Плешивцев Н.В. Физические проблемы катодного распыления
Подождите немного. Документ загружается.
Таблица 4
Потоки частиц на первую стенку проектируемых реакторов
токамаков [26, 21} 1/WMM1 и Д мощностью
5000 МВт{тепл.), 1500 МВт (эл.)
Ионы Средняя
энергия,
кэВ
Плотность тока,
мкА/см^
Платность мощ
ности, Bi/см^
D
+
0,123
10325
7,5
Т
+
0,123
10325
7,5
Не"
0,123
0,750,9
0,02
Яе
+
+
100
0,027
0,003
Fe*
23
0,4
0,01
h.
0,110 МэВ
55
550
п.
1014 МэВ
15
210
х
«г
([Г
Си
ю
f ID"
ИГ
if
О, см/с
М11!
1
Рис.
6. Распределение по скоростям быстрых ионов и атомов
водорода в плазме различных тороидальных установок и их ап
проксимация ф/нкцией dn/diy~e'™
a
'
0
(прямые линии)
С
ач
3
:
а "Скептр", 1£= 9.10
е
см/о; 6 "Альфа",.1£ "5,5.10
е
см/с;
в
Т3, l£ 4,10
е
см/с; г ТМ3, l£
=
3,5.10
е
см/с.
Штрихами показано максвелловское распределение при темпера
туре кТ 140 эВ
Распределение по энергии быстрых атомов перезарядки весьма мало
отличается от распределений ионов
&
широком диапазоне энергий.
Распределение по энергиям ионов и нейтралов описывается соот
ношением С 26 J
гра К _ безразмерный параметр.
Уравнение (4) при Н ~ 1/2 дает максвелловское распределение.
Но более реальной является величина
Н,
= 1. Средняя энергия быст
рых атомов, вылетающих из плазмы токамака Т3
;
равна 180 эВ.
Следует отметить, что в токамаках Т4 и Т10 плотность потока
атомов на стенку составляет (2~3):Ю атом/(см с), или
поступающих в плазму, по данным М«П,Петрова£28а_[, примерно в 2 раза
превышает плотность потока атомов водорода, поступающих на стен
ку. Полный поток атомов при энергиях больше 100 эВ составляет20%.
Причем поток энергии, уносимый этой компонентой, составляет 7080%,
Типичные величины концентрации атомов на границе плазмы
Л
_Ю ..11 з
л с 1Л
8 .„9 з
10 10 см , а в центральной области плазмы 10 10 см .
Энергетический спектр нейтралов, выходящих из плазмы токамака
Т20, как показывают расчеты £29J г хорошо аппроксимируется макс
вепловским распределением сТ
в
i кэВ. Полный поток нейтралов мож
но оценить из соотношения
Jf = S^_ , (8)
rp&jy полное число ионов в плазменном шнуре; Нп диффузионное
211
время жизни. В Т20 полный поток нейтралов составит 10 с ,
2.4. Проблема примесей в гокамаках
Предположим, что примеси поступают в плазму только аа счет
распыления первой стенки. В стационарных условиях £ 30} уравнение,
описывающее изменение средней по объему плотности примесей, имеет
вид
^ °Н
u
t/vp imp
где первый член обозначает скорость поступления примесей за счет
распыления атомами топлива, второй член указывает поступление при
месей за счет распылении примесными частицами, третий член учиты
вает уход примесей из плазмы. В начальный момент горения разряда
"Р«
t
" О П
ш
О и
(7)
Если
%
ir
,iF
s
"H * концентрация примесей будет очень сильно, экспо
ненциально, нарастать, при условии что температура примесей не бу
дет слишком низкой (скажем, 77 "^ 309 эВ). Полагая .£• « 1,
что слишком оптимистично, получим
В случае ^_,
0
^^и *
когда
примеси диффундируют к центру шну
ра, получим
С = S — при ^ « гг. . о)
В обоих случаях
imp ^H
Концентрация примесей достигнет уровня, определяемого величиной
коэффициента распыления легкими ионами за время, примерно равное
времени удержания топливных частнд 'тябл. 5).
22
Таблица 5
Критический уровень концентрации примесей и время их
накопления для ряда металлов, предлагаемых в качестве
материала первой стенки и диафрагм реакгоровгокамаков[30]
Металл
S>
.У„(25кэВ)*
*/«i
Тс 2,5.1О"
2
_ ?
5.10 0,5
V
2,5.10"
2
^2
'5.10
0,5
ге{ нержавею
2,5.
Ю
2
_2
5.10
л
0,5
щая сталь)
N6
1,2.10"
2
1,5.10"
2
0,8
Мо
1,2.
Ю
2
2.10 "
0,6
Та
ЗЛО"
3
5.10"
3
0,6
W
зло
3
зло
3
1,0
Величина коэффициента распыления определялась для смеси
50%
J) и 50% Т при нормальном угле падения путем интерполя
ции н экстраполяции имеющихся экспериментальных данных.
