Диссертация (1137074), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Изменение эмиссии лития из литиевого лимитера в течениеэкспериментальной кампании. + – эмиссия лития, ■ – эмиссия водорода1194.2. Исследование захвата примесей литиевыми КПС в условияхтокамака4.2.1. Постановка экспериментаДля получения предварительной информации о миграции примесей вплазменной камере Т-11М при проведении экспериментов с литиевымилимитерами в токамаке были экспонированы образцы сетки из нержавеющейстали собирающих элементов кольцевого лимитера.
Образцы размером 40×45мм, предварительно смоченные литием в аргонно-вакуумном перчаточномбоксе (Рисунок 4.2), экспонировались в течение ~200 плазменных разрядов внепосредственной близости от литиевого лимитера. После извлечения изплазменной камеры токамака образцы были прогреты на воздухе для переводанаходящегося на них лития и, возможно, перенесенных из плазменной камерыдругих элементов в нейтральную форму (Рисунок 4.3).Образцы сетки, смоченные литиемРисунок 4.2. Образец сетки, смоченной литием, в аргонно-вакуумномперчаточном боксе120бавРисунок 4.3.
Образцы сетчатого материала: а – после извлечения изтокамака; б – после дополнительного прогрева на воздухе; в – образецсетчатого материала, отобранный для анализаПосле прогрева образцов цвет поверхности трансформировался из серогов желто-зеленый. Для карбоната лития Li2CO3, который должен былобразоваться при прогреве, характерен белый цвет и, следовательно, наличиеокраски поверхностной пленки образца свидетельствует о присутствии в нейдополнительных примесных элементов.
Для исследования элементного состававзятого образца (Рисунок 4.3в) был использован растровый электронныймикроскоп, оснащенный энергодисперсионным рентгеновским анализатором,позволяющим определять содержание химических элементов, начиная от бораи до урана. Чувствительность метода составляла ~10-3% и точность — ±0,01%по массе.1214.2.2. Результаты химического анализа поверхности образцаТипичный вид поверхности анализируемого образца показан на Рисунке4.4.
На Рисунке 4.5 показаны изображения пяти произвольно выбранныхобластей поверхности анализируемого образца и в Таблицах 11 – 13 результатыхимического анализа поверхности образца, усредненного по площади (области1, 2 и 3) и локального в выбранных точках (области 4 и 5).Рисунок4.4.поверхностиРастровоеобразцаэлектронно-микроскопическоесетчатогоматериала,пропитанногоизображениелитиемиподвергнутого прогреву на воздухе после экспозиции в камере токамака Т-11МОбласть №1Область №2122Область №4Область №3312Область №5321Рисунок 4.5. Электронное изображение разных областей поверхностианализируемого образца (в рамках – анализируемая поверхность)Таблица 11.Усредненный по площади химический составобластей 1, 2, 3 анализируемого образцаЭлементСодержание, %Область 1Область 2Область 3C26,0322,4124,27O68,9974,4572,79Na0,200,060,05Al0,050,000,00Si0,160,080,07Cl0,160,000,05K0,180,000,11Cr3,391,932,37Ba0,841,070,29123Таблица 12.Химический состав выделений в области 4 анализируемого образцаЭлементСодержание, %Выделение №1Выделение №2Выделение №3C20,6920,7320,12O68,2763,1266,85Na0,210,110,17Si0,050,060,06Cl0,120,000,27K0,580,110,49Cr9,635,3811,27Ba0,4610,500,77Таблица 13.Химический состав выделений в области 5 анализируемого образцаЭлементСодержание, %Выделение №1Выделение №2Выделение №3C20,3920,7321,12O60,4859,9060,96Na0,110,090,13Si0,150,050,09Cl0,050,050,07K0,110,070,12Cr6,186,166,10Ba12,5312,9411,41Во всех случаях основными по количеству в анализируемой пленкеявляются кислород и углерод в соотношении ~ 1/3.
Это приблизительно124соответствует соотношению этих компонентов в соединении Li2CO3, которое идолжно составлять основу пленки на поверхности собирающего элемента.Примеси Na, K, Si в зафиксированных количествах соответствуют ихсодержанию в используемом в экспериментах электролитическом литии маркиЛЭ-1.На поверхности пленки обнаружено значительное содержание хрома —несколько процентов, локализованного в отдельных частицах. Проведенноеисследование показало, что по мере приближения по сколу анализируемойпленки к поверхности сетки из нержавеющей стали содержание хромаувеличивается, и кроме него появляются железо и никель, являющиесяосновными компонентами сетки — подложки.
Это позволяет сделать вывод,что наличие этих элементов (Cr, Fe, Ni) в пленке является следствиемкоррозионного взаимодействия гидратированных продуктов взаимодействиялития с воздухом при прогреве образцов и к миграции примесей в камеретокамака не имеет отношения. Происхождение примеси бария, содержаниекоторого в выделениях достигает более 10 % на настоящий момент неустановлено.Таким образом, по полученным данным в камере токамака при литиевыхэкспериментах примесные элементы (кроме примеси лития) не мигрируют и,следовательно, не будут искажать анализируемые процессы транспорта литияпри экспериментах с кольцевой собирающей диафрагмой.4.3.
Исследования транспортировки лития в экспериментах скольцевым лимитеромЦель данного исследования — определение абсолютных значенийполногопотокалития,эмитированноговплазмугорячейзонойгоризонтального рельсового лимитера в процессе разряда, оценка радиальногопотока лития от лимитера к стенке токамака, выделение из этого потока доли,собираемой холодной (боковой) частью литиевого лимитера и доли,125достигающей стенки. Знание этих потоков по отдельности позволяет оценитьциркулирующую часть литиевого потока лимитер-плазма в реальных условияхТ-11М [69].4.3.1.
