На правах рукописи САФРОНОВ ВАЛЕРИЙ МИХАЙЛОВИЧ КОМПЛЕКСНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ
advertisement
На правах рукописи САФРОНОВ ВАЛЕРИЙ МИХАЙЛОВИЧ КОМПЛЕКСНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ МОЩНЫХ ПОТОКОВ ПЛАЗМЫ С МАТЕРИАЛАМИ ТЕРМОЯДЕРНЫХ УСТАНОВОК Специальность 01.04.08 — «Физика плазмы» Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук Троицк – 2012 Работа выполнена в ФГУП «Государственный научный центр Российской Федерации Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований». Официальные оппоненты: Малюта Дмитрий Дмитриевич - доктор физико-математических наук, профессор, Государственный научный центр Российской Федерации Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований, директор отделения Мартыненко Юрий Владимирович - доктор физико-математических наук, НИЦ «Курчатовский институт», главный научный сотрудник Шарапов Валерий Михайлович - доктор физико-математических наук, ФГБУН Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН, ведущий научный сотрудник Ведущая организация: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский ядерный университет «Московский инженерно-физический институт» Защита состоится «____» _____________ 2012 г. в _____ час. _____ мин. на заседании диссертационного совета ДС 201.004.01 в Государственном научном центре Российской Федерации Троицком институте инновационных и термоядерных исследований (ГНЦ РФ ТРИНИТИ) по адресу: 142190, Московская область, г. Троицк, ул. Пушковых, владение 12. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ ТРИНИТИ. Автореферат разослан «____» _______________ 2012 г. Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук А. А. Ежов ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Перспективы развития плазменных технологий и создание крупномасштабных термоядерных установок требуют разработки физических моделей, адекватно описывающих взаимодействие мощных потоков плазмы с конструкционными материалами. Для построения таких моделей требуется изучение не только конечных результатов взаимодействия но, главным образом, физических процессов, имеющих место быть при облучении материалов плазмой. Основная сложность заключается в необходимости учета одновременного действия большого количества взаимозависимых процессов. Физические процессы, развивающиеся при облучении материалов плазмой, настолько многообразны и так чувствительны к изменению условий облучения, что они не могут быть описаны в рамках одной модели и, соответственно, не имеет смысла говорить о разработке всеобъемлющей модели взаимодействия. Задача состоит в изучении физической картины взаимодействия для определенного диапазона параметров, представляющих наибольший практический интерес. Одним из наиболее важных параметров является поток энергии w, поступающий на поверхность материала. Для любого материала существует предельный поток wmax, который может отводиться от облучаемой поверхности вглубь материала за счет теплопроводности: ρκc (Tmax T0 ) (1) π t где k- коэффициент теплопроводности, c - удельная теплоемкость, - массовая плотность, Tmax - максимально возможная температура поверхности материала (это может быть температура кипения или сублимации), t - момент времени от начала воздействия на материал. Например, при t = 1 мкс для вольфрама wmax = 10 МВт/cм2, меди wmax = 5 МВт/cм2, графита wmax = 2 МВт/cм2, стали wmax = 1,5 МВт/cм2. В настоящей работе исследовались такие режимы взаимодействия плазмы с материалами, когда w > wmax. В этом случае падающий на поверхность поток энергии не может полностью отводиться вглубь материала; в результате, поверхностный слой материала испаряется, ионизуется, и образуется плотный слой мишенной плазмы, экранирующий поверхность от прямого воздействия высокоэнергетичной плазмы. После формирования экранирующего слоя тепловое воздействие плазмы на мишень определяется процессами передачи энергии в слое. При этом часть энергии вообще не доходит до поверхности материала и рассеивается в виде излучения мишенной плазмы. В результате, тепловая нагрузка на мишень может существенно снижаться. Эффект экранировки наблюдался во многих плазменных экспериментах, однако до начала исследований, выполненных в данной работе, эффект практически не w max (t) 3 изучался и надёжных сведений о свойствах экранирующего слоя и процессах вблизи облучаемой поверхности не существовало. Экранирующий слой оказывает определяющее влияние на взаимодействие мощных потоков плазмы с твердотельными мишенями. Поэтому изучение физической картины взаимодействия плазмы с материалом при w > wmax - это не только исследование процессов, происходящих на поверхности и внутри облучаемого материала, но, прежде всего, это изучение процессов, развивающихся в экранирующем слое перед поверхностью материала. - - - Актуальность исследований обусловлены рядом причин: Для обоснованного выбора материалов и конструкции первой стенки экспериментального термоядерного реактора ИТЭР необходимы достоверные сведения о том, что будет происходить с материалами первой стенки при срывах тока, сопровождающихся выбросом высокоэнергетичной плазмы на стенки камеры, когда тепловые потоки достигают уровня w = 1 100 МВт/см2 [1,2]. Исследования, выполненные в рамках данной работы, были нацелены в первую очередь на решение этой задачи. Исследование механизмов и эффективности передачи энергии из плазмы на поверхность материала, а также изучение процессов, развивающихся в поверхностном слое облучаемого материала, необходимы для разработки физических основ плазменных технологий, в которых мощные потоки плазмы применяются для упрочнения поверхности конструкционных материалов. В ходе исследований было обнаружено, что облако мишенной плазмы, которое образуется при облучении материалов интенсивными плазменными потоками, эффективно преобразует энергию плазменного потока в коротковолновое излучение. Обнаруженный эффект открывает новые возможности в создании мощных источников коротковолнового излучения на основе взаимодействия плазменных потоков с материалами. Цель данной работы состояла в проведении комплексных исследований взаимодействия импульсных потоков высокотемпературной водородной плазмы с конструкционными материалами при интенсивностях плазменных потоков 1 - 100 МВт/см2. - Основные задачи, решаемые в рамках указанной цели. Создание необходимой экспериментальной базы и получение потоков плазмы с параметрами, характерными для срывов тока в ИТЭР. Создание диагностического комплекса для изучения свойств экранирующего слоя (плотность плазмы, температура, химический состав, ионизационное состояние, радиационные потери и т.д.) и анализа 4 - результатов плазменного воздействия на облучаемые материалы (механизмы эрозии, продукты эрозии, суммарная эрозия). Исследование основных физических процессов, имеющих место при взаимодействии мощных потоков плазмы с материалами. Получение ключевых экспериментальных данных для разработки и совершенствования расчетно-теоретических моделей взаимодействия. Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что - впервые подробно исследованы не только конечные результаты воздействия мощного потока плазмы на материал (эрозия, продукты эрозии и т.п.), но также и сам процесс взаимодействия при интенсивности плазменных потоков 1 - 100 МВт/см2; - впервые проведены исследования полного баланса энергии и показано, что из-за эффекта экранировки до поверхности мишени доходит лишь незначительная доля энергии потока, а основная часть энергии рассеивается в виде излучения мишенной плазмы; - впервые, с использованием надежных средств диагностики, проведены измерения основных параметров мишенной плазмы, образующейся при взаимодействии мощного потока высокотемпературной плазмы с твердотельными материалами. В частности, экспериментально доказано, что при сравнительно небольшой интенсивности плазменного потока w = 10 МВт/см2 мишенная плазма может быть нагрета до температуры Т = 40 – 70 эВ, причем, высокая температура плазмы сохраняется даже на расстояниях меньше 1 см от поверхности мишени; - впервые детально исследованы излучательные характеристики образующейся мишенной плазмы и показано, что мишенная плазма излучает преимущественно в интервале длин волн = 30 - 300 Å и, таким образом, экранирующий слой является источником мощного коротковолнолнового излучения. Научная и практическая ценность работы. Представленные в диссертационной работе исследования были организованы в рамках официальной задачи ИТЭР «Срывная эрозия» (”Disruption erosion”) и были нацелены, прежде всего, на решение этой конкретной задачи. Однако ценность полученных результатов не ограничивается только лишь рамками этой задачи. - Полученные в диссертационной работе экспериментальные данные были использованы для разработки и совершенствования расчётных кодов FOREV-1D [3], FOREV-2D [4], MEMOS [5], PEGASUS-3D [6] и A*THERMAL-S [7], применяемых для моделирования процессов в 5 - - - - - - диверторе токамака-реактора при срывах тока и экстраполяции результатов экспериментальных исследований на условия ИТЭР. В результате проведенных исследований было показано, что из-за эффекта экранировки испарение материалов не представляет серьезной угрозы с точки зрения эрозии и разрушения облучаемых плазмой элементов дивертора. Реальную угрозу представляют макроскопические механизмы эрозии, именно эти механизмы будут определять время жизни элементов дивертора, а также количество материальной пыли, накапливающейся в вакуумной камере ИТЭР. Стало понятно, что при выборе материала диверторных пластин необходимо принимать во внимание специфические особенности экранирующего слоя конкретного материала. При использовании тяжелых материалов (вольфрам) элементы дивертора, попадающие под действие интенсивного излучения мишенной плазмы, также нужно изготавливать из материалов, способных выдерживать высокие тепловые нагрузки. В случае легких материалов (графит) нужно учитывать, что быстро расширяющаяся мишенная плазма может попадать в основную камеру, что приведет к постепенному запылению внутренней поверхности камеры материалом пластин. Экспериментально обнаруженные особенности в эрозии углеграфитовых композитов, а именно тот факт, что большая скорость эрозии вспомогательных PAN волокон определяет эрозию всего материала в целом, позволили сформулировать практические предложения по улучшению свойств С-С композита за счет изменения ориентации PAN волокон. Обнаруженная в ходе исследований возможность нагрева экранирующего слоя мишенной плазмы до сравнительно большой температуры и высокая эффективность преобразования энергии плазменного потока в излучение открывают новые возможности в создании мощных источников коротковолнового излучения на основе взаимодействия плазменных потоков с материалами. При этом, меняя материал мишени, можно управлять спектром излучения и его пространственным профилем. Возможность прямых измерений температуры, плотности и одновременно с этим спектра излучения плазмы любого твердотельного материала представляет самостоятельный научный интерес, так как эти данные могут быть использованы (и уже используются) для разработки и уточнения соответствующих моделей излучения. Сведения о механизмах и эффективности передачи энергии из плазмы на поверхность материала, а также основных процессах, развивающихся в поверхностном слое облучаемого материала, представляют несомненную ценность для создания физической основы плазменных технологий, в 6 которых мощные потоки плазмы применяются для обработки поверхности конструкционных материалов. На защиту выносится 1. Создание плазменной установки MK-200UG и получение потоков высокотемпературной замагниченной водородной плазмы с направленной энергией ионов Ei = 2-3 кэВ, температурой T ≈ 1 кэВ, средней плотностью энергии q = 1,5 кДж/см2, интенсивностью до w = 50 - 100 МВт/см2 и полным энергосодержанием до Q = 50 кДж в магнитном поле В = 2 – 3 Т для экспериментального моделирования плазменных нагрузок в диверторе ИТЭР при срывах тока. 2. Создание диагностического комплекса для изучения основных характеристик экранирующего слоя плазмы (плотность, температура, химический состав, ионизационное состояние, радиационные потери и т.