Даже при самых оптимистических предположениях, с использова
нием лучших материалов (вольфрама), длительность накопления крити
ческой концентрации примесей или длительность горения реакции со
ставит одно время удержания топливных частиц. По оценкам Р.Бериша
и Б.Б.Кадомцева f33] , предельно допустимые концентрации примесей
в дейтерневотритиевой плагме составляют 510% для легких элемен
тов (углерод, кислород),
0,51%
для элементов с небольшим атомным
номером (железо, молибден) и около 0,1% для тяжелых элементов
(вольфрам, золото, тантал). На рис. 7,а показаны предельно допусти
мые концентрации и соответствующие значения эффективного агряда,
рассчитанные для двух предположений об энергии альфачастиц, иду
щей на нагрев плазмы.
В предположении, что примеси распределяются, в шнуре по парабо
лическому закону, для демонстрационного термоядерного ревктора
23
a
п
-
S до
•
.
О Kaminsky •—г-
—~ Eckharl^Venus
Только тормозное
излучение
.- Meade
й 50 ^
i
• - •
*
Радиационные потери
v
N6-
О 20 М> 60 SO 100
Атомный номер примеси, %
8
t
c
fr
\
\
*
• \
\
S
1
• \
. \
\
3
\
г
• с
v
\
1
: . Ф
%
: Li\
05
: ? \ w
аз
fc !£ \ЛЙ
0Я
• Ч
Ч
\
а*
1 1 -1 1 1 1 1 ^_
о ю го зо чо 60 во 7Я
;
Рис.
7. a - критическая концентрация примесей J-
c
Д-Т термоядерной плазмы; б - полезная длительность горения термоядерное реакшк:
и соответствующий эффективный заряд Z -. для
Ь и критическая
доля примесей С в токамаке Т-20 Г297
ко
токомака Т20 была оценена критическая доля примесей в зависимо
сти от атомного номера материала f£9j (рис. 7,6).
Полезная длительность горения термоядерной, реакции t
0
т.е.
время t , при котором мощность излучения сравняется с мощно
стью выделения альфачастицами, определится из равенства
Кр '
30<o
6
(<C„
n
zf^Q
z
**vc
Kpl
Ч*> " 1,5 t
n
'
(ii)
где 30.10 Вт максимальная noj.. ( мошность, выделяющаяся
с альфачастицами; Q
f
удельная мощность излучения одного атома
примеси I 29ej ; V = 4.1.0 см"
3
объем плазменного шнура.
Наиболее перспективными материалами для первой стенкг ТЯР, как
винно из рис. 7, являются графит, алюминия, титан и вольфрим.
На рис. 8 показаны результаты расчета
MIII
ималыюй температуры
плазмы, при которой осуществляется поджиг термоядерной реакции,
в зависимости от природы примесей и их концентрации в плазме
[122].
60т
Я
а
£ 50
g.m
|0 40-
и.чГ 30-
я U
га
~
ю
Г
• 1
1
-
96
м„
3*
гг..
it
1
'
-
"
гг..
it
1
'
-
1
'
о
Ufti
0,1 40 ЮЛ
Концентрация примесей
п
„/о °/
а
Рис. 8, Влияние примесей на минимальную температуру
поджига [22]
Кислород является типичным остаточным газом в установках; углерод
и кремний будут поступать из графита или карбида кремния; железо
представляет нержавеющую сталь, а молибден материал с большим
25
атомным номером.
В
соответствии
с
теорией рассеяния
на
захваченных
нонах время удержания уменьшается
с
температурой пропорционально
11/2
Т
.
Поэтому маловероятно,
что
реактор
с
зажиганием будет
ра
ботать
с
первой стенкой
из
нержавеющей стали
без
специальных
мер
по борьбе
с
примесями.
С
другой стороны, материалы
с
небольшим
атомным номером (например, бериллий, карбид бора, карбид кремния
или графит) могут использоваться
для
первой стенки
в
установках
с зажиганием реакции
при
температуре порядка
10 кэВ.
2.5.
Физические процессы
на поверхности первой стенки
Первая стенка
ТЯР,
помимо облучения атомными частицами,
бу
дет испытывать воздействие различных видов электромагнитных излу
чений.
За
исключением потока нейтронов, точные значения потоков
и энергий частиц
и
излучений
на
первую стенку пока
не
известны.
В табл.6 приведены грубые оценки этих величин
для
реакторовтокамаков
[341.
Упомянутые частицы
и
излучения будут вызывать много различ
ных физических процессов
[11, 26,
3138,
38а] ,
которые окажут
влияние
на
балансы энергии
и
частиц
в
плазме.
