Поверхностные явления при взаимодействии плазмы с материалами установок управляемого термоядерного синтеза

Объектами исследования являются: 1) низкоактивируемые ферритно-мартенситные стали, облучённые низкоэнергетической дейтериевой плазмой; 2) вольфрам, облученный ионами W и электронами c энергиями от нескольких до десятков МэВ; 3) монокристаллические молибденовые зеркала Мо(111) и Мо(110), изготовленные в лаборатории и экспонированные в тлеющем разряде D2 и в разряде смесей D2-N2; 4) макеты окон из плавленого кварца КУ-1 и лейкосапфира с осажденными пленками Al и экспонированные в тлеющем разряде D2 и в разряде смесей H2-N2 и H2-Nе; 5) углеводородные пленки, осажденные на стенках токамака Т-10 (НИЦ «Курчатовский Институт»); 6) вольфрамовые лимитеры, экспонированные в токамаке Т-10. Цель работы – исследование следующих процессов: 1) формирования наноразмерных упорядоченных структур на поверхности НАФМ сталей при облучении дейтериевой плазмой; 2) накопления дейтерия в радиационно-поврежденном вольфраме; 3) влияния способов оптической полировки и методики плазменной чистки зеркал Мо(111), Мо(110) в разряде смесей D2-N2 от Al пленок (аналога Ве) на их отражательную способность; 4) влияния методики плазменной чистки в разряде смесей D2(Н2)-N2, D2(Н2)-Nе макетов окон из кварца КУ-1 и лейкосапфира от Al пленок (аналога Ве) на их светопропускание в интервале длин волн 4001000 нм; 5) взаимосвязи вольтамперных характеристик и частотных зависимостей проводимости углеводородных пленок, полученных в рабочих разрядов токамака Т-10, с изменением структуры поверхности; 6) повреждений вольфрамовых лимитеров в токамаке Т-10. При выполнении исследований были использованы следующие методы: оптическая микроскопия; растровая электронная микроскопия; рентгеноспектральный микроанализ; рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия; дифракция рентгеновских лучей на отражение; атомно-силовая микроскопия; измерение коэффициента полного отражения света с помощью интегрирующей сферы; ядерных реакций; спектроскопия резерфордовского обратного рассеяния. Исследования показали, что при облучении образцов НАФМ стали F82H дейтериевой плазмой с энергией ионов 200 эВ при повышенных температурах (623773 К) до доз облучения в диапазоне от 1×1025 до 2,5×1026 D/м2 на поверхности образцов образуются наноразмерные волокнистые слои. При этом окончания наноразмерных волокон обогащены вольфрамом. Для оценки количества изотопов водорода, накапливаемых в приповерхностных слоях и в объеме НАФМ сталей в процессе горения термоядерной плазмы, были проведены измерения профилей распределения концентрации дейтерия (D) по глубине в образцах НАФМ стали EUROFER97, облученных низкоэнергетической (90 и 140 эВ) дейтериевой плазмой при температурах в диапазоне от 360 до 773 К. При увеличении температуры облучения дейтериевой плазмой содержание дейтерия в подповерхностном слое почти монотонно уменьшается с ~1019 D/м2 до ~5×1017 D/м2. Концентрация дейтерия на глубине 8 мкм (то есть объемная концентрация) демонстрирует другую температурную зависимость: концентрация дейтерия значительно уменьшается примерно с 4×10-3 до (37)×10-5 ат.% в относительно узком интервале температур от 360 до 460 К. При дальнейшем повышении температуры до 773 К объемная концентрация дейтерия практически не меняется. Показано, что концентрация дефектов в W, индуцированных облучением ионами W c энергией от нескольких до десятков МэВ и способных захватывать изотопы водорода, практически достигает максимального значения при уровне повреждения около 0,5 сна. С увеличением температуры, при которой генерируются радиационно-индуцированные повреждения, концентрация дефектов, ответственных за удержание изотопов водорода, уменьшается примерно на порядок величины при увеличении температуры генерации смещений от 300 до 1100 К. Однако при увеличении температуры пост-радиационного отжига от 400 до 1273 К, концентрация дефектов, уменьшается незначительно (в 34 раза). Заметное уменьшение концентрации дефектов наблюдается при температурах пост-радиационного отжига свыше 1273 К. Дефекты смещения, генерируемые в W путём облучения образцов высокоэнергетичными электронами, способны значительно увеличивать удержание дейтерия в вольфраме уже при уровне повреждения 4×10–5 сна. Исследовано влияние чистящей D2-N2 плазмы тлеющего разряда на отражательную способность Mo зеркал из Mo (111) и (110). Поверхность каждого зеркала готовилась механической полировкой алмазными пастами или свободным алмазным порошком. Полировка зеркал приводила к формированию слоя материала толщиной до 5 мкм, отличного по структуре от остального объёма металла. По мере удаления от поверхности зеркала происходил переход от аморфного слоя Билби к слою с нанометровыми размерами кристаллитов и далее к постепенной трансформации в структуру неразрушенного монокристалла. В процессе полировки микронные и субмикронные алмазные порошинки внедрялись в тело металла. При полировке алмазной пастой внедрение порошинок