Обратное газовыделение и захват ионов дейтериевой плазмы материалами ТЯР тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

-МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ШЕШНСМ&Ю5НЕСШ ИНСТИТУТ

На правах рукописи БАЦОУРКО Василий Владимирович

ОБРАТНОЕ ГАЗОВЬЩЕЛЕНИЕ К ЗАХВАТ ИОНОВ ДЕЙТЕРИЕВСЙ ПЛАЗМЫ - МА.ТЕРИАЛАШ ТЯР

01.04.08 - физика и химия плазмы . 01.04.07 - физика твердого тела

' . Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Автор

Москва - 1991

Работа выполнена на кафедре физики плазмы Московского инженерно-физического института. '• . ■ • . , , Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор В.Г. Тельковский.

Официальные оппоненты: ■.,.•... .. -

доктор технических наук O.K. Вужинский.

заведующий лабораторией . - , .

кандидат физико-математических -наук '' . - Ю.Н. Девятко

доцент ' ■; ■ : ' ,':

Оппонирующая организация: •• • ' . •-. • • • ;

Институт Атошой Энергии им. К.В. Курчатова, (г. Москва).

Защита состоится " J 8 " i,. г-г у^1992 г. на заседании Специализированного совета K~053.03.08 в Московской ордена Тру дового Красного Знамени инженерно-физическом институте.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЖФИ.

Автореферат разослан " " 1992 г.

Ученый секретарь Совета С.Т. Корнилов

кандидат физико-математических наук.

ОБЩ ШШЕРЖЯШ РАБОТЫ

Актуальность темы ''.'-•

Работы по созданию управляемого термоядерного реактора ведутся все в более широких масштабах. При реализации этой программы требуется решить ряд задач, связанных с взаимодействием плазмы с материалами. Одна из составных частей этого взаимодействия - внедрение ионов изотопов водорода в поверхность материалов первой стенки и связанные с этим рециклинг топлива и изменение свойств плазмы. В качестве конструкционного материала первой стенки предлагались различные типы сталей. Известные в настоящее время данные по поглощению и газовыделению ионно-внедренного водорода сталями часто противоречивы, отсутствуют экспериментальные данные для электронвольт-ных энергий ионов. Нет ясности в том, какие характеристики поведения водорода в сталях играют решающую роль в этих процессах; Эта информация ваша для. создания новых марок сталей с прогнозируемыми свойствами.

Цель работы:

I; Создание оборудования для изучения процесса рециклинга с контролируемым состоянием поверхности и энергиями ионов > близкими к реальным ТЯУ и ТЯР. 2. Определение количественных- характеристик захвата и реэмис-. сии ионно-внедренного дейтерии, необходимых для анализа массообмена водородной плазмы с материалами первой стенки в интервале энергийгхарактерных для ТЯР.

3. Сравнительная оценка применимости аустенитных и ферригных сталей по отношению к рециклингу водорода в ТЯУ.

4. Расчет основных характеристик захвата, накопления, газовыделения при'ионном внедрении и сравнение с полученными экепери ментальными результатами. ' - .

Научная новизна результатов

Впервые выполнено сравнение характеристик захвата и газовыделения при облучении ионами дейтерия низких и средних энергий, различных аустенитных. и ферригных сталей в,широком диапазоне температур внедрения (ЮОЯСЮОХ).

Установлено, что кристаллическая структура играет решащуп,-роль в процессе захвата и газоввделения дейтерия при ионном;. ' внедрении в стали различного типа. Различное содержание углерода, наличие водородоактивных примесей, способ подготовки поверхности не приводят к качественным изменениям в характере взаимодействия ионов водорода со сталью.

Впервые измерены коэффициенты захвата и газоввделения дейтерия на сталях с учетом отраженных частиц в области низких энергий (до 10 эВ на дейтон), юс зависимость от угла падения бомбардирующих частиц на мишень.

Практическая ценность работы

Сравнительная оценка аустенитных и ферритных сталей относительно захвата, накопления и газоввделения ионно-внедренного , дейтерия позволяет выябигь их возможности при использовании в различных элементах ТЯУ и ТЯР, дать рекомендации по температурному режиму эксплуатации.

О I 2^,10—см

Рис. I. Зависимость реэмиссии дейтерия от флюенса. I - 15 кэВ£>£ —12Х13М2Н6Р, Тв = 100 К.

2-15 кэВ!)^ — 12Х18Н10Т.

