Ерозія шару розплаву під час ELM-подібного теплового навантаження на молібден як альтернативний матеріал для облицювання плазмою

Предмети

Анотація

Вступ

Нестійкості в плазмовій плазмі порушують структурну цілісність оточуючих плазмових компонентів (ПФК). Пристрої магнітного термоядерного синтезу (наприклад, ITER) періодично розряджають плазму при дуже великих потоках, працюючи в бажаному режимі з високим обмеженням (H-режим) 1. Локалізовані режими (ЕЛМ) - це події, які передбачають повторюване розслаблення крайової плазми під час роботи. Різні типи ELM класифікуються за втратою потужності та піковим потоком до області дивертора. ELM типу I є найсерйознішими, передаючи до 10% енергії плазми ядра на поверхню PFC зі швидкістю повторення в межах 1–10 Гц 2,3,4. В результаті інтенсивного нагрівання поверхня ПФУ може тріснути або розплавитися, що призведе до пошкодження компонентів та забруднення плазми плавлення 5,6,7. Були зроблені спроби зменшити величину теплового навантаження ELM за рахунок примусової релаксації (наприклад, впорскування гранул) 1,8. Однак останні оцінки свідчать про те, що пом'якшені ELM все ще можуть мати щільність енергії до

1,0 МДж м −2 (на частотах

50 Гц) 9,10,11. Незмікшені ELM (гігантські ELM) забезпечать більші теплові потоки порядку декількох МДж м −2 2,12,13. Визначення безпечних робочих вікон для мінімізації тріщин та плавлення у відповідь на ці перехідні події допоможе оптимізувати термін служби та продуктивність пристрою.

В даний час вольфрам (Вт) є провідним матеріалом-кандидатом на ПФУ у поточних та майбутніх термоядерних пристроях. Проект ITER використовуватиме W як основний матеріал дивертора 14. Переваги використання W у термоядерному середовищі включають його високу температуру плавлення, високу теплопровідність, низький вихід розпилення та низьке утримання тритію 15,16. Як експериментальні, так і модельні (TMAP) зусилля успішно охарактеризували енергії пастки для різних ізотопів водню (наприклад, дейтерію та тритію) у вольфрамі 17,18,19. На жаль, погана реакція поверхні W на низькоенергетичне опромінення He + (особливо при підвищених температурах) та немексовані ELM можуть створити серйозні проблеми для її життєздатності як майбутнього PFC. Експерименти, проведені в лабораторії та в токамаці Alcator C-Mod, показали, що нанорозмірні вусики ростуть на поверхні Ш у відповідь на опромінення He + низьким енергієм при підвищених температурах 20,21,22,23. Показано, що наноструктурований шар, який називають «пухом», має знижені теплові, механічні та структурні властивості 15,24,25. Спостерігається зниження теплопровідності

80% може призвести до підвищеного рівня ерозії через плавлення та розбризкування поверхні компонента під час подій ELM 26 .

Недавні дослідження показують, що молібден (Mo) може бути перспективною альтернативою ПФУ 22,23,27,28,29,30. Mo - високотоксичний тугоплавкий метал із подібними до W перевагами, включаючи високу температуру плавлення, низький вихід розпилення та високу теплопровідність 30. Потенційним недоліком Mo є його високий рівень утилізації відходів під впливом нейтронів 30. Однак робота, проведена на лінійному плазмовому пристрої з експериментом з тритієвої плазми (TPE), показала, що дробове утримання ізотопу водню може бути меншим у Mo, ніж у W 31. Також Mo має більш високу питому теплоту випаровування, що призведе до меншого випаровування під час перехідного теплового навантаження 30. Показано, що утворення пухнастостей відбувається як на W, так і на Mo, а також на інших тугоплавких металах для певних режимів флюенсу та температурних вікон 22,23,27,28,32,33. Нещодавня робота оцінила температурне вікно для W 1000–2000 K, а нижнє і вузьке температурне вікно для Mo 823–1073 K 23,27. Як тільки ITER перейде в ядерну фазу, температура поверхні W підніметься у верхній кінець вікна температури утворення пуху, що викликає занепокоєння зростання вусиків 34. Хоча наноструктура залишається відносно нехарактерною, різниця у вікні утворення пуху для Mo вимагає подальшого аналізу її реакції матеріалу в умовах, що стосуються термоядерного синтезу.

Результати і обговорення

Зміни морфології поверхні при імпульсному тепловому навантаженні

Піддаючи Mo тимчасовому навантаженню тепла за допомогою довгоімпульсного лазерного опромінення, ви отримуєте безцінну інформацію про те, як очікується вихід поверхні ПФК при більшій інтенсивності. Роботи, зроблені в посиланнях 39,40, ілюструють, що матеріальна шкода є функцією щільності енергії, форми імпульсу, кількості імпульсів та базової температури. Таким чином, значення густини енергії, згадані нижче, функціонують просто для розмежування режимів пошкодження і змінюватимуться за величиною в різних експериментальних умовах. Подальша робота буде продовжувати розширювати синергетичний взаємозв'язок між різними параметрами теплового навантаження.