происходило значительно реже. Эффективность отражения в интервале длин волн 4001000 нм в образцах, полированных пастой, была выше, чем в образцах, полированных свободным абразивом. При нанесении на поверхность зеркала пленок Al толщиной 1040 нм отражательная способность Мо-зеркал увеличивалась. Скорость распыления алюминия возрастала в 34 раза при добавлении азота в дейтериевую плазму. Для полного удаления пленки Al толщиной 40 нм при отрицательном смещении на образце 100 В был необходим флюенс 1023 ионов/м2. Во время экспозиции в D2-N2 плазме вдавленные в поверхностный слой зеркала углеродные частицы газифицировались и инициировали развитие отрицательной шероховатости (появление ямок, глубиной до 40 нм). После удаления Al и завершения процесса чистки отражательная способность Mo зеркал увеличивалась до значения, близкого к стандартному отражению для Мо. Отсутствие блистеринга и стабильность отражательной способности Mo зеркала при длительном взаимодействии с чистящей дейтериевой низкоэнергетической плазмой определяется структурой сильно деформированного и фрагментированного слоя толщиной до 35 мкм, сформированного при полировке алмазными пастами. Численные оценки интегрального рассеяния света шероховатой поверхностью кварца в прямом и обратном направлении показали, что уменьшение пропускания за счет рассеяния не превышает несколько десятых процента, что согласуется с данными измерений. Наблюдаемые изменения коэффициента пропускания света в диапазоне длин волн 4001000 нм кварцевыми пластинами не превышали долей процента при увеличении среднеквадратичной шероховатости Rq от 1 до 16 нм с формированием в поверхностном слое нитридов и субоксидов кремния. Анализ изменений топографии ЛС с помощью двумерных функций спектральной плотности мощности (2D-PSD) показал, что наряду с распылением и очисткой в поверхностном слое ЛС происходили ионно-индуцированные процессы сглаживания рельефа. Установлено, что углеводородные пленки, полученные в токамаке Т-10 в режиме чистящих разрядов, по своим электрофизическим свойствам наиболее близки к алмазоподобным пленкам, полученным в лабораторных условиях из углеводородной газовой фазы, активированной тлеющим разрядом. Углеводородные пленки, полученные в рабочем режиме токамака Т-10 во время серии импульсных индукционных высокоэнергетических разрядов в дейтерии, обнаружили степенной характер частотной зависимости проводимости при комнатной температуре, что говорит о проводимости по локализованным состояниям вблизи уровня Ферми по π- sp2 связям. Изучена степень повреждения W пластин, экспонированных в токамаке Т-10 во время кампании 20152018 гг. и расположенных в области средних тепловых нагрузок 2530 МВт/м2. Показано, что поверхность тайлов, обращенная к плазме, претерпевает сильные изменения: образуются глубокие трещины, оплавленные области, осаждаются пленки и капли, обнаружены следы дуг. На внешних сторонах тайлов образуется карбид вольфрама W2C, а на внутренних присутствуют еще и соединения лития (Li2CO3, Li2O). Образование карбида вольфрама увеличивает механические напряжения в приповерхностных слоях пластин, что может приводить к трещинообразованию и даже выкрашиванию зерен W. Показано, что установка дополнительного подвижного Li лимитера в токамаке Т-10 не привела к уменьшению или полному подавлению попадания тяжелых W частиц в высокотемпературную водородную плазму. Тепловая нагрузка на большинство тайлов оказалась слишком большой для образования устойчивой защитной пленки. Однако образование толстой пленки Li в щелях говорит о том, что снижение тепловой нагрузки может привести к формированию возобновляемой защитной пленки Li на поверхности W. Изучение формирования наноразмерных упорядоченных структур на поверхности НАФМ сталей при облучении дейтериевой плазмой важно, так как они рассматриваются в качестве конструкционных материалов бридерного бланкета будущего термоядерного реактора ДЕМО. Исследование накопления изотопов водорода в W материалах при синергетическом воздействии энергетических частиц изотопов водорода и гелия совместно с термоядерными нейтронами представляет особенный интерес для оценки содержания радиоактивного трития в элементах реактора и расчёта дейтериево-тритиевого рециклинга. Стабильность светопропускания кварца при напылении Al и последующей длительной выдержке в плазме позволяют считать рассматриваемую методику очистки перспективной в некоторых рабочих режимах в диверторной области установок УТС, включая ИТЭР. Проведенные опыты позволили заключить, что в чистящем ВЧ разряде в смеси 90%H2-10%N2 восстанавливаются исходные оптические параметры лейкосапфира, который является перспективным материалом для применения в качестве тонких защитных окон перед первым металлическим зеркалом в установках УТС. Результаты исследований, проведённых на токамаке Т-10, могут быть использованы, например, для прогнозирования повреждения W дивертора при умеренных нагрузках до 2 МВт/м2 в строящемся в г. Кадараш (Франция) токамаке ИТЭР.