Gerashchenko conf kharkov_2017_fin

1. Харьков , 18 октября 2017 г.
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»
Институт физики плазмы
Докладчик: Геращенко Станислав
Моделирование поведения компонентов дивертора
ИТЭР в условиях переходных процессов
С.С. Геращенко, В.А. Махлай, Н.Н. Аксенов, И.Е. Гаркуша, О.В. Бырка, Н.В. Кулик,
В.В. Чеботарев, С.И. Лебедев, П.Б. Шевчук
Особенности поведения вольфрама под действием
стационарных и импульсных плазменных нагрузок
в условиях термоядерного реактора
С.С. Геращенко, Н.Н. Аксенов, И.А. Бизюков, А.И. Гирка, В.А. Махлай, С.В. Малихин,
С.В. Суровицкий, К.Н. Середа, А.А. Бизюков, И.Е. Гаркуша

2. Харьков , 18 октября 2017 г.
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»
Институт физики плазмы
План
 Введение
 Экспериментальная установка КСПУ Х-50
 Облучение вольфрамовой мишени в условиях переходных процессов в
ИТЭР
 Динамика эжекции частиц во время взаимодействия плазмы с
поверхностью мишени
 Морфология поверхности облученной мишени
 Выводы. Часть 1
 Комбинированное стационарное и импульсное плазменное облучение
вольфрама в условиях термоядерного реактора
 Параметры импульсного плазменного облучения КСПУ Х-50
 Параметры стационарного плазменного облучения
 Изменение структуры вольфрамовых образцов во время
комбинированных плазменных нагрузок
 Морфология поверхности вольфрама после комбинированного
плазменного облучения
 Выводы. Часть 2

3. Харьков , 18 октября 2017 г.
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»
Институт физики плазмы
ВведениеВведение
Ключевые задачи
1.Эрозионное время жизни материалов
поверхности дивертора
2.Совместимость с плазмой
Тепловые потоки на диверторные пластины :
Стационарные потоки:Стационарные потоки:
P =P = додо 2020 МВт/МВт/м2
;
Срывы токаСрывы тока::
Q = (10…100) МДж/м2
;
t = (1…10) мс
Edge Localized Modes (ELMs):Edge Localized Modes (ELMs):
Q =(1…3) МДж/м2
; (до 10 ГВт/м2
)
t = (0,1..0,5) мс;
ν = (1…100) Hz до 106
за рабочий цикл

4. Харьков , 18 октября 2017 г.
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»
Институт физики плазмы
КСПУ Х-50 ускоритель с плазмы
уникальными параметрами :
Средняя плотность плазмы – (0.2-7).1016
см-3
;
Энергия протонов – (0,2-0,9) кэВ;
Плотность энергии в плазме – (0.5-30) MДж/м2
;
Энергосодержание в плазме – (100-500) кДж;
Длительность генерации – (0,04-0,25) мс.
Мощный квазистационарный ускоритель плазмы
КСПУ Х-50

5. Харьков , 18 октября 2017 г.
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»
Институт физики плазмы
Основной ускорительный канал
Разрядный ток Jd ≤ 0.7 MA
Напряжение Uc ≤ 15 кВ
Длительность разряда τ ≈0,3 мc
Плотность энергии в потоке ρw = (0.5…30) MДж/м2
Длительность потока плазмы τ ≈ 0,25 mc
Pmax = (3,2-18) Барр, n = (0,2-7) 1016
cm-3
B0 =0,54 T (β ≈ 0,3…0,4)
КСПУ Х-50
Положение мишени Z=2,3 м
Катушки
Диагностическая камера

6. Харьков , 18 октября 2017 г.
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»
Институт физики плазмы
Облучение вольфрамовой мишени
в условиях переходных процессов в ИТЭР
Parameters
Cracking
threshold of
tungsten
Melting
threshold of
tungsten
Evaporatio
n
threshold
of tungsten
Target Heat Load
[MJ/m2
]
0.3 0.6 1.1
Plasma load
duration [ms]
0.25 0.25 0.25
Heat flux
[GW/m2
]
1.2 2.4 4.4
Surface Heat
factor
[MW×s1/2
×m-2
]
19 38 69.6
Сегментированный образец 5x5x1 cm3
.
Размер каждого сегмента 2.2х1.2 cm2
Такие параметры близки к конструкции
дивертора в ИТЭР
Тепловая нагрузка на поверхность
0,9 МДж/м2
Количество облучений в серии
экспериментов
200 импульсов
Температура мишени между
импульсами была близка к комнатной

7. Харьков , 18 октября 2017 г.
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»
Институт физики плазмы
Динамика эжекции частиц во время
взаимодействия плазмы с поверхностью мишени
Распределение скоростей частиц в
зависимости от времени старта с
поверхности мишени для 80 плазменного
импульса. Ноль соответствует началу
взаимодействия плазмы с поверхностью
3,6 ms 4,8 ms 6 ms
Pl
Плазменный импульс №80
Кадры цифровой камеры во время 80 плазменного
облучения. Время экспозиции 1,2 мс