д.), а также результатов воздействия плазменного потока на облучаемые материалы (механизмы эрозии, продукты эрозии, суммарная эрозия). 3. Результаты исследования эффекта экранировки и вывод о том, что при взаимодействии мощного потока плазмы с твердотельной мишенью в условиях, когда поступающий на поверхность поток энергии не может полностью отводиться вглубь облучаемого материала за счет теплопроводности, эффект экранировки играет принципиальную роль и в значительной степени определяет как динамику процесса взаимодействия, так и его конечные результаты. В частности, из-за эффекта экранировки существенно уменьшается эрозия материала. 4. Экспериментальные данные о формировании экранирующего слоя, свидетельствующие о том, что воздействие мощного потока плазмы приводит к быстрому испарению и ионизации тонкого слоя материала мишени. В результате, образуется облако плотной (n > 1017 см-3) мишенной плазмы, которое экранирует поверхность от прямого воздействия плазменного потока: поток тормозится в мишенной плазме и не доходит до поверхности. При интенсивности плазменного потока w 10 МВт/см2 экранирующий слой формируется за 1-2 мкс, т.е. за сравнительно короткий промежуток времени, после чего устанавливается квазистационарная стадия взаимодействия, когда тепловое воздействие на материал определяется процессами передачи энергии в экранирующем слое. 5. Создание экспериментальной базы данных для разработки и проверки расчетно-теоретических моделей взаимодействия мощных потоков плазмы с конструкционными материалами. Результаты измерений плотности, 7 температуры, ионизационного состояния, а также их пространственного распределения и временной эволюции для ряда материалов, в том числе, для углеграфитов и вольфрама, которые считаются основными теплозащитными материалами для дивертора ИТЭР. Экспериментальное доказательство возможности нагрева мишенной плазмы до температуры Те = 40 – 70 эВ при интенсивности плазменного потока w = 10 МВт/см2. 6. Анализ механизмов переноса энергии в экранирующем слое и вывод о том, что для материалов с высоким Z (медь, сталь, молибден, вольфрам) энергия доставляется на поверхность, в основном, за счет излучения, а для материалов с малым Z (графит, C-C композит, оргстекло, нитрид бора) существенную роль играет продольная электронная теплопроводность. 7. Экспериментальные данные о влиянии магнитного поля на движение мишенной плазмы и эффективность экранировки поверхности: - при нормальном падении плазменного потока на мишень магнитное поле (перпендикулярное поверхности мишени) ограничивает расширение экранирующего слоя поперек силовых линий. В результате устанавливается практически одномерное течение эрозионной плазмы вдоль силовых линий магнитного поля навстречу потоку. Вся масса испаренного вещества участвует в экранировке поверхности и, таким образом, достигается максимальная эффективность экранировки; - при наклонном падении потока на поверхность, часть мишенной плазмы сносится по наклонной поверхности вниз по потоку, что может приводить к потере испаренного вещества и снижению экранировки. 8. Результаты исследования баланса энергии и вывод об определяющей роли радиационных потерь: энергия плазменного потока поглощается экранирующим слоем, и основная её часть трансформируется в излучение мишенной плазмы, причем, доля энергии, рассеиваемой в виде излучения, растет с ростом интенсивности плазменного потока. 9. Экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что экранирующий слой эффективно защищает облучаемый материал от испарения. В условиях проведенных экспериментов на испарение расходовалось не более 1 - 2% энергии плазменного потока. Доля энергии, расходуемой на испарение материала, уменьшается с ростом интенсивности плазменного потока. 10. Анализ излучательных характеристик мишенной плазмы и вывод о том, что экранирующий слой трансформирует энергию плазменного потока преимущественно в коротковолновое излучение ( < 400 Å) мишенной плазмы. Вывод о возможности создания мощных источников 8 коротковолнового излучения на основе взаимодействия плазменного потока с твердотельной мишенью. 11. Результаты исследований эрозии материалов под действием излучения, выходящего из экранирующего слоя. Практические рекомендации относительно выбора материалов для дивертора ИТЭР. 12. Экспериментально обнаруженные различия в свойствах экранирующего слоя углеграфитовых и вольфрамовой мишеней и вывод о необходимости учета этих особенностей при выборе материала для диверторных пластин ИТЭР. При выборе вольфрама необходимо принять во внимание, что все элементы дивертора, попадающие под действие интенсивного излучения экранирующего слоя, нужно изготавливать из теплостойких материалов. При выборе углеграфитовых материалов следует учесть, что быстро расширяющаяся мишенная плазма может попадать в основную камеру, что приведет к постепенному запылению поверхности камеры углеродом. 13. Результаты исследования эрозии углеграфитовых материалов: - графит и С-С композиты эродируют в виде пара и в виде твердых осколков, образующихся вследствие хрупкого разрушения материала; - в случае хрупкого разрушения мелкозернистого графита образуются гранулы микронного размера. Эти гранулы полностью испаряются вблизи поверхности, что приводит к росту плотности мишенной плазмы и усилению эффекта экранировки; - хрупкое разрушение углеграфитового композита происходит не только в виде мелких частиц, но и в виде крупных осколков размером 100 - 200 мкм. Из-за хрупкого разрушения поверхность С-С композита растрескивается. Трещины образуются на границах между продольными пучками волокон (PAN-волокна, ориентированные вдоль поверхности) и поперечными (pitchволокна, перпендикулярные поверхности), т.е. в тех местах, где возникают максимальные термические напряжения; - С-С композит имеет серьезный недостаток, заключающийся в том, что скорость его эрозии определяется эрозией вспомогательных PAN волокон, использующихся лишь для того, чтобы соединить друг с другом основные pitch-волокна, обладающие высокой теплопроводностью; - эрозия С-С композита растет с количеством плазменных облучений и через 100-200 облучений сравнивается с эрозией обычного мелкозернистого графита. При плазменных нагрузках, характерных для срывов тока в ИТЭР, дорогостоящий С-С композит не имеет существенных преимуществ по сравнению с обычным графитом. 14. Результаты исследования механизмов эрозии металлических мишеней: 9 - при облучении металлической мишени мощным потоком плазмы образуется слой расплава, который под действием потока перемещается по поверхности мишени от центра к периферии. В результате, в центральной части мишени образуется кратер эрозии. Глубина кратера растет пропорционально количеству плазменных облучений; - перемещение расплава по поверхности мишени является универсальным механизмом эрозии для любого металла и вносит основной вклад в результирующую эрозию металлических мишеней; - испарение, а также инжекция капель, обусловленная кипением расплава и развитием в нем гидродинамических неустойчивостей, оказывает незначительное влияние на результирующую эрозию металла, но определяет количество металлической пыли, накапливающейся в вакуумной камере. Апробация работы. Результаты, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях: - Всесоюзная конференция по плазменным ускорителям и ионным инжекторам (Москва 1982, Днепропетровск 1986, Харьков 1989); - 1-ый Всесоюзный Симпозиум по Радиационной Плазмодинамике (ДжанТуган 1989); - 4-ая Всесоюзная конференция “Взаимодействие излучения, плазменных и ионных потоков с веществом“ (Фрунзе 1990); - Symposium on Fusion Technology (SOFT-17, Rome 1992; SOFT-18, Karlsruhe 1994; SOFT-19, Lisboa 1996; SOFT-20, Marseille 1998, SOFT-25, Rostock 2008); - 2nd German-Russian Conference on Propulsion Engines and Their Technical Application (Moscow 1993); - 21st International Conference on Phenomenon in Ionized Gases (Bochum 1993); - 22nd IEEE International Plasma Science (Madison 1995); - European Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics (Dubrovnic 1988, Montpellier 1994, Bournemouth 1995, Prague 1998, Maastricht 1999, Warsaw 2007); - Международная Конференция “Взаимодействие инов с поверхностью“ (Москва 1995, 1997); - International Conference on Open Magnetic Systems for Plasma Confinement (OS-98, Novosibirsk 1998); - International Congress on Plasma Physics (Prague 1998); - 5th International Symposium on Fusion Nuclear Technology (Rome 1999); - 16-ая Международная Конференция “Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество“ (Нальчик 2001); - International Conference on Plasma-Surface Interaction in Controlled Fusion Devices (PSI-11, Mito 1994; PSI-12, Saint-Raphael 1996; PSI-13, San-Diego 1998; PSI-14, Rosenheim 2000, PSI-16, Portland 2004); 10 - IAEA Conference on Fusion Energy (Vilamura 2004, Chengdu 2006, Geneva 2008); - International Conference on Fusion Reactor Materials (ICFRM-6, Stresa 1993; ICFRM-7, Obninsk 1995; ICFRM-9, Colorado Springs 1999; ICFRM-10, BadenBaden 2001; ICFRM-11, Kyoto 2003; ICFRM-13, Nice 2007); - ITER Workshop on Disruption Erosion (San Diego 1991; Karlsruhe 1994; Obninsk 1995; St.