-2

«Ч §1.0

0

КО.8

5 ф

^0.6

1 0.4

К

I0-2

о

ЙО.О

/ V /Х.к

у\^280

/\700

750

1000,550

. • . 1. , 1.

2

4?0,Ю

1бсм"2

О

Рис. 2. Зависимость реэмиссии дейтерия от флюенса при высоких температурах внедрения. 15 кэВЗ^ — 12Х13ГЛ2БФР.

400 600 . 600 Т,К Рис. 3. Териодесорбциснные спектры после бомбардировки сталей различных марок.= 1,28'10 «.Г?

I - 15 кэЗЗ р -»-12Х18Н10Т.

2-15 кэВ.0|—т

-12Х13М2БВР.

О „50 100 Е ,эВ

Рис. 4. Зависимость коэф -

фицйента захвата ионов Р д

от энергии на дейтон для VI/":

а - 0о= 0°,т>- &> = 60е, 4-

в0 = 75°и стали 12Х13И2ЙР : О - в0 = 0°.0о- угол падения ионов на мишень.

Последнее обстоятельство может оказаться веским аргументом против использования ферритной стали в ТЯУ, так как обычно ре- .жим тренировки разрядной камеры предусматривает прогрев 'до 400 * 500 К. При таких температурах не весь внедренный водород покинет ферритную сталь, а последующее накопление от разряда к разряду приведет к водородному охрупчиванию и разрушений; . стенки.

Сравнение полученных экспериментальных данных с известными из литературы обнаружило количественные различия в поведении КОГ и ТДС. В диссертационной работе были исследованы возможные причины этих различий: I) способ подготовки поверхности перед облучением; 2) наличие в исследуемом материале примесей или легирующих добавок служащих ловушками для водорода; 3) образование пузырьков метана в образцах с большим содержанием углерода.

1. Эксперименты на неполированных и электрополированных образцах, как отожженных так и неотожженных перед внедрением ио-"' нов показали, что различные способы подготовки поверхности и отжиг образцов не приводят к_большим количественным различиям в КОГ и ТДС. ' ' '

2. Во всех типах сталей в качестве легирующей добавки присутствует углерод. Эксперименты с никелем и железом с варьируемым содерканием углерода от 0,1% до 0,® показали, что повышенное . содержание углерода в никеле приводит к увеличению энергии активации газовьделения. Энергия активации определялась по смещению максимума пика в ТДС при различных скоростях прогрева.

Для железа при сод^-гании углерода О,коэффициент ре-эмиссии в интервале флюенсов % = (2 8) Ю16 $ -см"2 отличается от коэффициента реэмиссии для чистого железа на 20%, однако для флюенсов % - 1-Ю17 см"2 коэффициент реэмиссии близок к единице для никеля и железа ' независимо от содержания углерода.

(С ,

3. Установлено, что образование пузырьков метана в облучаемом материале не происходит при содержании углерода и флюен-сах 4*"см-^; наличие пиков в высокотемпературной облас -ти ТДС для ферритной стали ио( - железа обусловлено выходом дей -терия с необлучаемой стороны образца и не связано с захватом во -дорода на водородоактивных примесях.

Конструктивные возможности установки "Медион-2" позволили провести эксперименты по внедрении ионов дейтерия с энергиями 10 4 300 эВ/дейгон, соответствующими пнергиям ионов, пристеночной плазмы. По КОГ и ТДС определены коэффициенты захвата и отражения для вольфрама и стали 12Х13М2БФР, их зависимость от угла падения ионов на мишень. Обнаружено, что при касательных углах падения ионов на мишень зависимость коэффициента захвата от энергии не -монотонна и имеет минимум при энергии ионов 20 - 30 эВ/дейтон (Рис. 4 ).

Для описания экспериментальных ТДС была использована одна из наиболее развитых моделей применимых для случая, когда размеры области торможения ионов много меньше толщины образца. Концентрация водорода в растворе внедрения описывается одномер -ным уравнением:

где Ш'/}- концентрация водорода в растворе внедрения; 3>Г/,0 -коэффициент диффузии, функция источника, 1о - плотность

тока ионов за вычетом коэффициента отражения; функция сто-

ка, описывающая захват в дефекта (^>0) или освобовдение из них (/< 0). Баланс частиц в приповерхностном слое толщиной 6 иного меньшей глубины проективного пробега записывается в виде:

