Физика плазмы и материалов термоядерных реакторов

Краткая информация

Направления исследований: физика плазмы, взаимодействие плазмы с поверхностью, плазменные испытания материалов термоядерного реактора, турбулентность плазмы, диагностика плазмы, диверторная и пристеночная плазма в токамаке, жидкометаллические технологии для применения в токамаке-реакторе, плазменный космический двигатель, плазменные технологии,  тугоплавкие наноструктурные материалы, высокочатотный нагрев плазмы, сверхпроводящие магнитные системы для термоядерных установок, плазменные технологии для биомедицинских применений.

Ключевые слова: плазма, термоядерные материалы, взаимодействие плазма-стенка, токамак-реактор, наноструктурные материалы, плазменные технологии, жидкометаллические технологии, плазменные установки.

Установки: плазменная установка ПЛМ, плазменная установка ПЛМ-М, плазмотрон, лазерный комплекс для испытаний материалов.

Достижения: проведены исследования тугоплавких материалов (вольфрама, молибдена, графита, титана, никеля, стали) при мощных плазменных нагрузках в сооруженной в 2017 г. уникальной плазменной установке ПЛМ (плазменный линейный мультикасп). Получены новые материалы с наноструктурной высокопористой поверхностью, которые могут использоваться при высоких тепловых нагрузках в термоядерных реакторах  для ядерных, химических, гиперзвуковых технологий, для биотехнологий и биомедицинских применений. Сооружается модернизированная плазменная установка ПЛМ-М для исследований и полномасштабных испытаний материалов и конструкций токамака-реактора стационарными плазменными нагрузками в обеспечение отечественного гибридного реактора ТИН (термоядерного источника нейторнов).

Партнеры: Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт» (токамаки Т-15МД, Т-10, плазменные установки  — плазменные двигатели ПС-1 и ПН-3),  ГНЦ ТРИНИТИ (токамак Т-11М, установка КСПУ-Т), АО «Красная звезда» (жидкометаллические технологии), Институт космических исследований РАН (фундаментальные исследования турбулентности плазмы), ОИВТРАН, НИЯУ МИФИ, АО НИИЭФА, Госкорпорация «Росатом», Проектный центр ИТЭР и Организация ИТЭР (Франция, международный токамак-реактор ИТЭР), Гентский университет (Бельгия), Институт физики плазмы Чешской академии наук (токамак COMPASS, Прага, Чехия).

Основные научные результаты

На установке ПЛМ (Плазменный Линейный Мультикасп, НИУ «МЭИ», сооруженной и введенной в строй при выполнении Проекта), рис.1,  проведены экспериментальные работы по плазменной обработке мишеней из тугоплавких материалов – вольфрама, молибдена, титана,   железа, нержавеющей стали с содержанием никеля, никеля. На этих материалах    получены наноструктурированные поверхности с высокопористой структурой и структурой типа «пух» с размером структурных элементов менее 50 нм. 

Выполнен анализ этих образцов методами микроскопии, сканирующей электронной микроскопии. Получены данные о структуре поверхности после плазменной обработки. При  плазменной обработке титана, железа, нержавеющей стали получены наноструктурные поверхности, не наблюдавшиеся ранее в подобных экспериментах, зарегистрированы режимы плазменной нагрузки, в которых получаются такие новые материалы. 

Получена наноструктурированная высокопористая поверхность вольфрама и молибдена  со структурой поверхности типа «пух» при облучении вольфрамовых и молибденовых мишеней в гелиевом плазменном разряде в установке ПЛМ.

Методами оптической и сканирующей электронной микроскопии проведен    анализ нано- и микроструктуры таких образцов, выявлены наноструктурные поверхности двух типов – кораллообразные и типа наноструктурированный «пух». Кораллообразные структуры формируются при температуре образца менее 800 К и высокой нагрузке электронной компоненты плазмы при положительном потенциале на образце более 30 Вольт. Наноструктурированный «пух» на поверхности молибдена формируется преимущественно в режимах , подобных режимам при обработке вольфрама  — температура образца более 800 К, отрицательный потенциал на образце  менее -30 Вольт. 