-Petersburg 1997, 2001; Troitsk 1996, 1998, 2000; 2002, 2003, 2004); - International Conference and School on Plasma Physics and Controlled Fusion (Alushta, 1998, 2000, 2002, 2004, 2006, 2008, 2010); - International Workshop on Plasma-Facing Materials and Components for Fusion Applications (Julich 2003, Greifswald 2006, Julich 2009); - Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС (Звенигород 1993-2012); Публикации. По теме диссертации опубликовано более 80 научных работ, из них 33 статьи опубликованы в рецензируемых журналах, входящих в список ВАК. Личный вклад автора в научные исследования и получение представленных в работе результатов состоит в выработке программ исследований и постановке экспериментов, непосредственном участии в создании установки МК-200 UG, организации и проведении экспериментов, а также в обсуждении результатов и анализе физических механизмов, характеризующих процессы, происходящие перед поверхностью, на поверхности и внутри облучаемого плазмой материала. Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, включающего 243 названия, из которых 85 работ автора. Диссертация изложена на 245 страницах машинописного текста, содержит 94 рисунка и 5 таблиц. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во Введении дана общая характеристика работы. Обоснована актуальность темы, сформулирована цель исследований, научная новизна, научная и практическая ценность. Представлены защищаемые положения. Дана информация об апробации работы, публикациях и структуре диссертации. Приведено краткое содержание диссертационной работы. В первой главе обсуждаются задачи экспериментального моделирования взаимодействия плазмы с диверторными пластинами ИТЭР при срывах тока, а также методы, которые применялись в работе для решения поставленных задач. Отмечается, что плазменные нагрузки, которые ожидаются в ИТЭР, в существующих токамаках не достигаются, поэтому для экспериментального моделирования условий срыва тока и испытания диверторных материалов 11 необходимо применять другие установки, например, плазменные ускорители, которые способны обеспечить требуемые энергетические нагрузки [8, 9]. Поскольку результаты облучения материала зависят от характеристик бомбардирующего потока, в модельных экспериментах следует воспроизводить те параметры плазмы, которые будут достигаться при срывах тока в ИТЭР. Однако эти параметры известны с большой степенью неопределенности и нет смысла говорить о точном экспериментальном моделировании условий срыва. В сложившейся ситуации задача экспериментальных исследований формулируется следующим образом: изучение основных физических закономерностей взаимодействия мощных потоков плазмы с веществом в условиях, «максимально приближенных» к условиям срыва тока в ИТЭР. Несмотря на то, что конечной целью является определение эрозии диверторных материалов, нельзя ограничивать экспериментальные исследования только лишь измерениями эрозии. Без понимания физической картины взаимодействия мощных потоков плазмы с веществом невозможно экстраполировать величину эрозии, полученную в условиях конкретного эксперимента, на условия ИТЭР. В этой же главе представлены схемы плазменных установок, на которых проводились исследования. Приведены характеристики потоков плазмы. Анализируются достоинства и недостатки установок с точки зрения моделирования условий срыва в ИТЭР. Обсуждаются задачи, которые могут быть решены на каждой из установок. Рис. 1. Схема магнитной ловушки 1 - магнитные катушки; 2 – вакуумная камера; 3 – поток замагниченной плазмы, вытекающий из ловушки; 4 – силовые линии магнитного поля; 5 – высокотемпературная плазма с = 1; 6 – мишень на держателе Первые эксперименты по моделированию взаимодействия потока плазмы с диверторными пластинами ИТЭР были проведены на установке МК200TRAP. Установка состоит из двух мощных импульсных плазменных 12 ускорителей, установленных навстречу друг другу, и открытой магнитной ловушки (рис.1), располагающейся между ускорителей. Заполнение ловушки плазмой осуществляется через открытые торцы при помощи плазменных ускорителей. Летящие навстречу друг другу плазменные потоки сталкиваются, в результате, кинетическая энергия сгустков трансформируется в тепловую энергию и в ловушке образуется высокотемпературная «стационарная» плазма с плотностью n = (1-2) 1016 см-3, температурой Te = 200 - 300 эВ, Ti = 700 - 800 эВ и энергосодержанием около 50 кДж. Плазма полностью вытесняет магнитное поле в зазор между плазмой и металлической стенкой камеры, т.е. магнитное поле в высокотемпературной плазме отсутствует и = nk(Ti + Te)/(B2/8) = 1. Основным механизмом энергетических потерь плазмы из ловушки является уход частиц через кольцевые щели. Высокотемпературная плазма с = 1 диффундирует поперек силовых линий магнитного поля, попадает в скинслой и затем покидает ловушку вдоль силовых линий магнитного поля. Таким образом, в кольцевой щели формируется поток высокотемпературной замагниченной плазмы. Плазма, вытекающая из кольцевой щели ловушки, использовалась для воздействия на исследуемые материалы. Максимальная интенсивность плазменного потока достигалась в щели каспа на расстоянии R = 16 – 18 см от оси системы, где силовые линии магнитного поля параллельны друг другу и плазменный поток хорошо сколлимирован (Таблица 1). Таблица 1. Параметры плазменного потока на установке МК-200 TRAP Плотность энергии qmax = 200 Дж/cм2 Плотность мощности wmax = 10 MВт/cм2 Длительность потока = 20 мкс Скорость плазменного потока V = (2-3) 107 см/с Плотность плазмы n = (5-10)1015 cм-3 Температура электронов Te = 120 эВ Температура ионов Ti = 600 эВ Величина = 0.2 Магнитное поле в плазме В = 2 Тл Ширина плазменного потока d = 1 см За счет перемещения исследуемого образца по радиусу каспа от R = 16 18 см до R = 33 см интенсивность плазменного воздействия можно варьировать в диапазоне w = 1 - 10 MВт/cм2. Причем, изменение w происходит за счет изменения плотности частиц, а их энергетический спектр остается практически неизменным. С точки зрения моделирования условий срыва к позитивным особенностям установки следует отнести требуемую интенсивность плазменного 13 потока (w = 10 MВт/cм2), наличие в плазме сильного магнитного поля (В = 2Тл), малое содержание примесей (<1%), а также сравнительно высокую температуру (Ti = 600 эВ), достаточную для того, чтобы плазменный поток был бесстолкновительным (как и поток, поступающий в дивертор ИТЭР при срывах тока). По крайней мере, в этом случае не возникает эффект «самоэкранировки», связанный с формированием ударной волны и торможением плазменного потока. Основным недостатком установки является малая длительность плазменного воздействия на мишень = 20 мкс. По этой причине на установке МК-200 TRAP целесообразно проводить эксперименты по моделированию и изучению взаимодействия плазмы с материалами на начальной стадии срыва. Следует отметить, что при облучении материалов плазменным потоком с интенсивностью w = 10 MВт/cм2 экранирующий слой образуется уже через 1-2 мкс, а потом наступает квазистационарная стадия взаимодействия. Следовательно, малая длительность плазменного импульса не является принципиальным ограничением для изучения экранирующего слоя. Исследования на установке МК-200 TRAP проводились до 1994 г., а затем она была демонтирована и на ее месте создана установка MK-200 UG (рис.2). На установке MK-200 UG удалось значительно увеличить интенсивность плазменного потока w по сравнению с MK-200 TRAP. Это позволило не только расширить диапазон тепловых нагрузок, но и приступить к экспериментам с наклонным падением плазмы на поверхность мишени, которые более точно воспроизводят ситуацию в диверторе ИТЭР. плазменный ускоритель пролетная камера, 9.5 м зона транспортировки зона сжатия 1 газ. клапан электроды магнитные катушки диагн. окна мишенная камера 2 мишень Рис. 2. Схема установки MK-200 UG Уровень мощности, достигнутый на MK-200 UG, достаточен для того, чтобы наклонные ( = 20 ) мишени облучались потоком энергии w sin ~ 10 MВт/cм2, характерным для срывов тока в ИТЭР [1, 2]. При этом увеличение интенсивности потока w достигнуто в основном за счет увеличения энергии ионов до уровня Ei = 2 - 3 кэВ, что также приближает условия модельного эксперимента к условиям токамака. 14 Диаметр плазменного потока dп = 6 - 7 см на MK-200 UG близок к ширине диверторного слоя плазмы d 10 см, ожидаемой при срывах тока. Это достаточно важно, т.к. существенную роль в процессе взаимодействия плазменного потока с материалом играет излучение мишенной плазмы, а оно зависит от размеров излучающей области. Характеристики плазменного потока, измеренные в мишенной камере, представлены в Таблице 2. Таблица 2. Параметры плазменного потока на установке МК-200 UG Плотность энергии q = 1,5 кДж/cм2 Плотность мощности w = 30 - 40 MВт/cм2 Длительность потока = 40 - 50 мкс Скорость плазменного потока V = (6-7) 107 см/с Плотность плазмы n = (2-6)1015 cм-3 Температура электронов Te = 100 - 200 эВ Температура ионов Ti 600 эВ Величина 0.3 Диаметр плазменного потока d = 6 - 7 см В этой же главе описываются средства диагностики. Отмечается, что для исследования основных характеристик плазмы и плазменных процессов, происходящих перед поверхностью облучаемого материала, был создан специализированный диагностический комплекс, в состав которого вошли такие методики, как лазерная интерферометрия, томсоновское лазерное рассеяние, оптическая и ВУФ спектроскопия, радиационная калориметрия и ряд других. Кроме того, в состав диагностического комплекса были включены методики, предназначенные для исследования результатов воздействия мощных плазменных потоков на изучаемый материал (измерения температуры облучаемой поверхности, измерения поглощенной энергии, исследования структуры облученной поверхности, изучение механизмов эрозии и продуктов эрозии). Вторая глава посвящена исследованиям формирования, динамики и структуры экранирующего слоя. Эти исследования должны были ответить на следующие вопросы: 1. За какое время формируется экранирующий слой? 2. Какова пространственная структура слоя? 3. Как зависят свойства слоя от материала мишени? 4. Влияет ли магнитное поле на динамику экранирующего слоя? 5. Как изменяются характеристики слоя в зависимости от интенсивности плазменного потока и угла падения потока на мишень? На рис. 3 представлены результаты интерферометрических измерений плотности nе в экранирующем слое графита. Видно, что к моменту t0 = 1,5 мкс 15 перед поверхностью мишени образуется слой плотной плазмы толщиной около 1 см. Слой расширяется вдоль силовых линий магнитного поля, а в поперечном направлении его размер существенно не меняется, оставаясь на уровне dс = 1 1,5 см, что соответствует ширине плазменного потока, падающего на мишень. Этот факт свидетельствует об одномерном характере динамики экранирующего слоя в присутствии сильного магнитного поля (В = 2 Тл). ne, 1017 см-3 ne, 1017 см-3 t0= 1.5 мкс 2.5 4.0 2.0 3.2 1.5 2.4 1.0 1.6 0.5 0.8 0.0 0 6 0.0 0 12 18 24 30 36 X, мм 42 48 t0= 6.6 мкс 6 0 6 12 18 24 30 36 42 12 18 24 30 36 X, мм 42 48 48 Y, мм 0 6 12 18 24 30 36 42 48 Y, мм Рис.3. Распределение плотности в экранирующем слое графитовой мишени на установке МК-200TRAP при интенсивности потока 10 МВт/см2 (X - координата перпендикулярная поверхности мишени; Y – координата параллельная поверхности; время от начала облучения t = t0 - , где = 0,6 – 0,7 мкс) Экранирующий слой графитовой мишени условно можно разделить на две области, отличающиеся по величине плотности плазмы. Первая, более плотная, непосредственно примыкает к поверхности мишени. Ее толщина составляет около 1 см, плотность достигает ne = 5 1017 см-3. Во второй области, т.