8. Харьков , 18 октября 2017 г.
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»
Институт физики плазмы
Pl
3,6 ms 4,8 ms 6 ms
Динамика эжекции частиц во время
взаимодействия плазмы с поверхностью мишени
Плазменный импульс №150
Кадры цифровой камеры во время 150 плазменного
облучения. Время экспозиции 1,2 мс
Распределение скоростей частиц в
зависимости от времени старта с
поверхности мишени для 150 плазменного
импульса. Ноль соответствует началу
взаимодействия плазмы с поверхностью

9. Харьков , 18 октября 2017 г.
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»
Институт физики плазмы
Морфология поверхности облученной мишени
80
200 μm
200
200 μm
150
200 μm
1 cm

10. Харьков , 18 октября 2017 г.
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»
Институт физики плазмы
 Исследованы особенности взаимодействия мощных плазменных потоков
генерируемых КСПУ Х-50 (0,9 МДж/м2
, 0,25 мс ) с вольфрамовой мишенью 3D
геометрии в условиях близких к ELMам в ИТЭР
 Показано, что циклические плазменные нагрузки приводят к существенной
эрозии мишени, которая сопровождается отделением от поверхности мишени
капель/пыли вольфрама.
 После 100 импульсов количество эжектируемых частиц уменьшается.
Частицы отделяются от поверхности после ее застывания (0,25 мс). Отделение
частиц вольфрама происходит с краев сегментов мишени.
 Под действием повторяющихся плазменных импульсов на поверхности
формируются сетки макро- и микротрещин.
 Площадь каждой ячейки сетки трещин на поверхности уменьшается под
влиянием силы поверхностного натяжения при застывании расплавленного
слоя.
Появление на поверхности мишени сетки трещин, образование
расплавленного слоя и его движение, приводящее к формированию волнистой
структуры составляют основные механизмы эрозии 3D мишени
Выводы. Часть 1

11. Харьков , 18 октября 2017 г.
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»
Институт физики плазмы
Комбинированное стационарное и импульсное
плазменное облучение вольфрама в условиях
термоядерного реактора
Parameters
Cracking
threshold of
tungsten
Melting
threshold
of tungsten
Evaporatio
n
threshold
of tungsten
Target Heat
Load [MJ/m2
]
0.3 0.6 1.1
Plasma load
duration [ms]
0.25 0.25 0.25
Heat flux
[GW/m2
]
1.2 2.4 4.4
Surface Heat
factor
[MW×s1/2
×m-2
]
19 38 69.6
Вольфрамовые образцы из
поликристаллического вольфрама изготовлены
Plansee с чистотой 99.999% wt. Этот материал
рекомендован к использованию в ИТЭР. Размеры
образцов 1,2×1,5×0,08 см3
. Размеры зерен в
диапазоне 5–20 мкм. Все образцы механически
отполированы до зеркальной поверхности.
Параметры импульсного
плазменного облучения КСПУ Х-50
Тепловая нагрузка на поверхность: 0.45 МДж/м2
(ITER type I ELM)
W32 с текстурой [100] W42 - [110]

12. Харьков , 18 октября 2017 г.
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»
Институт физики плазмы
Параметры стационарного плазменного облучения
FALCON
Средняя энергия ионов: 2 кэВ
Диаметр водородного ионного пучка: 3 мм
Поток частиц: ~1022
м-2
с-1
Поток тепла: 1,7 МВт/м2
Источник ионов FALCON позволяет
создавать стационарные потоки частиц и
тепла с параметрами близкими к
условиям ИТЭР

13. Харьков , 18 октября 2017 г.
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»
Институт физики плазмы
Изменение остаточных напряжений и ширины дифракционного максимума
в результате стационарных и импульсных плазменных нагрузок.
Изменение структуры вольфрамовых образцов во
время комбинированных плазменных нагрузок

14. Харьков , 18 октября 2017 г.
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»
Институт физики плазмы
Изменение структуры вольфрамовых образцов во
время комбинированных плазменных нагрузок
Изменение параметра решетки и ассиметрии дифракционного пика в
результате стационарных и импульсных плазменных нагрузок.
W32 W42

15. Харьков , 18 октября 2017 г.
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»
Институт физики плазмы
Морфология поверхности вольфрама после
комбинированного плазменного облучения
W32W42
FALCON FALCON/QSPA FALCON/QSPA/FALCON

16. Харьков , 18 октября 2017 г.
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»
Институт физики плазмы
 Экспериментально исследовано поведение вольфрама при
комбинированном стационарном и импульсном плазменном воздействии.
Стационарные водородные ионные потоки создавались источником ионов
FALCON. Импульсные плазменные нагрузки ниже порога плавления
вольфрама генерировались в КСПУ Х-50.
 В результате комбинированных плазменных нагрузок возрастает
шероховатость облученных вольфрамовых поверхностей. Увеличение
шероховатости обусловлено образованием трещин и поднятием границ зерен
на облученных поверхностях.
 Симметричные термические остаточные напряжения создаются в
облученных поверхностях в основном импульсными плазменными нагрузками.
Воздействие стационарных плазменных нагрузок приводит к отжигу
остаточных напряжений и линейных дефектов как начальном состоянии, так и
после импульсного облучения.
Показано, что образование трещин связано с изменением количества
комплексов точечных дефектов во время комбинированного облучения.
Выводы. Часть 2

17. Харьков , 18 октября 2017 г.
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»
Институт физики плазмы
Спасибо за вниманиеСпасибо за внимание