 Проведены  исследования   теплопроводности  молибденовых и вольфрамовых  образцов с высокопористой поверхностью, полученной после облучения  плазмой в установке ПЛМ. Измерения проводились на установке LFA-457, предназначенной для определения температуропроводности образцов методом лазерной вспышки.

Исследовались молибденовые и вольфрамовые образцы 10×10 мм : (1) фольга молибдена толщиной 0.241 мм полированная; участок той же фольги  со слоем наноструктурированного «пуха» около 1,5 микрометров (2)  фольга вольфрамовая толщиной 0.211 мм полированная; участок той же фольги  со слоем наноструктурированного «пуха» около 1,5 микрометров Получены данные о температуропроводности наноструктурированной высокопористой поверхности таких материалов.

Проведен обобщающий анализ экспериментальных данных о наноструктурированной поверхности на исследованных материалах.

Разработана и опробована технология получения поверхности типа «пух» на вольфрамовых макетах различной геометрии —  пластине, фольге, цилиндрической проволоке, прямоугольном  вольфрамовом модуле с   медной подложкой. 

Размер образцов – площадь обращенная к центральному столбу плазмы достигала (4) 7 см².  На таких макетах  получена наноструктурированная поверхность типа пух толщиной     от   1  микрометра до 1,6 микрометров. Определены режимы плазменной  нагрузки на материал для получения такой поверхности.  

В установке ПЛМ режимы для получения наноструктурированной поверхности типа «пух» формируются при следующих режимах:

• ток в катушках магнитного поля – от 90 до 110 А;
• ток в плазме – от 0,2 до 7 А;мпер
• напряжение на катоде – от -110 до -170 В;ольт
• температура катода – от 2860 до 2930 К;
• остаточное давление в камере перед экспериментом – 2 х10 ^-6 Па;
• рабочий газ – гелий;
• давление рабочего газа – от 2х 10 ^-3 до 8 х10 ^-3 Па 
• температура электронов – горячей фракции 40-50 эВ, основной фракции – более 2 эВ;
• плотность плазмы – 2 ∙ 10 ¹² см^-3 и более;
• потенциал плазмы от -40 до -10 Вольт;
• линейный размер поверхности образца, обращенной к плазме – от 0,5 мм до 40 мм;
• -время экспозиции образа в плазме – от 30 минут до 210 минут;
• -положение образца в камере для роста плотного наноструктурированного «пуха» в зоне между катодом и анодом;  
• положение образца в камере для роста редкого  наноструктурированного «пуха» – в зоне между за  анодом;  
• температура образца 500 оС 900 оС;
• напряжение на образце – периодическое прямоугольной формы  с периодом 2 мс, 80%- 95%  времени напряжение в диапазоне от -90 до -110 В вольт, остальное время (20%-5%) напряжение в диапазоне от -40 до -30 Вольт
• Ионный ток насыщения на образец — 0,1 – 1 А;мпер
• охлаждение камеры – водяное проточное, допускается нагрев анода до температуры от 100 до 500^оС
• Время остывания образца после эксперимента перед вскрытием камеры на атмосферу – более 1 часа.

Рост наноструктурированной поверхности достигался на всех поверхностях, в том числе, на поверхности, обращенной к оси плазменного разряда, обратной стороне и боковых поверхностях. Наиболее интенсивный рост наблюдается на обращенной к плазме поверхности и боковых поверхностях.

Проведена модернизация камеры установки ПЛМ для обеспечения возможности установить дополнительные диагностики плазмы и экспонируемые образцы и макеты.

