Воздействие плазмы на вольфрам с высоким уровнем радиационных повреждений эффекты эрозии и накопления изотопов водорода

XXXVII Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС, 8 – 12 февраля 2010 г.

Воздействие плазмы на вольфрам с высоким уровнем радиационных повреждений - эффекты эрозии и накопления изотопов водорода

При создании термоядерных реакторов-токамаков одной из серьезных проблем становится повреждение конструкционных материалов реактора быстрыми нейтронами, возникающими в реакции синтеза DT. В Курчатовском институте предпринята работа по экспериментальному исследованию эффектов, связанных с воздействием плазмы на материалы при наличии в них радиационных повреждений. Исследованию подвергались кандидатные материалы, предлагаемые в качестве покрытий, обращенных к плазме, такие как углеродные материалы [1] и вольфрам. В данной работе приводятся результаты экспериментов с вольфрамом W (99,95% wt) при наличии в нем радиационных повреждений высокого уровня. Рассмотрены эффекты эрозии и накопления изотопов водорода. Перед экспозицией образцов в плазме они облучались на ускорителе (циклотроне) быстрыми ионами гелия с энергией 3,5-4 МэВ для получения радиационных повреждений в материале. Накапливаемые таким образом повреждения в вольфраме достигали высокого уровня, что позволяет моделировать эффект воздействия нейтронов на материал при флюенсах 10²⁶ нейтрон/м². Были получены образцы с ионными дозами 10²¹, 10²² и 310²² He⁺⁺/м². Последнее значение отвечает повреждениям на уровне 10 сна в среднем по поврежденному слою. Облученные образцы подвергались экспозиции в стационарной дейтериевой плазме в аксиальной магнитной конфигурации на модельной установке ЛЕНТА. Проводилось моделирование диверторной плазмы, энергия ионов на поверхности составляла 250 эВ. В последовательных сериях экспозиции получен флюенс D⁺ ионов на поверхности 10²⁵-10²⁶ ион/м². Определена скорость эрозии поврежденного вольфрама; влияния повреждений на скорость эрозии не обнаружено. С помощью СЭМ изучена модификация поверхности материала, проведено сравнение результатов на облученных и необлученных материалах. Измерены концентрации изотопов водорода и гелия в облученном вольфраме. Методом ядер отдачи измерены характеристики захвата изотопов водорода, зарегистрировано повышенное их содержание в поврежденном вольфраме. С помощью обратного резерфордовского рассеяния гелий обнаружен в слое на глубине до 6 мкм, что соответствует расчетным значениям толщины поврежденного слоя. Реализованный в работе подход и полученные результаты свидетельствуют о перспективности применения метода в исследованиях воздействия плазмы на материалы первой стенки термоядерного реактора для определения их срока службы и накопления в них трития с учетом повреждения нейтронами.

Работа поддержана Росатомом, контракт № Н.4б.45.03.09.1209; РФФИ, проект № 08-08-12151-офи.

Литература

1. 
   V.S. Koidan, et al., FEC-2008, FT/P2-11, Geneva.