н. плазменной короне, плотность плазмы значительно меньше и не превышает nе = 5 1016 см-3 за все время разряда. Толщину плазменной короны оценить не удается, так как ее передняя граница быстро выходит из поля зрения. Скорость переднего фронта составляет Vc = 4 106 см/с. На рис.4. представлены аналогичные данные для медной мишени. Как и в предыдущем случае, слой плотной мишенной плазмы формируется через t = t0 - 1 мкс после начала взаимодействия. На начальной стадии взаимодействия ( t0 = 1,5 – 1,7 мкс) распределение плотности nе(x,y) перед поверхностью обеих мишеней (рис.3 и рис.4) выглядит практически одинаково, но спустя короткий промежуток времени возникают явные различия. Основное отличие состоит в том, что экранирующий слой медной мишени расширяется вдоль силовых линий магнитного поля с существенно меньшей скоростью, чем экранирующий слой графитовой мишени. Скорость передней границы слоя медной мишенной плазмы составляет V = (2 – 3) 105 см/с. Плазменная корона не 16 образуется. Следует также отметить, что плотность экранирующего слоя медной мишени выше, чем графитовой, и достигает значения nе = 1,5 1018 см-3 вблизи поверхности. ne, 1017 см-3 ne, 1017 см-3 t0= 1.7 мкс 4.0 12.5 3.2 10.0 2.4 7.5 1.6 5.0 0.8 2.5 0.0 0 6 0.0 0 6 12 18 24 30 36 X, мм 42 48 0 6 12 18 24 30 36 42 48 Y, мм 12 18 24 30 36 X, мм 42 48 t0= 6.8 мкс 0 6 12 18 24 30 36 42 48 Y, мм Рис.4. Распределение плотности в экранирующем слое медной мишени Помимо графита и меди исследовались и другие материалы: оргстекло, кварц, нитрид бора, алюминий, титан, нержавеющая сталь, молибден и вольфрам. Выяснилось, что при интенсивности потока w = 10 MВт/cм2 для всех этих материалов за исключением вольфрама время формирования экранирующего слоя не превышает t = 1 мкс. Через 1 мкс (для вольфрама – 2-3 мкс) после начала облучения перед поверхностью образуется слой плазмы с плотностью ne 1017 см-3. В этот момент времени температура мишенной плазмы не превышает нескольких электрон-вольт. Плазменный поток, взаимодействуя с плотной пристеночной плазмой, начинает тормозиться. Торможение ионов водорода происходит в основном за счет столкновений с электронами пристеночной плазмы. При плотности электронов ne = 1017 см-3 и температуре Te = 1 эВ ионы тормозятся на длине [10]: 3/2 2.9 1013 E1/2 i Te 0,1 мм (2) λi ne т.е. на передней границе слоя. Таким образом, образующийся слой мишенной плазмы эффективно поглощает энергию плазменного потока и полностью экранирует поверхность материала от прямого воздействия высокоэнергетичной плазмы. C точки зрения различий в динамике экранирующего слоя все исследованные материалы можно разделить на две группы: материалы с высоким Z и материалы с низким Z. (Граничным элементом является алюминий.) Для мишеней, состоящих из легких элементов, т.е. элементов с малым Z, скорость расширения экранирующего слоя значительно выше, чем для тяжелых. Для таких материалов, как графит, оргстекло и нитрид бора 17 наблюдается формирование плазменной короны, которая распространяется от мишени навстречу плазменному потоку со скоростью Vc ≥ 106 см/с. Для тяжелых материалов (медь, нерж. сталь, молибден, вольфрам) экранирующий слой локализован в основном вблизи поверхности мишени. На рис.5. приведены результаты измерения плотности в экранирующем слое вольфрама. Видно, что толщина плотного слоя вольфрамовой плазмы сохраняется на уровне 1 см в течение всего процесса взаимодействия. ne, 1017 см-3 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0 3 9 6 12 15 18 21 t, мкс Рис.5. Динамика плотности в экранирующем слое вольфрама С ростом интенсивности потока w время нагрева поверхности материала до температуры интенсивного испарения Tv [11] уменьшается 2 π T T0 t v kcρ v (3) 4 w и экранирующий слой формируется быстрее. При интенсивности потока w 20 МВт/см2 для всех исследованных материалов, включая вольфрам, экранирующий слой образуется менее чем за 1 мкс. С ростом интенсивности w происходят изменения в структуре экранирующего слоя. Увеличивается ширина слоя и в слое появляются периферийные области, в которых плотность мишенной плазмы больше, чем в центре экранирующего слоя. Наиболее вероятной причиной формирования периферийных областей является излучение мишенной плазмы, которое вызывает испарение и ионизацию материала мишени за пределами зоны прямого воздействия плазменного потока. Последний раздел главы посвящен экспериментам с наклонным падением плазмы на поверхность мишени. В этих экспериментах было обнаружено, что мишенная плазма может перемещаться вниз по наклонной поверхности. Двигаясь по наклонной поверхности, мишенная плазма может вообще покинуть поверхность мишени и уйти за пределы мишени. Это видно на интерферограммах (рис.6), сделанных вблизи заднего торца мишени. 18 В момент времени t = 2,5 мкс искажение интерференционных полос наблюдается не только вблизи лицевой поверхности мишени, но и за ее пределами, что свидетельствует о том, что часть мишенной плазмы покидает поверхность мишени. Судя по локальному характеру искажения интерференционных полос за торцом мишени, мишенная плазма сносится с края мишени в виде узкой струи, направленной вдоль магнитного поля. t = 0 мкс t = 2,5 мкс поток плазмы поток мишенной плазмы графитовая мишень t = 8,5 мкс t = 38,5 мкс Рис.6. Интерферограммы экранирующего слоя на наклонной графитовой мишени (установка MK-200UG, время экспозиции кадра 0,5 мкс) Истечение плазмы из экранирующего слоя продолжается и в последующие моменты времени (t = 8,5; 32,5 мкс). Электронная концентрация в струе мишенной плазмы достигает максимальной величины ne = (2 - 3) 1017 см-3 к моменту t = 10 мкс, а затем сохраняется на этом уровне в течение всего процесса. Это означает, что происходит постоянный снос испаренного вещества с поверхности наклонной мишени. Такое поведение мишенной плазмы может привести к снижению количества испаренного вещества, участвующего в экранировке поверхности, и соответственно, к увеличению эрозии материала. В третьей главе анализируются основные характеристики экранирующего слоя. Приводятся сведения о химическом и ионизационном составе приповерхностной плазмы. Представлены результаты спектральных измерений (рис.7), свидетельствующие о том, что экранирующий слой состоит из смеси мишенной плазмы (образующейся в результате испарения и ионизации облучаемого материала) и водородной плазмы (приходящей в экранирующий слой с плазменным потоком). Обращается внимание на то, что 19 H 4861.5 200 150 444 250 WII 4478.8 WI 4482.9 WI 4499.4 WII 4496.9; 4500.2 отн. ед. 300 100 WI 4900.6 WI 4912.8 WI 4922.2; 4925.1 спектр излучения мишенной плазмы линейчатый. Это означает, что излучение экранирующего слоя нельзя описывать в приближении черного тела. 50 0 4480 4560 4640 4720 4800 4880 4960 длина волны , A Рис.7. Спектр излучения на расстоянии 0,5 см от поверхности вольфрамовой мишени (установка MK-200UG, тепловая плазменная нагрузка q = 1 кДж/см2) Излучение в оптическом диапазоне спектра наблюдается только вблизи мишени, а на расстояниях больше 1-2 см от облучаемой поверхности мишенная плазма излучает в основном в ВУФ диапазоне (рис.8,9). Измеренные спектры излучения указывают на то, что испаренный материал присутствует в экранирующем слое в виде высокоионизованных ионов. Например, экранирующий слой углеграфитовых мишеней состоит преимущественно из ионов С4+ и С5+, т.е. Не- и Н-подобных ионов углерода, что свидетельствует о достаточно высокой температуре экранирующего слоя. отн. ед. 1 CVI 33.7А CV 40.3А 0.8 неидентифицированный участок спектра CV 248А второй порядок CVI и CV 0.6 CV 227А 0.4 0.2 0 0 50 100 150 250 200 длина волны , А 300 Рис.8. Спектр излучения экранирующего слоя графита (установка MK-200 TRAP, интенсивность потока 10 МВт/см2, расстояние 2,5 см от мишени) 20 По отношению интенсивностей спектральных линий CV (40,3 Å) и CVI (33,7 Å) были сделаны оценки температуры в экранирующем слое: Т = 10 – 50 эВ на расстоянии х = 2 – 20 мм от мишени; Т > 50 эВ на расстоянии х > 20 мм. Рис.9. Спектр излучения экранирующего слоя вольфрама (установка MK-200 TRAP, w = 10 МВт/см2, х = 2 см от мишени) Спектральные линии вольфрама (рис.9) расположены настолько плотно, что сложно их идентифицировать. Однако, как и в случае углерода, спектр излучения вольфрама лежит в коротковолновом диапазоне, что также свидетельствует о высокой температуре экранирующего слоя. При помощи методики томсоновского лазерного рассеяния были сделаны прямые измерения температуры Te и плотности ne в экранирующем слое. На рис.10 а,б представлены результаты измерений Te и ne на расстоянии х = 3 см от графитовой мишени. Для сравнения на этих же рисунках приведены значения Te и ne, измеренные в той же точке, но в отсутствие мишени, т.е. в свободном плазменном потоке. В течение первых двух микросекунд характеристики плазмы перед графитовой мишенью остаются примерно такими же, как и в налетающем плазменном потоке: плотность n е = (3 - 4) 1015cм-3, температура Te = 120 эВ. Затем происходит резкий рост плотности перед мишенью (рис.10 б) и к моменту t 4 мкс значение nе увеличивается более чем в 10 раз по сравнению со свободным плазменным потоком. Это объясняется тем, что в точку измерения приходит углеродная мишенная плазма, распространяющаяся вдоль силовых линий магнитного поля от поверхности графита вверх по потоку. Температура мишенной плазмы ниже, чем температура налетающего плазменного потока, тем не менее, в течение первых 15 мкс она находится на достаточно высоком уровне и составляет Te = 60 – 100 эВ (рис.10а). Затем 21 начинается охлаждение углеродной плазмы: к моменту t = 20 мкс температура уменьшается до Те = 20 – 25 эВ, а к 30-й микросекунде спадает до нескольких электрон-вольт. Наблюдаемый спад температуры экранирующего слоя не связан с изменениями температуры в налетающем плазменном потоке, т.