Поверхностные явления при взаимодействии плазмы с материалами установок управляемого термоядерного синтеза

Проблема выбора материалов для первой стенки и дивертора признаётся мировым термоядерным сообществом наиболее серьёзной для будущего термоядерного реактора. В настоящее время для проектируемого гибридного термоядерного реактора, в бланкете которого предполагается наработка дефицитного делящегося топлива, в качестве таких материалов рассматриваются НАФМ стали и вольфрамовые сплавы. НАФМ стали также будут использоваться в качестве конструкционных материалов бридерного бланкета. Распыление НАФМ сталей под воздействием плазменного облучения и формирование наноразмерных структур на поверхности сталей может инициировать срывы плазмы, что приведет к загрязнению плазмы тяжелыми элементами. Изучение поведения этих материалов под воздействием плазменного облучения является обязательным условием тестирования этих материалов как для оценки радиационной безопасности термоядерного реактора, так и для поиска возможностей удаления изотопов водорода из этих материалов при сервисном обслуживании реактора.Материалом защитного покрытия дивертора реактора ИТЭР, непосредственно контактирующего с плазмой, выбран вольфрам. Однако комбинированные тепловые (до 3.5 ГВт/м2) и корпускулярные нагрузки, которые будет испытывать вольфрам, могут приводить к его оплавлению и сильному повреждению. Поэтому экспериментальное изучение таких процессов в рабочих разрядах со срывами токамака Т-10 может дать недостающую информацию о поведении вольфрама в экстремальных условиях эксплуатации. Нормальная работа установок УТС невозможна без непрерывного контроля параметров горячей плазмы. Это признано международной командой специалистов, проектирующих ИТЭР. Диагностические зеркала и окна в установках УТС в процессе эксплуатации подвергаются воздействию плазмы и радиации. На первом этапе работы термоядерного реактора главную опасность будет представлять процесс осаждения распылённых металлов и пылевых частиц на поверхность оптических элементов, сопровождающийся деградацией оптических характеристик. Разработкой in-situ методов очистки оптики от загрязнений занимаются несколько международных исследовательских групп. Перспективными материалами для изготовления зеркал признан монокристаллический молибден, а для диагностических окон ‒ кварц (SiO2) и сапфир (Al2O3). Одним из возможных способов очистки оптических элементов является использование низкотемпературной водородной (H2, D2) плазмы. Авторами проекта было показано, что эффективность плазменного распыления таких металлов, как W и Al, может быть повышена при использовании в качестве рабочего газа дейтерия с определенными примесями. Добавки азота или неона в плазму увеличивали скорость распыления. Важно проследить возможность использования указанных смесей для очистки. Воздействие плазмы в процессе циклов осаждения-очистки могут влиять на характеристики оптических элементов (зеркал и окон).