Новая камера установки ПЛМ имеет 5 диагностических боковых окон для дополнительной контактной и бесконтактной диагностики плазмы, в том числе оптической и зондовой диагностики, лазерного зондирования и пирометрии, загрузки образцов и макетов для облучения плазмой. Новая камера оборудована новыми насосами для высоковакуумной откачки (безмасляной) и автоматическим высоковакуумным затвором, предназначенным для регулирования давления газа в рабочих режимах. Использование затвора позволит расширить экспериментальные возможности установки для обеспечения широкого диапазона давлений и потока газа через рабочую камеру.  Проведены работы по  монтажу новой камеры и вакуумной откачки. Проведены работы по  отладке вакуумных узлов новой камеры ПЛМ. Проведены работы по проектированию узла для экспонирования в плазме на выходе из установки крупномасштабных образцов (до 0,5 метров), что позволит приступить к исследованиям и испытаниям плазменных нагрузок на материалы в градиентных магнитных полях на выходе из рабочей камеры установки. Такая возможность обеспечит расширение диапазонов потоков плазмы на материал для исследования вклада поперечных магнитному полю дрейфов …. в механизмы роста наноструктурированнойповерхности при взаимодействии плазмы с поверхностью.

Для   определения температуры электронов  неравновесной гелиевой плазмы     разработан и опробован метод  относительных интенсивностей спектральных линий разной кратности ионизации. Температура электронов  определяется по  экспериментальным значениям  концентрации электронов  в плазме и интенсивностям линий иона HeIIи атома HeI, используя теоретические оценки для интенсивностей  из закона Больцмана и уравнения Саха. Получены формулы, в которых используются  табличные  значения величин и констант для  расчета электронной температуры. Для регистрации спектра излучения плазмы в ПЛМ  в работе использовался дифракционный трёхканальный волоконно-оптический спектрометр «AvaSpec-ULS2048-16» фирмы «Avantes»  с  высоким разрешением   в широком спектральном диапазоне. Проведены измерения параметров плазмы в экспериментах на ПЛМ. Используя  значение концентрации электронов по зондовым  измерениям и интенсивности спектральных линий,   получена оценка    температуры электронов 2,65 эВ.

Проведен сравнительный анализ   наноструктуры поверхностей на вольфраме и молибдене  с опубликованными данными, в том числе   японских авторов (обзор в журнале Nature, Каджита). Параметры наноструктурированных поверхностей после плазменной обработки, таких как толщина нитей, высоты слоя «пуха» совпадают с литературными данными. На образцах нержавеющей стали после облучения в ПЛМ структура поверхности имеет вид набора конусов микронного масштаба. Параметры конусов имеют схожие характеристики, наблюдавшиеся в установке Нагдис-II.  

В экспериментах на ПЛМ получены новые материалы. Получен  вольфрам с вариантами «пуха» «редкий» и «плотный» с различной температурпроводностью; на титане получены пористые слои, устойчивые к механической нагрузке, что востребовано для применения  в облицовке летательных аппаратов. На образцах железа получена поверхность с микронными конусами с пористой структурой. 

С целью оценки дуговых эффектов на  микро и наноструктуру материалов с пористой поверхностью и поверхностью типа «пух» проведены расчеты тока взрывной электронной эмиссии с модифицированного высокопористого вольфрамового образца, полученного на плазменной установке ПЛМ. Показано, что коэффициент усиления электрического поля для модифицированной поверхности находится в пределах  5-80 для различной толщины наноструктуры типа «пух». Такое увеличение коэффициента усиления электрического поля положительно влияет на условия инициирования дуговых процессов при высоких напряженностях электрического поля в плазменных установках. Для характерных параметров пристеночной плазмы  в токамаке при ЭЛМах значения плотности тока эмиссии может достигать  1,25∙10⁹ А/см^{^2} . При меньших  параметрах плазмы  в установке ПЛМ   такие уровни не достигаются.   Поэтому следует использовать лазерную систему для обеспечения высокой нагрузки на материал при облучении плазменным потоком для достижения разогрева поверхности до высоких температур, при которых начинается повышенная эмиссия. Для этого разработана и изготовлена     система инициации дуговых процессов на поверхности вольфрама и других тугоплавких металлах  дляисследования дуговой эрозии. Система разработана на основе  лазера большой мощности. Для испытания такой схемы инициации дуговых процессов проведены эксперименты   и микроскопические  исследования поверхности после воздействия лазерного излучения. Выбран диапазон мощности лазерной нагрузки на материал, при котором не происходит сквозного проплавления образца с пухом — вольфрамовой фольги. В таких экспериментах при воздействии лазерного пучка   зарегистрировано испарение напыленного модифицированного слоя в пятне нагрева в области диаметром 1,5 — 1,8 мм.  На поверхности воздействия формируется зернистая структура металлической подложки  с  размером   зерен 10 — 70 мкм.