к. температура потока по-прежнему сохраняется на уровне Те 85 эВ (рис.10а). Te, эВ ne, 1016 см-3 время t, мкс время t, мкс а б Рис.10. Динамика температуры Te (а) и плотности ne (б) в экранирующем слое графита (1) на расстоянии 3 см от поверхности мишени и в свободном плазменном потоке (2) (MK-200 TRAP, w = 10 МВт/см2) Пространственное распределение температуры Te(x) перед поверхностью графитовой мишени показано на рис.11. Представленные данные указывают на то, что температура Te(x) распределена достаточно однородно по толщине экранирующего слоя и что охлаждение плазмы происходит также равномерно по толщине слоя. Te, эВ расстояние х, мм Рис.11. Распределение температуры Te(x) в экранирующем слое графита в моменты времени t = 8 мкс (2) и t = 15 мкс (1) (MK-200 TRAP, w = 10 МВт/см2) Кроме того, полученные данные свидетельствуют о том, что при сравнительно невысокой интенсивности плазменного потока w 10 МВт/см2 слой мишенной плазмы нагревается до температуры в несколько десятков 22 электрон-вольт. Причем, даже на расстоянии х 1 см от холодной поверхности мишени температура экранирующего слоя составляет Те = 40 - 50 эВ. Пространственный профиль Te(x) перед вольфрамовой мишенью отличается от случая графита (рис.12). Например, на расстоянии x = 7 мм от поверхности вольфрама электронная температура Те = 30 эВ ниже, чем в случае графита, однако на расстоянии x = 50 мм температура уже заметно выше и достигает величины Те = 120 эВ. Столь высокое значение Те обусловлено тем, что на расстоянии x = 50 мм вольфрамовой плазмы практически нет и значение Те определяется температурой водородной плазмы. По сравнению с графитом температура плазмы перед вольфрамовой мишенью изменяется в процессе взаимодействия гораздо медленнее. Профили температуры Te(x), соответствующие моментам времени t = 8 мкс и t = 15 мкс, почти не отличаются друг от друга (рис.12). На расстоянии x = 15 мм от вольфрама температура плазмы сохранялась на уровне Те = 50 эВ в течение 30 мкс и снижалась до Те = 10 эВ лишь к моменту t = 50 мкс [12]. Te, эВ расстояние х, мм Рис.12. Распределение температуры Te(x) в экранирующем слое вольфрама в моменты времени t = 8 мкс (1) и t = 15 мкс (2) (MK-200 TRAP, w = 10 МВт/см2) В конце главы анализируются причины различий в поведении температуры Te(x,t) перед поверхностью графитовой и вольфрамовой мишеней. На основании полученных данных делается вывод о том, что более резкое охлаждение экранирующего слоя графита по сравнению с вольфрамом связано с влиянием углеродной плазменной короны, которая эффективно снижает поток энергии, поступающий в приповерхностную зону. Четвертая глава посвящена исследованиям баланса энергии. Поток энергии w0 = 1 – 100 МВт/см2, переносимый струей водородной плазмы, частично теряется в экранирующем слое (wshield), а оставшаяся часть wtarget = w0 - wshield (4) доходит до поверхности мишени и расходуется на нагрев материала (wth), тепловое излучение нагретой поверхности (wsr) и эрозию материала (wer) 23 wtarget = wth + wsr + wer (5) Излучением поверхности wsr можно пренебречь, т.к. даже при температуре поверхности Т = 5000 – 6000 К излучается не более wsr = σT4 = 10 кВт/см2, что значительно меньше wtarget. Таким образом, можно считать, что поток энергии, доходящий до поверхности мишени, полностью расходуется на нагрев материала и его эрозию. В интегральном виде это выражение выглядит следующим образом: qtarget = qth + qer, (6) где qtarget = wtarget dt – плотность энергии, попадающей на поверхность мишени за время облучения, qth – плотность энергии, расходуемой на нагрев мишени, qer – энергия, потребляемая на эрозию материала с 1 см2 облучаемой поверхности за один плазменный импульс. В первом параграфе обсуждаются результаты измерений энергии, расходуемой на нагрев мишени. При заданной длительности плазменного потока для каждого материала существует предельная плотность энергии q max ~ τ , которая может быть израсходована на нагрев материала. Величина qmax определяется теплофизическими свойствами облучаемого материала и может быть заранее рассчитана. Отмечается хорошее совпадение между величиной qmax, измеренной экспериментально, и величиной qmax, полученной в расчетах. При длительности потока = 50 мкс (установка МК-200 UG) на нагрев вольфрамовой мишени расходуется не более qmax = 70 Дж/см2, а графитовой – не более qmax = 30 Дж/см2. Учитывая, что плотность энергии в центре плазменного потока составляет q0 = 2500 Дж/см2, можно сделать вывод, что на нагрев мишени потребляется лишь незначительная доля энергии плазмы. Во втором параграфе анализируются результаты измерений эрозии. Если бы плазменный поток мог свободно проходить через слой испаренного материала и воздействовать на мишень, вызывая испарение материала с поверхности, баланс энергии выглядел бы следующим образом: q0 = qth + qvap, (7) где qvap – энергия, расходуемая на испарение материала. В этом случае толщина испаренного слоя 0 определялась бы разницей между энергией плазменного потока q0 и энергией qth, пошедшей на нагрев материала: 0 = qvap/ q~ = (q0 - qth)/ q~ q0/ q~ , (8) где q~ - удельная энергия парообразования облучаемого материала. В отсутствие эффекта экранировки толщина испаренного слоя графита на установке МК-200 UG была бы больше 0 = 200 мкм за один пуск установки. Реальная эрозия графита значительно меньше этой величины и составляет всего лишь = 0,4 мкм/разряд. Это означает, что благодаря эффекту экранировки количество углерода, испаряемого с поверхности графита, уменьшается в k = 24 0/ = 500 (!) раз. Для вольфрама эффективность экранировки еще выше и превышает величину k = 1000. Эффективность экранировки k увеличивается с ростом интенсивности w0 и длительности плазменного потока и, соответственно, снижается при уменьшении w0 и . Например, на установке МК-200 TRAP, где значения w0 и меньше чем на МК-200 UG, коэффициент экранировки графита и вольфрама снижается до k = 70 - 100. При срывах тока в ИТЭР длительность плазменного воздействия будет значительно больше, чем на установке МК-200 UG, поэтому коэффициент экранировки должен быть больше k = 1000. В этом же параграфе обсуждаются эксперименты с наклонными мишенями. Отмечается, что при неизмененных характеристиках плазменного потока эрозия материала на наклонной мишени может быть существенно больше, чем на перпендикулярной (= 90°), несмотря на то, что для наклонной мишени интенсивность плазменного воздействия w = w0 sin меньше, чем для перпендикулярной. Экспериментально показано, что этот эффект имеет место только в случае небольших наклонных мишеней, которые не перекрывают полностью плазменный поток, и поток может их обтекать. Если же наклонная мишень достаточно большая и полностью перекрывает плазменный поток (что соответствует случаю диверторных пластин в ИТЭР), то эрозия материала не растет, а снижается при уменьшении угла падения плазмы на поверхность. Однако снижение эрозии происходит не так быстро, как уменьшается интенсивность w = w0 sin плазменного воздействия. Таким образом, полученные данные свидетельствуют о том, что на нагрев и испарение материала qtarget = (qth + qvap) расходуется лишь небольшая часть энергии плазменного потока, а основная доля энергии (q0 – qtarget) теряется в экранирующем слое и до поверхности мишени не доходит. Третий параграф посвящен исследованиям радиационных потерь из экранирующего слоя. Представлены данные, свидетельствующие о доминирующей роли излучения в полном балансе энергии. Отмечаются различия в пространственном распределении радиационных потерь для тяжелых (вольфрам) и легких (графит) материалов (рис.13). Пространственный профиль радиационных потерь определяется свойствами мишенной плазмы. В случае графита углеродная мишенная плазма быстро (V = 3 4 106 см/с) распространяется вдоль силовых линий магнитного поля от облучаемой поверхности навстречу плазменному потоку. В результате, формируется протяженный столб углеродной плазмы, и преобразование энергии плазмы в излучение происходит по всей длине этого столба. В отличие от углерода, испаренный вольфрам остается вблизи облучаемой поверхности в 25 2 Яркость B, Дж / см стер течение всего плазменного импульса. Соответственно, преобразование энергии плазмы в излучение осуществляется в приповерхностной зоне. 80 мишень из вольфрама мишень из графита 70 60 50 40 30 20 10 0 0 5 10 15 20 25 30 Расстояние от мишени X, см Рис.13. Радиационные потери из экранирующего вольфрамовой мишеней на установке МК-200UG 35 слоя 40 графитовой и Различия в поведении углеродной и вольфрамовой мишенной плазмы обусловлены различиями в их излучательной способности [13, 14]. Углеродная плазма, образующаяся вблизи поверхности графитовой мишени, эффективно поглощает поступающий поток энергии, но не может сразу преобразовать его в излучение. Поэтому значительная часть энергии расходуется на ионизацию углерода до состояния С 5+ и нагрев углеродной плазмы до температуры порядка Т = 100 эВ. Нагретая плазма расширяется вдоль силовых линий магнитного поля и таким образом отводит поглощенную энергию от графитовой мишени. Со временем вся энергия Q ЭС, запасенная в экранирующем слое, преобразуется в излучение, но это происходит не вблизи поверхности, а в протяженном столбе мишенной плазмы. Вольфрамовая плазма по сравнению с углеродной обладает существенно большей излучательной способностью и поэтому основная часть поступающего потока энергии сразу же преобразуется в излучение в приповерхностном слое мишенной плазмы. Можно сказать, что для вольфрама выполняется не только интегральный за разряд баланс энергии в виде Q0 Qрад, но и баланс мощности W0(t) Wрад(t) в каждый момент времени. В случае графита значительная доля энергии запасается в плазме экранирующего слоя, и баланс мощности имеет вид dQ ЭС . (9) W ( t ) Wрад ( t ) dt По окончании плазменного импульса энергия углеродной плазмы трансформируется в излучение, и итоговый баланс энергии имеет тот же вид: Q0 Qрад. 26 Таким образом, преобразование энергии плазменного потока в излучение мишенной плазмы является основным механизмом экранировки поверхности вольфрама, графита и любого другого материала. Учитывая, что излучение мишенной плазмы сосредоточено в основном в интервале длин волн = 30 300 Å, можно сделать вывод, что экранирующий слой является источником интенсивного коротковолнолнового излучения и, следовательно, на основе взаимодействия потоков плазмы с материалами можно создавать мощные источники ВУФ излучения. В этом же параграфе рассматривается эрозия материалов под действием излучения, выходящего из экранирующего слоя. Анализируются результаты эксперимента, в котором вольфрамовая мишень облучалась потоком водородной плазмы, а сбоку устанавливалась графитовая мишень и подвергалась действию излучения экранирующего слоя вольфрама. Радиационная энергетическая нагрузка изменялась по поверхности боковой мишени в диапазоне I = 10 – 120 Дж/см2. Выяснилось, что эрозия графита растет линейно с радиационной нагрузкой и достигает величины = 0,37 мкм/облучение. Практически такая же величина ( = 0,4 мкм/облучение) получается при прямом облучении графита потоком плазмы. Но, если при плазменном воздействии эта эрозия достигается при нагрузке порядка q0 = 2,5 кДж/см2, то в случае излучения - при нагрузке I = 120 Дж/см2, что в 20 раз меньше q0. Таким образом, не только диверторные пластины, но также и соседние элементы, которые могут попадать под действие излучения экранирующего слоя, должны изготавливаться из эрозионностойких материалов. Четвертый параграф посвящен вопросам переноса энергии на поверхность мишени. На основании измерений энергии излучения, поступающей на поверхность сетчатой мишени, делается вывод о том, что в случае тяжелых материалов (сталь, медь, вольфрам и т.