуществляется путём обработки стенок реактораводой с последующей рекуперацией химическим путём. В диссертации будетпредложен способ удаления плёнок лития без разгерметизации вакуумнойкамеры токамака.1.3.3. Исследования влияния лития на параметры плазмыПервые исследования влияния лития на параметры плазмы проводилисьна токамаке TFTR[31].

В результате экспериментов было подтвержденоотсутствие накопления лития в центре плазмы. Взаимодействие литиевоголимитера на основе КПС с плазмой токамака было впервые рассмотрено натокамаке Т-11М [32]. Параллельно с опытами на Т-11М проводилисьэксперименты на итальянском токамаке FTU [33]. Рассмотрим кратко основныерезультаты этих экспериментов.Характеристики токамака Т-11М, система диагностики, а также методикаэкспериментов с литиевыми лимитерами будут подробно описаны в главе 2.Конструкция литиевого лимитера, использующегося в экспериментах натокамаке Т-11М показан на Рисунке 1.7.26При температуре лития от 20 до 600ºС не наблюдалось никакиханомальных "выбросов"литиевоголиниивплазмуразряда. В процессе нагревалимитера в излучении пристеночной плазмы стали появлятьсялитияинтегральнойлития(670,8нм).