Проведены тепловые испытания водоохлаждаемых  вольфрамовых модулей с поверхностной структурой типа «пух» мощными тепловыми нагрузками до 20 МВт/м² и более. 

Разработана теоретическая модель роста пористых наноструктурированных материалов в условиях действия горячей плазмы (модель Мартыненко) для разных металлов – вольфрама, молибдена, железа, титана.  Теоретическая модель основывается на предположении  рассматривает, что структура «пуха»   образуется  в результате роста из адатомов,  появляющихся на поверхности   в результате ионной бомбардировки  ионами гелия из плазмы. Образование адатома на поверхности происходит в результате выбивания атома мишени из поверхностного слоя на поверхность, для чего требуется энергия равная третьей части  энергии сублимации, определяющей порог распыления.  Когда структура пуха уже образовалась и экранирует исходную подложку, то  ионы гелия создают адатомы   на волосках  пуха. Скорость образования адатомов при облучении ионами  зависит от плотности тока ионов гелия и  коэффициента образования адатомов. 

Модель дает такую же зависимость длины волоска от времени экспозиции в плазме, как наблюдалась экспериментально для толщины слоя пуха. Температурный интервал 1000-2000 К, в котором наблюдается образование «пуха», объясняется в данной модели.  При  малых температурах (для вольфрама Т<1000K) расстояние между адатомами ~ 0,3нм.  Концентрация адатомов столь высока, что их перенос невозможен, а при больших температурах  (для вольфрама Т> 2000K) невозможно образование кластеров из адатомов вследствие их термического распада.

Проведены расчеты режимов плазменного облучения  образцов W, Mo, Ti и Fe размером 20х20 мм² для роста наноструктурированной поверхности типа «пух» в плазменной   установке ПЛМ, а также температуры образцов необходимой для получения наноструктура типа «пуха». Показано, что плотность потока  ионов гелия на образец желательно увеличивать в пределах возможности плазменной   установки ПЛМ, но вполне достаточной будет плотность тока   100мА/см². На установке ПЛМ достигалась плотность тока ионов гелия на поверхность образца 125мА/см². Оптимальной энергией ионов гелия является 100 эВ, которая может быть получена отрицательным смещением потенциала тестовых образцов относительно плазмы основного разряда в плазменной   установке ПЛМ. Температура образцов должна быть в интервале  1000К< T < 2000K, по техническим условиям температуру тестовых образцов следует поддерживать около 1300К. Температуру образов  следует контролировать термопарами и оптической пирометрией.

Выработаны предложения для технологии получения высокопористой наноструктурированной поверхности  изделий из вольфрама и молибдена при облучении в гелиевом плазменном разряде в установке с мультикасповой магнитной системой: 

• температура образца при плазменном облучении от  800  до 1100 ^оС;
• время плазменной экспозиции 0,5-3,5 часов, плотность плазмы 1-5 10¹² см^-3,   
• температура электронов 2,6 эВ, температура фракции горячих электронов до 50 эВ,
• размер зоны обработки – около 4 см².