п.) перенос энергии осуществляется преимущественно за счет излучения. В случае легких материалов, типа графита, для которых характерна большая температура вблизи мишени и невысокая интенсивность излучения приповерхностной плазмы, перенос энергии на поверхность, в значительной степени, осуществляется за счет теплопроводности. В этом же разделе описывается эксперимент с кварцевой мишенью, в котором при помощи оптической интерферометрии были проведены измерения эрозии в реальном масштабе времени, т.е. в процессе взаимодействия плазмы с мишенью. Эксперимент проводился на установке МК-200 TRAP при интенсивности потока w0 = 10 МВт/см2 и характерной длительности = 20 мкс. Результаты измерения эрозии (t) приведены на рис.14. Видно, что испарение кварца начинается практически сразу же после падения плазмы на 27 , мкм поверхность мишени, а затем происходит с постоянной скоростью около 0.02 мкм/мкс, достигая величины = 0.8 мкм к моменту t = 40 мкс. (Осцилляции на кривой (t) обусловлены звуковыми колебаниями, которые возбуждаются в кварцевой пластине при ударе плазмы.) t, мкс Рис.14. Эрозия кварца на установке МК-200 TRAP Обращает на себя внимание тот факт, что скорость эрозии остается постоянной в течение почти 40 мкс, несмотря на то, что интенсивность плазменного потока уменьшается за это время, по крайней мере, в 10 раз. Это означает, что экранирующий слой снижает поток энергии, расходуемый на испарение материала, до определенной величины wvap, которая практически не зависит от интенсивности w0 налетающего потока. Можно предположить, что при наличии экранирующего слоя основным параметром, влияющим на толщину испаренного слоя материала , является длительность плазменного импульса : чем больше , тем больше . Это предположение подтверждается результатами измерений эрозии на плазменных установках с разной длительностью плазменного воздействия. Имеющиеся результаты свидетельствуют о том, что при интенсивности плазменного потока, достаточной для быстрого формирования экранирующего слоя, толщина испаренного слоя зависит, прежде всего, от длительности плазменного воздействия и растет пропорционально длительности, т.е. ~ . Пятая глава посвящена исследованиям механизмов эрозии и их относительного вклада в результирующую эрозию материала. Проблему эрозии диверторных материалов при срывах тока можно было бы считать решенной, если бы эрозия происходила только за счет испарения. Однако существуют еще макроскопические механизмы эрозии, которые вызывают более серьезные повреждения поверхности, чем испарение. Например, углеграфиты подвержены хрупкому разрушению и могут эродировать в виде гранул, а эрозия металлов может осуществляться за счет 28 разбрызгивания расплава, образующегося на поверхности мишени. В первой части главы обсуждается эрозия металлов, а во второй - эрозия углеграфитов. При облучении металлической мишени мощным потоком плазмы на поверхности образуется слой расплава. Процессы, происходящие в расплаве (движение расплава под действием внешних сил, кипение жидкого металла, развитие гидродинамических неустойчивостей, инжекция капель и струй), оказывают существенное влияние на эрозию металла. Задача эксперимента состоит в изучении этих механизмов и определении их вклада в результирующую эрозию в зависимости от условий облучения. , мкм графит алюминий x, мм Рис.15. Кратер эрозии на поверхности графита и алюминия (установка MK-200CUSP, ширина потока dп = 0,5 см, графит – 40 облучений, алюминий – 18 облучений) На рис.15 показаны кратеры эрозии на поверхности графита и алюминия, полученные в одинаковых экспериментальных условиях. Эрозия графита составила = 0,25 мкм за один пуск установки, а алюминия = 10 мкм/разряд, что в 40 раз превышает эрозию графита. Большая разница в эрозии этих материалов обусловлена тем, что расплав, образующийся на поверхности алюминиевой мишени, перемещается под действием плазменного потока из центра зоны облучения на периферию. В результате, в центральной части образуется кратер эрозии, причем, глубина кратера растет линейно с количеством плазменных облучений. Данный механизм эрозии является универсальным для всех металлических мишеней и вносит основной вклад в результирующую эрозию любого металла. При определенных условиях металлический расплав может кипеть. Пузырьки пара, образующиеся в кипящем расплаве, лопаются на поверхности, и металлическая мишень покрывается открытыми полостями (рис.16), из-за чего поверхность становится шероховатой. В условиях эксперимента на 29 установке MK-200UG алюминий начинает кипеть при интенсивности потока w > 0,3 МВт/см2, медь при w > 1 МВт/см2, а вольфрам при w > 5 МВт/см2. алюминий 100 мкм медь Рис.16. Кипение расплава Под действием плазменного потока происходит разбрызгивание металлического расплава в виде капель. Часть капель остается на поверхности мишени (рис. 17), а другие ее покидают. Они оседают на стенках вакуумной камеры, диагностических окнах и т.д. С точки зрения эрозии диверторных пластин и накопления взрывоопасной металлической пыли наибольшую опасность представляют капли, улетающие с поверхности. 400 мкм 60 мкм Рис.17. Разбрызгивание капель по поверхности вольфрама Было исследовано влияние капельного разбрызгивания на эрозию металлических мишеней. Около мишеней устанавливались сборники капель и попавшие туда капли анализировались при помощи микроскопа (рис.18). Потери расплава, обусловленные инжекцией капель, определялись взвешиванием образцов до и после облучения. Для регистрации летящих с поверхности капель применялась методика лазерного рассеяния. Выяснилось, что интенсивность капельного разбрызгивания критическим образом зависит от соотношения размеров мишени и диаметра плазменного потока. Если мишень небольшая и поток ее обтекает, то с поверхности мишени 30 инжектируется много капель и в этом случае капельное разбрызгивание может вносить заметный вклад в эрозию металла. Если мишень полностью перекрывает мишень и поток не может ее обтекать, то количество капель резко уменьшается, и вкладом этого механизма в результирующую эрозию можно пренебречь. В то же время, именно этот механизм определяет количество металлической пыли, накапливающейся в вакуумной камере. а) медь б) железо 25 мкм в) вольфрам 25 мкм 30 мкм Рис.18. Капли металла, собранные около мишени Эрозия металлов может происходить в результате растрескивания. В частности, сильному растрескиванию подвержен вольфрам, считающийся одним из наиболее перспективных диверторных материалов. На рис.19 показаны типичные трещины на поверхности облученного вольфрама. Имеются крупные и мелкие трещины. Крупные трещины покрывают поверхность мишени сплошной сеткой и разбивают ее на отдельные ячейки размером 1-2 мм (рис.19а). Каждая такая ячейка покрыта системой микротрещин (рис.19б). Микротрещины тоже формируют ячеистую структуру, но уже более мелкого масштаба. а б 2 мм 15 мкм Рис.19. Растрескивание поверхности вольфрама (MK-200UG, 10 облучений) Среди исследованных марок вольфрама только монокристалл вольфрама и вольфрам, легированный рением, не подвержены сильному растрескиванию. Эти сорта вольфрама можно рекомендовать для применения в ИТЭР. Однако они очень дороги, поэтому продолжается поиск альтернативных решений. 31 Вторая часть главы посвящена эрозии углеграфитовых материалов. Эрозия углеграфитовых материалов происходит как в виде пара, так и в виде твердых осколков, образующихся вследствие хрупкого разрушения. В случае мелкозернистого графита образуются гранулы микронного размера. На рис.20а приведены результаты анализа частиц в эксперименте с графитом МПГ-8. Размер частиц определялся как d = (4S/)1/2, где S – площадь проекции частицы на поверхность сборника. Распределение графитовых частиц по размеру N(d) имеет резкий максимум в районе d = 2 - 3 мкм. На рис.19б приведено изображение поверхности графитовой мишени, на которой видны отдельные гранулы. Повидимому, именно эти гранулы вылетают с поверхности мишени при воздействии плазменного потока. По крайней мере, размер гранул, представленных на рис. 20б, согласуется с размером частиц на рис. 20а. число частиц N 4000 а б 3000 2000 1000 2 мм 10 мкм 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 размер частиц d, мкм Рис. 20. Распределение по размеру частиц графита МПГ-8 (а), структура поверхности графита (б) Частицы (гранулы), потеряв тепловой контакт с массивом графита, начинают испаряться под действием теплового потока ws = wtarget, проходящего через экранирующий слой на поверхность мишени. Испарение круглой частицы радиусом r описывается уравнением: dV dr 4πr 2 w s q~v q~v 4πr 2 , (10) dt dt где q~v = 100 кДж/см3 – удельная теплота парообразования для графита. Интегрируя уравнение (10), получаем w s dt r(t) r 0 ~ q (11) v откуда следует, что все частицы, диаметр которых меньше d* = 2 ( w sdt )/ q~v , должны полностью испариться к моменту времени t. 32 Для экспериментов на установке МК-200UG, где w dt s = qtarget ≈ 30 Дж/см2, величина d* составляет 6 мкм. Учитывая, что графит МПГ-8 состоит из гранул размером меньше 6 микрон (рис.20б), можно считать, что основная масса частиц, образующихся в результате хрупкого разрушения графита, должна испаряться вблизи поверхности. В сборники, вероятно, попадают только те частицы, которые образуются на краях зоны облучения, где интенсивность плазменного воздействия ниже, чем в центре. Для получения количественных данных о вкладе хрупкого разрушения в общую эрозию графита был проведен анализ продуктов эрозии при помощи рентгеновского дифрактометра. Среди собранных вокруг мишени продуктов эрозии доля кристаллических частиц графита составила около 10%. Это нижняя оценка для вклада хрупкого разрушения в эрозию графита. Реальный вклад больше 10%, т.