Размещение лимитеров и методика проведения экспериментовСхема расположения лимитеров токамака Т-11М и диагностическихустройств, использовавшихся в экспериментах, показана на Рисунках 2.2, 3.1. Вданной серии экспериментов использовались кольцевой, горизонтальный играфитовый лимитеры.Миграция лития в SOL и его сбор лимитерами были изучены методомрегистрации интенсивности рекомбинационного излучения лития, приходящегона поверхность подвижного графитового лимитера, нагретого до 400°C, а такжеспомощьюмассовогохимическогоанализаобразцов-свидетелей,расположенных на собирающих поверхностях лимитеров.4.3.2.
Определение циркуляционной части литиевого потокаНа Рисунке 4.6 показаны все характерные потоки лития, имеющие местов процессе плазменного разряда. На Рисунке 4.6а случай без кольцевоголимитера, на Рисунке 4.6б — с ним. На Рисунке 4.6: 1 — первичный потоклития от горизонтального лимитера в плазму, 2 — циркуляционный(вторичный)потокплазма-лимитер-плазма(отражениелитияисамораспыление), 3 — поток лития на боковые поверхности горизонтальноголимитера, 4 — поток лития на стенку камеры, 5 — обратный поток лития состенки в плазму и на кольцевой лимитер, 3R — поток из плазмы на кольцевойлимитер.Метод интенсивности рекомбинационного излучения может дать толькоотносительное радиальное (по малому радиусу) распределение продольныхлитиевых потоков.
Для получения абсолютных значений потоков необходимо126измерить количество лития, собранного некоторым коллектором, находящемсяв SOL, гарантированно пересекающим определённую область магнитныхповерхностей. Таким коллектором стал созданный кольцевой лимитер,помещённый в тень горизонтального литиевого лимитера.R-лимитерПЛАЗМАПЛАЗМАабРисунок 4.6.
Схема циркуляционных потоков лития близ горизонтальноголитиевого лимитера (а) и горизонтального вместе с кольцевым (б)Абсолютнаякалибровкаосуществляласьсравнениемрезультатовабсолютных измерений массы лития (методом массового химического анализа),накопленного на кольцевом лимитере Т-11М в ходе 1000 разрядных импульсов,с результатами относительных измерений методом рекомбинационной мишени.На Рисунке 4.7 представлены распределения литиевых потоков дляслучаев без (I) и с (II) кольцевым лимитером.
В случае I имеет местоэкспоненциальный спад интенсивности рекомбинационного излучения (а,следовательно, и потока лития). В случае же II поток лития спадает по кусочноэкспоненциальномузаконусхарактерным«изломом».Приr<22смзависимости примерно одинаковые, при r>22 см кривая II резко уходит вниз.Такое поведение полученных кривых объясняется захватом лития кольцевымлимитером. Анализ показывает, что если принять во внимание причину излома127кривой II, то интегрированием по r можно вычислить общую сумму лития,собранного кольцевым лимитером (потоки 3R+5, Рисунок 4.6б) по отношениюк полному количеству лития (1+2, Рисунок 4.6) циркулирующего в SOL (r = 22– 19 см).
Отношение составляет 0,12.Рисунок 4.7. Радиальные распределения литиевых потоков с кольцевымколлектором (II) и без него (I)Циркуляционная часть (поток 2), которая охлаждает периферию плазмынекорональным излучением, составляет разность между потоками (1+2) и(3+3R). В течение экспериментальной кампании в 1000 разрядов кольцевымлимитеромбылособрано120±10мглития,боковымистенкамигоризонтального лимитера — 100±10 мг. Таким образом, полное количестволития примерно равно 1 г, количество лития, вовлечённого в циркуляционнуюпетлю — 800 г. Иными словами циркуляционная часть литиевого потокасоставляет 80% от всего количества лития. Литиевый поток на стенку камеры(поток 4) в квазистационарной фазе разряда Т-11M с обычной лимитернойгеометрией приблизительно составил 10 % от полного количества лития ипримерно 1 % с кольцевым лимитером.1284.3.3.
Определение литиевого потока со стенки камеры в плазменныйшнурДля оценки роли литиевого потока со стенки камеры в плазменный шнур(Рисунок 4.6б, поток 5) в Т-11M был выполнен дополнительный эксперимент скольцевым лимитером. Суть эксперимента заключалась в замене литиевогорельсового лимитера на основе КПС на идентичный рельсовый графитовыйлимитер. Поскольку горизонтальный литиевый лимитер был удален ввакуумный порт, единственным источником лития была стенка камеры,покрытая 20 г лития (в результате предыдущих экспериментальныхкампаний).
Кампания из 400 выстрелов показала, что интенсивность литиевойэмиссии со стенки камеры в плазменный шнур (5) была в экспериментах Т11M не больше 10 % от первичного литиевого потока (1), удалось собрать всеголишь 8,6 мг лития. Это подтверждает предположение, что основной сбор литияпроисходит именно с лимитера, а не со стенки токамака.4.3.4. Определение азимутального распределения осаждённого литияна кольцевой лимитерПрименение в экспериментах кольцевого лимитера также позволилополучить азимутальное распределение осаждённого лития на кольцевойлимитер. На Рисунке 4.8а показаны распределения лития по азимуту на ионнойстороне (слева) и на электронной стороне (справа) кольцевого лимитера. ИзРисунка видно, что на внутреннем обводе тора имеет место увеличениеплотности осаждения лития.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