На  базе установке ПЛМ проведены проектные работы усовершенствованной установка (ПЛМ-2) для  полномасштабных испытаний материалов, крупномасштабных макетов, в том числе  прототипов стенки и дивертора  термоядерных реакторов. Выбрана концепция установки  ¾  линейная магнитная ловушка, 8-польный мультикасп,  со стационарным многочасовым  удержанием  плазмы.

Выполнены оценки  параметров установки, способные обеспечить высокие плазменные нагрузки на  материалы: 

• продольное магнитное поле —  0,25 Тл, секция  магнитного поля до 2,5 Тл;
• диаметр плазменного пучка —    3,5 – 10 см;
• длительность разряда – стационарная, до 500 мин и более; 
• плотность электронов плазмы –   10¹⁹ – 10²⁰   м^–3;
• энергия ионов в потоке на мишень — 1– 300 эВ;
• поток ионов на мишень   ~ 10²³ –  10²⁵ м^-2 с^-1;
• тепловые стационарные потоки на материал мишени — более 10 MВт м^-2;
• флюенс стационарного потока – аналогичный термоядерному реактору в стационарной фазе;
• охлаждение модулей стенки и мишеней – стационарное, испытание модулей с водяным, двухфазным  парогазовым, жидкометаллическим охлаждением;
• ИЦР  нагрев плазмы   0,5-27  МГц, использование геликоновых антенн;
• модуль с  мощными пучковыми тепловыми нагрузками на мишень — до 
• 2 ГВт/м2 длительностью до 1 мс с частотой до 20 Гц  (аналогичными экстремальным нагрузкам при ЭЛМах и срывах в диверторе термоядерного реактора);
• обеспечение режима «detached», аналог закрытого дивертора   реактора-токамака;
• жидкометаллические (ЖМ) элементы стенки/лимитеры из лития, олова и других ЖМ;
• технологии управления и турбулентного нагрева плазмы электродами под напряжением;
• испытуемые материалы – вольфрам, молибден, конструкционные стали, графит, литий, олово, тантал, никель, титан, иридий, платина, железо, медь, композиционные сплавы.

Параметры проектируемой установки ПЛМ-2 не имеют аналогов в России, с параметрами, аналогичными самой мощной установки в мире MAGNUM-PSI (Евросоюз). 

Научные результаты, полученные при выполнении Проекта, представлены в 14 докладах на международных научных конференциях:

1. 14th International Symposium on Fusion Nuclear Technology, in Budapest, Hungary, September 22 to 27, 2019 (устный доклад),
2. 2-я Международная конференция «ПРОБЛЕМЫ ТЕРМОЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И ПЛАЗМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ» г. Москва, 7-9 октября 2019 г.  (устный пленарный и стендовые доклады),
3. XLVI МЕЖДУНАРОДНАЯ (ЗВЕНИГОРОДСКАЯ) КОНФЕРЕНЦИЯ
    ПО ФИЗИКЕ ПЛАЗМЫ И УПРАВЛЯЕМОМУ ТЕРМОЯДЕРНОМУ СИНТЕЗУ ,  г. Звенигород Московской обл. 18 — 22 марта 2019 года (  стендовые доклады),
4. XXII КОНФЕРЕНЦИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПЛАЗМЫ С ПОВЕРХНОСТЬЮ Москва, НИЯУ МИФИ, 23-24 января 2019 г., Материалы XXII конференции «Взаимодействие плазмы с поверхностью». Москва, 23-24 января 2019 г.  М.: НИЯУ МИФИ, 2019 г., 140 с. ISBN 978-5-7262-2542-5 (устный пленарный и стендовые доклады),
5. 24-я Международная конференция «Взаимодействие ионов с поверхностью (ВИП-2019)».  19  —  23 августа 2019 г.   Москва (стендовый доклад),
6. XXXIV Международная конференция «Взаимодействие интенсивных потоков энергии с веществом», Терскол, Кабардино-Балкария, 1 — 6 марта 2019 года (стендовый доклад).