к. существенная часть графитовых частиц испаряется и присутствует в продуктах эрозии в виде аморфного углерода. Были проведены расчеты эрозии графита с учетом его хрупкого разрушения. Выяснилось, что в случае мелкозернистого графита хрупкое разрушение не приводит к существенному увеличению эрозии по сравнению с обычным испарением. Это объясняется тем, что графит эродирует в виде мелких частиц, которые быстро испаряются вблизи поверхности мишени. В результате, возникает дополнительная экранировка поверхности и тепловая нагрузка на мишень снижается. Углеграфитовый композит (С-С композит) состоит из объемного трехмерного каркаса, образованного пучками углеродных волокон, ориентированными перпендикулярно друг другу, и углеродного наполнителя. Большая теплопроводность композита обеспечивается pitch-волокнами, ориентированными перпендикулярно лицевой поверхности материала [15]. PAN-волокна, направленные вдоль лицевой поверхности, выполняют технологическую роль и применяются для «сшивки» pitch-волокон. 80 мкм 30 мкм б а Рис.21. Хрупкое разрушение С-С композита (а – растрескивание поверхности и формирование осколка, б – крупный осколок композита) 33 Хрупкое разрушение С-С композита происходит как в виде микронных частиц, так и в виде крупных осколков размером 100-200 микрон (рис. 21). Крупные частицы не испаряются полностью, поэтому часть эродированного материала не принимает участия в экранировке поверхности. Это отличает С-С композит от графита. Являясь сильно анизотропным материалом, С-С композит подвержен растрескиванию. Трещины образуются по границам между пучками PAN и pitch-волокон, где возникают самые большие термические напряжения. Были проведены ресурсные испытания С-С композита на квазистационарном плазменном ускорителе КСПУ при длительности плазменного импульса = 500 мкс и плотности энергии q = 3 кДж/см2. Потери массы, мг/разряд 50 40 30 20 10 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 Порядковый номер облучения Рис. 22. Изменения потерь массы С-С композита Образец С-С композита был подвергнут 250 облучениям. После каждой серии из n = 25 облучений измерялись потери массы m и определялась средняя величина потерь m = m/n для одного облучения данной серии. Было обнаружено, что потери массы m растут с количеством облучений N (рис. 22). (Это принципиально отличается от поведения графита, для которого величина m практически не зависит от числа облучений.) Если в начале испытаний потери массы у С-С композита были меньше, чем у графита, то после 200 облучений они сравнялись. При этом сохраняется тенденция к росту m. Облученная плазмой поверхность композита приобретает волнистый профиль (рис. 23). Это происходит из-за того, что пучки продольных волокон эродируют с большей скоростью, чем поперечные. В начале облучения потери массы (рис.22) почти полностью обусловлены эрозией продольных PAN волокон (рис.23, 24а), а поперечные волокна вносят незначительный вклад. Однако после того, как продольные волокна эродируют на глубину около 0,5 мм (приблизительно после 100 облучений), эрозия поперечных волокон заметно интенсифицируется, что сопровождается увеличением потерь массы (рис.22) и изменением профиля поверхности (рис.24б). 34 Расстояние вдоль поверхности мишени, мм -10 -5 0 5 10 Профиль эрозии, мкм 0 -100 -200 -300 -400 -500 Рис.23. Профиль поверхности С-С композита (50 облучений, КСПУ) После 200 облучений профиль поверхности становится гладким, приобретает синусоидальную форму (рис.23в) и в дальнейшем он уже практически не меняется, т.е. эрозия начинает идти равномерно по всей поверхности композита. Это означает, что после определенного количества облучений поперечные волокна, которые должны обеспечивать высокую эрозионную стойкость материала, начинают эродировать с такой же большой скоростью, как и менее стойкие продольные волокна. продольные волокна 2 мм а б в Рис.24. Профиль поверхности С-С композита после 50 (а), 150 (б), 200(в) облучений на установке КСПУ Таким образом, эрозия С-С композита в значительной степени определяется поведением продольных PAN-волокон, которые выполняют лишь технологическую роль и применяются для «сшивки» поперечных pitch-волокон. PAN-волокна являются слабым местом С-С композита. Если просуммировать всю совокупность данных, полученных автором в экспериментах с углеграфитовыми материалами, то следует сделать следующий вывод: при плазменных нагрузках, характерных для срывов тока в ИТЭР, дорогостоящий С-С композит не имеет существенных преимуществ по сравнению с обычным мелкозернистым графитом. В Заключении сформулированы основные результаты. 35 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Создан экспериментальный плазменный стенд MK-200UG, предназначенный для проведения исследований взаимодействия потоков плазмы с материалами при интенсивностях потоков 1 - 100 МВт/см2. Получены потоки высокотемпературной водородной плазмы для моделирования плазменных нагрузок, ожидаемых в диверторе ИТЭР при срывах тока. Для исследования процессов, происходящих при взаимодействии плазменного потока с материалом, создан специализированный диагностический комплекс. 2. Впервые с применением надежных средств диагностики подробно исследованы не только конечные результаты воздействия мощного потока плазмы на материалы (эрозия, продукты эрозии и т.п.), но также и сам процесс взаимодействия. Установлено, что слой мишенной плазмы, образующийся в результате испарения и ионизации материала мишени, экранирует поверхность от прямого воздействия плазменного потока. Экранирующий слой играет принципиальную роль в процессе взаимодействия плазменного потока с материалами и в значительной степени определяет как динамику этого процесса, так и его конечные результаты. В частности, при плазменных нагрузках, характерных для срывов тока в ИТЭР, эрозия материалов, обусловленная их испарением, уменьшается в сотни раз из-за эффекта экранировки. 3. Показано, что при облучении любого твердотельного материала потоком плазмы с интенсивностью w 10 МВт/см2 экранирующий слой формируется менее чем за 1 – 2 мкс, после чего тепловое воздействие на материал полностью определяется процессами передачи энергии в экранирующем слое. В случае тяжелых материалов, состоящих из элементов с большим Z (медь, сталь, молибден, вольфрам), энергия доставляется на поверхность мишени, в основном, за счет излучения, а для материалов с малым Z (графит, C-C композит, оргстекло, нитрид бора) более существенную роль играет теплопроводность. 4. Впервые исследован полный баланс энергии и сделан вывод об определяющей роли радиационных потерь: энергия плазменного потока эффективно поглощается экранирующим слоем, и основная её часть рассеивается в виде излучения мишенной плазмы. В результате, до поверхности мишени доходит лишь незначительная часть энергии потока, соответственно, эрозия материала существенно снижается. Однако, излучение экранирующего слоя настолько интенсивное, что вызывает эрозию окружающих материалов, не находящихся в контакте с плазмой. Применительно к дивертору ИТЭР это 36 означает, что не только приемные пластины, но и соседние элементы дивертора нужно изготавливать из эрозионностойких материалов. 5. В результате проведенных экспериментальных исследований получены надежные данные об основных характеристиках плазмы экранирующего слоя, включая плотность, температуру, ионизационное состояние, а также их пространственное распределение и временную эволюцию для ряда материалов, в том числе, для углеграфитов и вольфрама, являющихся основными теплозащитными материалами для дивертора ИТЭР. Впервые экспериментально доказано, что при сравнительно небольшой интенсивности плазменного потока w = 10 МВт/см2 мишенная плазма нагревается до температуры Т = 40 – 70 эВ, в то время как предсказываемые значения не превышали 10 эВ. 6. Впервые детально исследованы излучательные характеристики образующейся мишенной плазмы и показано, что излучение плазмы экранирующего слоя сосредоточено в сравнительно узком коротковолновом диапазоне = 30 - 300 Å независимо от сорта облучаемого материала. Учитывая высокую эффективность преобразования энергии плазменного потока в излучение, этот факт открывает новые возможности в создании мощных источников коротковолнового излучения на основе взаимодействия плазменных потоков с материалами. При этом спектр излучения можно менять простой заменой облучаемого материала. 7. Возможность прямых измерений температуры, плотности и одновременно с этим спектра излучения плазмы любого твердотельного материала представляет самостоятельный научный интерес, так как эти данные могут быть использованы (и уже используются) для разработки и уточнения соответствующих моделей излучения. 8. Показано, что за счет действия эффекта экранировки испарение материалов не представляет серьезной угрозы с точки зрения эрозии и разрушения облучаемых плазмой элементов дивертора. Реальную угрозу представляют макроскопические механизмы эрозии, именно эти механизмы будут определять время жизни элементов дивертора, а также количество опасной материальной пыли, накапливающейся в вакуумной камере ИТЭР. 9. Экспериментально доказано, что 3-х мерный углеграфитовый композит имеет серьезный недостаток, заключающийся в том, что скорость его эрозии определяется эрозией вспомогательных PAN-волокон, использующихся лишь для того, чтобы соединить друг с другом основные pitch-волокна, которые обладают большой теплопроводностью и которые 37 должны были бы обеспечивать высокую эрозионную стойкость всего материала. Эрозия С-С композита растет с количеством плазменных облучений и через 100-200 облучений сравнивается с эрозией обычного мелкозернистого графита. При плазменных нагрузках, характерных для срывов тока в ИТЭР, дорогостоящий С-С композит не имеет существенных преимуществ по сравнению с обычным мелкозернистым графитом. 10. Экспериментально обнаруженные особенности в эрозии углеграфитовых композитов, а именно тот факт, что большая скорость эрозии вспомогательных PAN-волокон определяет эрозию всего материала в целом позволили сформулировать практические предложения по улучшению свойств С-С композита за счет изменения ориентации технологических PAN-волокон. 11. Установлено, что при облучении металлических мишеней мощным потоком плазмы образуется слой расплава, который под действием потока перемещается по поверхности мишени от центра к периферии. В результате, в центральной части мишени образуется кратер эрозии и его глубина растет пропорционально количеству плазменных облучений. Перемещение расплава по поверхности мишени является универсальным механизмом эрозии для любого металла и вносит основной вклад в результирующую эрозию металлических мишеней. Испарение, а также инжекция капель, обусловленная кипением расплава и развитием в нем гидродинамических неустойчивостей, оказывает незначительное влияние на результирующую эрозию металла, но определяет количество металлической пыли, накапливающейся в вакуумной камере. 