Таблица
6
Потоки
и
энергия частиц
и
излучений
на первую стенку реакторатокамака
Tmi излучения
Энергия Плотность потока,
экв,
мкА/см
Нейтроны
14,1
МэБ
1,6160
Нейтроны До
14 МэВ
16160
д°,
д
+
, т°, т
(1
т
5).10
5
эВ
161600
Альфачастицы
(из,з).ю
6
эв
0,1616
Ионы примесеЛ
1Ю
4
эВ
0,0161,6
Электроны
гio
5
эВ
1,6160
Электромагнитные излучения
1010
эВ
100 Вт/см
2
26
В табл.
7
приведены физккохкмическне процессы, которые будут ока
зывать влияние
на
загрязнение плазмы,
а
также значения коэффициен
тов выхода атомов материала стенки
и
примесных атомов.
Таблица
7
Физикохимические процессы, происходящие
на
поверхности
первой стенки
и
приводящие
к
загрязнению плазмы
Процессы
Чем вызываются Коэффициенты выхода
1
2
3
, Физическое
распыление
2.
Химическое
распыление
Ионами примесей
Альфачастицами
Ь°.В*. т°.
т
Нейтронами
Осколками деления ядер
D°,D
+
. т°,
т
+
3,
Десорбция
га
Ионами примесей
зов
и
других
загрязнений
Альфачастицами
J}°.D*, т°,
т
+
Электронами
Фотонами
Нейтронами
Осколками деления ядер
Тепловая
10
5
10"
2
(1(Г
1
)
10"
S
10"
1
10"
.2
10
3
(Ю
4
)
10
u
10
4.
Испарение Униполярными дугами
Убегающими электронами
5. Блистай- tie**, He',D*D°,T*T°
6. Отражение
частиц:
Т>°,
2>+,Т°,Т
+
ионов примесей
альфачастиц
2.10"'
Окончание табл. 7
1
2
.3
7.
Внедрение
частой:
Не"
примесных
ионов
8. Радиационно
стимулирован
ная диффузия
Значения этих коэффициентов еше недостаточно хорошо измерены
для материалов, представляющих интерес для ТЯР. Многие из назван
ных процессов пока плохо научены.
2.6.
Относительная важность различных
источников загрязнения плазмы распылением
ФизичьсКое распыление, повидимому, будет основным источником
загрязнения плазмы. Поскольку потоки части и коэффициенты распы
ления этими частицами различны, необходимо определить степень важ
ности различных источников распыления первой стенки. Кроме того,
важно учесть возможности инвертора для ачистки плазмы от примесей
Г.Верникел, Б.Шерцер, Дж. Бо^данскиЙ и Р.Бериш f37j решили систе
му уравнений баланса частиц для трех случаев: 1) реактор без дивер
тора; 2) реактор с хорошим инвертором; Я) реекгор с идеальным ди
вертором. Помимо этого учитывались условия вводы топлива в реактор:
1) нормальный ввод топлива; 2) идеальный ввод топ/шва.
Расчеты выполнены в предположении, что материалом первой стен
ки является нержавеюшая сталь, температура плазмы в центральной
области равна 8 кэВ, малый радиус плазмы 2 м, тепловая нагрузка
на первую «тен«у 2 МВг/м , плотность частиц в плазме 5.10 м~ ,
время удержания топливных частиц 5 с. Результаты этих расчетов
преаставлены в табл. 8. Доминирующую роль при поступлении примесей
28
На
0
в плазму реактора
с
дивертором будет играть распыление стенки топ
ливными частицами. Вторым важнейшим источником загрязнений явля
ется самораспыление атомными частицами материала стенки. Распыле
нием стенки нейтронами можно пренебречь. Время горения реакции
мо
жет превысить
100
времен удержания топливных частил.
2.7.
Требования, предъявляемые
к
материалу
первой стенки
ТЯР
К материалу первой стенки, непосредственно обращенной
к
высоко
температурной плазме, предъявляются следующие основные требования
[29,
39J
:
1.
Произведение коэффициента распыления материала ионами
и
ато
мами рабочих гаэзв
на
квадрат атомного номера примеси должно быть
минимальным:
5_/£")£
= Win. (12)
it
При неполной обдирке ионов следует пользоваться соотношением
S^
t
(£)'%
'
—min.
(12a)
2.
Концентрация примесей
в
плазме должна быть меньше "леталь
ной" относительной концентрации примеси, определенной
как
такая кон
центрация, начиная
с
которой суммарные радиационные потери превос
ходят энерговыделение, создаваемое альфачастицами при любой темпе
ратуре термоядерной реакции [29aJ
:
Для молибдена
и
вольфрама 'летальные* концентрации примесей
равны 0,6%
и
0,2% соответственно.
3.
Материал должен хорошо обезгаживаться. Коэффициент десорб
ции примесных газов
в
рабочих условиях при температурах
300—1000
С
под действием электронов
с
энергией 0,11 кэВ
не
дол
жен превышать
10
мол. /электрон.
29