12. Полученные в диссертационной работе экспериментальные данные были использованы для разработки и совершенствования расчётных кодов FOREV-1D, FOREV-2D, MEMOS, PEGASUS-3D и A*THERMAL-S, применяемых для моделирования процессов в диверторе токамака-реактора при срывах тока, а также для экстраполяции результатов экспериментальных исследований на условия ИТЭР. Результаты диссертационной работы могут быть использованы в научноисследовательских центрах, ведущих исследования по программе УТС и физике плазмы (НИЦ Курчатовский институт, НИИЭФА им. Д.В.Ефремова, ИЯФ им. Г.И.Будкера СО РАН, НИЯУ МИФИ), а также в институтах и лабораториях, разрабатывающих и использующих мощные плазменные источники для решения научных и прикладных задач. 38 Список основных публикаций автора по теме диссертации 1. Архипов Н.И., Житлухин А.М., Сафронов В.М., Сиднев В.В., Скворцов Ю.В. Динамика взаимодействия сверхзвукового плазменного потока с твердотельной мишенью // Физика плазмы. 1987. Т. 13. Вып. 5. С. 632. 2. Arkhipov N.I., Safronov V.M., Skvortsov Yu.V., Zhitlukhin A.M. Interaction of high temperature plasma with solid targets // Fusion Technology 1992. / Eds. C. Ferro, M. Gasporotto, H. Knoepfel. Amsterdam: Elsevier, 1993. V. 1 P. 171. 3. Архипов Н.И., Житлухин А.М., Сафронов В.М., Скворцов Ю.В. Инжекция и удержание плотной высокотемпературной плазмы с = 1 в длинной антипробочной ловушке // Физика плазмы. 1994. Т. 20. № 10. С. 868. 4. Arkhipov N.I., Bakhtin V.P., Safronov V.M., et.al. Experimental simulation and numerical modeling of vapor shield formation and divertor material erosion for ITER typical plasma disruptions // Journal of Nuclear Materials. 1995. V. 220222. P. 1066. 5. Arkhipov N., Bakhtin V., Kurkin S., Safronov V., Toporkov D., Vasenin S., Wuerz H., Zhitlukhin A. Study of structure and dynamics of shielding layer for inclined incidence of plasma stream at MK-200 facility // Journal of Nuclear Materials. 1996. V. 233-237. P. 767. 6. Hassanein A., Belan V., Konkashbaev I., Nikandrov L., Safronov V., Zhitlukhin A., Litunovsky V. Modeling and simulation of melt-layer erosion during a plasma disruption // Journal of Nuclear Materials. 1997. V. 241-243. P. 288. 7. Arkhipov N., Bakhtin V., Basylev B., Landman I., Safronov V., Toporkov D., Vasenin S., Wuerz H., Zhitlukhin A. Plasma - surface interaction in ITER tokamak disruption simulation experiments // Fusion Technology. 1997. V. 32. P. 45. 8. Архипов Н.И., Бахтин В.П., Васенин С.Г., Житлухин А.М., Куркин С.М., Сафронов В.М., Топорков Д.А. Температура экранирующего слоя при взаимодействии высокотемпературной плазмы с поверхностью твердого тела // Физика плазмы. 1998. Т. 24. № 4. С. 340. 9. Архипов Н.И., Васенин С.Г., Житлухин А.М., Половцев Н.А., Сафронов В.М., Топорков Д.А. Многокадровая М.П.К. – камера для М.Р.-В.У.Ф. – спектроскопии мишенной плазмы // ПТЭ. 1998. № 1. С. 128. 10. Архипов Н.И., Бахтин В.П., Васенин С.Г., Житлухин А.М., Куркин С.М., Сафронов В.М., Топорков Д.А. Формирование экранирующего слоя при облучении твердотельных материалов мощными плазменными потоками // Физика плазмы. 1999. Т. 25. № 3. С. 263. 11. Basylev B., Landman I., Safronov V. Radiation in plasma target interaction events typical for ITER tokamak disruptions // Fusion Technology. 1996. V. 30. P. 739. 12. Arkhipov N., Bakhtin V., Vasenin S., Kurkin S., Safronov V., Toporkov D., Zhitlukhin A., Rockett P. and Hunter J. Absolute VUV Spectroscopy of an 39 Eroding Graphite Target Using a Calibrated CCD Camera // Journal of Nuclear Materials. 1999. V. 266-269. P. 751. 13. Arkhipov N., Bakhtin V., Kurkin S., Safronov V., Toporkov D., Vasenin S., Wuerz H., Zhitlukhin A. Study of plasma-material interaction under high heat flux // Problems of Atomic Science and Technology; Series “Plasma Physics.” 1999. No. 1-2. P. 121. 14. Arkhipov N., Bakhtin V., Safronov V. et.al. Material erosion and erosion products in disruption simulation experiments at the MK-200 UG facility // Fusion Engineering and Design. 2000. V. 49-50. P. 151. 15. Arkhipov N., Bakhtin V., Kurkin S., Toporkov D., Safronov V., Vasenin S., Wuerz H., Zhitlukhin A. VUV radiation during plasma/surface interaction under plasma stream power density of 20 40 MW/cm2 // Problems of Atomic Science and Technology; Series “Plasma Physics.” 2000. No. 6. P. 97. 16. Scaffidi-Argentina F., Safronov V., Arkhipov I. et al. Erosion mechanisms and products in graphite targets under simulated disruption conditions // Journal of Nuclear Materials. 2000. V. 283-287. P. 1111. 17. Архипов Н.И., Бахтин В.П., Васенин С.Г., Житлухин А.М., Сафронов В.М., Топорков Д.А. Измерение эрозии кварца в реальном масштабе времени в экспериментах по моделированию тепловых нагрузок на диверторные пластины при срывах в токамаке // Физика плазмы. 2001. Т. 27. № 3. С. 243. 18. Safronov V., Arkhipov N., Bakhtin V., et.al. Material erosion and erosion products under plasma heat loads typical for ITER hard disruptions // Journal of Nuclear Materials. 2001. V. 290-293. P. 1052. 19. Bazylev B., Landman I., Pestchanyi S., Safronov V., Wuerz H. Macroscopic erosion of divertor and first wall armour in future tokamaks // Journal of Nuclear Materials. 2002. V. 307-311. P. 60. 20. Архипов Н.И., Бахтин В., Васенин С.Г., Житлухин А.М., Куркин С.М., Сафронов В.М., Топорков Д.А. Баланс энергии при взаимодействии интенсивных потоков высокотемпературной плазмы с материалами // Физика плазмы. 2002. Т. 28. № 4. С. 1. 21. Safronov V., Arkhipov N., Bakhtin V., et.al. Macroscopic erosion of divertor materials under plasma heat loads typical for ITER hard disruptions // Problems of Atomic Science and Technology; Series “Plasma Physics”. 2002. No. 5. p. 27. 22. Arkhipov N., Bakhtin V., Barsuk V., Kurkin S., Mironova E., Piazza G., Safronov V., Scaffidi-Argentina F., Toporkov D., Vasenin S., Wuerz H., Zhitlukhin A. Erosion mechanisms and erosion products in carbon-based materials // Journal of Nuclear Materials. 2002. V. 307-311. P. 1364. 23. Pestchanyi S., Safronov V., Landman I. Estimation of carbon fibre composites as ITER divertor armour // Journal of Nuclear Materials. 2004. V. 329-333. P. 697. 40 24. Landman I., Pestchanyi S., Safronov V., Bazylev B., Garkusha I. Material surface damage under high pulse loads typical for ELM bursts and disruptions in ITER // Physica Scripta. 2004. T 111. P. 206. 25. Safronov V.M., Arkhipov N.I., Klimov N.S. et. al. Investigation of erosion mechanisms and erosion products in divertor armour materials under conditions relevant to ELMs and mitigated disruptions in ITER. // Problems of Atomic Science and Technology; Series: Plasma Physics. 2008. No. 6. P. 52. 26. Bazylev B., Janeshitz G., Landman I., Loarte A., Klimov N.S., Podkovyrov V.L., Safronov V.M. Experimental and theoretical investigation of droplet emission from tungsten melt layer // Fusion Engineering and Design. 2009. V. 84. No. 2-6. P. 441. 27. Safronov V.M., Arkhipov N.I., Landman I.S. et.al. Evaporation and vapor shielding of CFC targets exposed to plasma heat fluxes relevant to ITER ELMs // Journal of Nuclear Materials. 2009. V. 386-388. P. 744. 28. Климов Н.С., Подковыров В.Л., Житлухин А.М., Коваленко Д.В., Москачева А.А., Позняк И.М., Сафронов В.М. Разбрызгивание вольфрама при воздействии интенсивного потока плазмы // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Термоядерный синтез. 2009. № 2, C. 52. 29. Архипов Н.И., Сафронов В.М., Барсук В.А. и др. Эрозия углеграфитовых материалов при облучении интенсивными потоками плазмы // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Термоядерный синтез. 2009. № 4. C. 3. 30. Климов Н.С., Подковыров В.Л., Житлухин А.М., Архипов Н.И., Барсук В.А., Позняк И.М., Сафронов В.М. Воздействие интенсивных импульсных потоков плазмы на защитные материалы внутрикамерных компонентов термоядерного реактора // Ядерная физика и инжиниринг. 2010. Т. 1. № 3. C. 210. Список цитируемой литературы 1. Kuroda T., Vieder G., Akiba M. et al. ITER plasma facing components// ITER documentation series. Vienna: IAEA, 1991. No. 30. 148 p. 2. Federici G., Scinner C.H., Brooks J.N. et al. Plasma-material interactions in current tokamaks and their implications for next step fusion reactors // Nuclear fusion. 2001. V. 41. No. 12R. P. 1967. 3. Wuerz H., Landman I., Basylev B., Kappler F., Piazza G., Pechanyi S. Plasma shield formation and divertor plate erosion for ITER tokamak plasma disruption // Journal of Nuclear Materials. 1996. V. 233-237. P. 798. 4. Basylev B., Burdakov A., Kappler F., Koidan V., Landman I., Pestchanyi S., Safronov V., Solyakov D., Tereshin V., Tolkach V., Wuerz H. Hot plasma target interaction and quantification of erosion of ITER slot divertor during disruption and ELMs. // Karlsruhe, 1999. 197 p. (Preprint / Forschunszentrum Karlsruhe: FZKA 6198). 41 5. Bazylev B., Wuerz H. Melt layer erosion of metallic armour targets during offnormal events in tokamaks // Journal of Nuclear Materials. 2002. V. 307-311. P. 69. 6. Pestchanyi S., Wuerz H. 3-D simulation of macroscopic erosion of CFC under ITER off-normal heat loads // Fusion Engineering and Design. 2003. V. 66-68. P. 271. 7. Hassanein A., Konkashbaev I., Comprehensive model for disruption erosion in a reactor environment // Journal of Nuclear Materials. 1995. V. 220-222. P. 244. 8. Skvortsov Yu.V. Research on pulsed and steady- state plasma guns and their applications in the Troitsk branch of Kurchatov Institute of Atomic Energy // Physics of Fluids. 1992. B 4. No. 3. P. 750. 9. Garkusha I.E., Arkhipov N.I., Klimov N.S. Makhlaj V.A., Safronov V.M., Landman I.S., Tereshin V.I. The latest results from ELM-simulation experiments in plasma accelerators // Physica Scripta. 2009. T 138. P. 14054. 10. Брагинский С.И. Явление переноса в плазме // Cб. Вопросы теории плазмы под ред. М.А. Леонтовича. М.: Госатомиздат. 1963. вып. 1. C. 183. 11. Архипов Н.И., Житлухин А.М., Сафронов В.М., Скворцов Ю.В. Взаимодействие высокотемпературной плазмы с твердотельными материалами // Москва, 1992. 55 с. (Препринт / ИАЭ: 5343/7). 12. Arkhipov N.I., Bakhtin V.P., Safronov V.M. et al. Plasma temperature measurements in disruption simulated experiment // Fusion Technology 1994. / Eds. K. Herschbash, W. Maurer, J.E. Vetter. Amsterdam: Elsevier, 1995. V. 1. P. 395. 13. Post D.E., Jensen R.V., Tarter C.B., Grasberger W.H. Steady-state radiative cooling of low-density high-temperature plasmas // Princeton, Princeton University, 1977, 85 p. (Preprint Princeton University PPPL-1352). 14. Clark R., Abdallah J., Post D. Radiation rates for low Z impurities in edge plasmas // Journal of Nuclear Materials. 1995. V. 220-222. P. 1028. 15. Peacock A.T., Merola M., Pick M.A., Titey R. Status of CFC development in Europe for ITER. // Physica Scripta. 2007. T 128. P. 23. 42