Н

где >6 --толщина образца, ■?(*/)- скорость газоввделения, куда входят термодесорбция и ионно-стимулированная десорбция. В модели предполагают, что в одной ловушке может содержаться один атом водорода. Часть параметров, используемых при расчете, определялись из условий экспериментов: температуры внедрения и откига, плотность тока, ионов на входящую поверхность, скорость прогрева после внедрения, толщина облучаемого образца. Ряд параметров выбирался из литературных данных: энергия активации диффузии, предэкспонента в коэффициенте диффузии, энергия связи в дефектах, глубины профиля дефектов и профиля внедрения ионов, предэкспоненгы коэффициентов рекомбинации на облучаемой и задней поверхности, энергия рекомбинации. В качестве свободного параметра использовалась максимальная концентрация дефектов. При некоторых фиксированных параметрах расчетные термодесорбционные спектры хорошо описывают эксперимент. Эти параметры мо-

гут быть использованы для анализа массообмена плазма - стенка в' ТЯУ.

Практический интерес представляет случай, когда пробег ионов много меньше глубины распространения диффузионного фронта, а влияние дефектов невелико. Такая ситуация возникает при внедрении низкоэнергетичных ионов пристеночной плазмы и в области высоких температур внедрения. Баланс частиц на границе при этом ■запишется в виде:

Здесь € - толщина'приповерхностного слоя, Хо - коэффициент рекомбинации, Хо - падающий на поверхность поток частиц.

¡г

Если изменение концентрации на границе происходит медленно, из исходного уравнения можно получить выражение для количества захваченных частиц Ф , связывающее коэффициент отражения Ям , параметр рециклинга Яс и флюенс & ;

На основании предложенной модели по экспериментально измеренной 'зависимости Ф(Ф0) выполнен расчет коэффициента отражения дейтерия на стали 12Х13М2ЕФР для энергий 30 эВ на дейтон и определен параметр рециклинга Яс в интервале энергий 30 ^ 7500 эВ на дейтон.

Основные результаты диссертации:

1. Для проведения экспериментов по захвату и освобоздению ионно-внедренного дейтерия в области низких энергий была создана новая установка "Медион-2" типа ионного монохроматора с системой торможения ионов и глубокой дифференциальной откачкой.

Установка позволяет:

а) проводить эксперименты с ионами первичного пучка в диапазоне энергий 10-4000 эВ на дейтон;

б) изменять угол падения ионов в пределах 0-75° без деформации мишени;

в) контролировать в процессе эксперимента качественный состав поверхности с помощью двух методов: регистрация рассеянных ионов и атомов- отдачи, вторично-ионная масс-спектрометрия;

г) обеспечить низкое давление рабочего газа в районе мишени во

о 9 \

время экспериментов (5*10 Па) и активных газов (5'10" Па).

2. Впервые определены и дана сравнительная оценка для ферритной и аустенитной сталей ряда характеристик, необходимых для анализа массообмена водородной плазмы с первой стенкой: .

коэффициентов захвата и реэмиссии кэвных ионов в широком диапазоне параметров облучения, параметров рециклинга и их зависимости от температуры. \ \': . , , y-.vV'

3. Показано, что различное состояние поверхности и ее обработки для сталей не столь сильно влияет на экспериментальные. ; результаты, как ожидалось .из анализа литературных данных.,

4. Исследование влияния содержания углерода в железе на захват ионов дейтерия показало, что вплоть до концентрации углерода 0,6$ образование пузырьков метана не происходит.

5. Впервые экспериментально измерены угловые и энергетические зависимости коэффициентов захвата и отражения в области низких онергий СЮ ~ 30 зВ) для вольфрама и стали. Эксперимен- _ тально обнаружена для касательных углов падения немонотонная зависимость коэффициента захвата и отражения от энергии частиц.

Публикации

По основным результатам диссертации опубликовано 10 печатных работ. - • . 'I. Писарев A.A., Бандурко'В.В., Цыллаков В.Н. "Определение энергии активации газовыделения ионно-внедренного дейтерия из нержавеющей стали" - Атомная энергия, 1987, т.62, вып.I, с.28-30. :

2. Варава A.B., Бандурко В.В., Писарев A.A., Цыплаков В.Н. "Константа рециклинга водорода на нержавеющей стали". В кн. "Взаимодействие атомных частиц с твердым телом". Материалы восьмой всесоюзной .^нференции. М: 19ЕГ7 Минск; Изд. ЫРП1 1987, т.2, с 339-341.

3. Писарев A.A., Бандурко В.В.'"Внедрение ионов изотопов водорода в нержавеющие стали. - В сб. Инженерно-физические аспекты термоядерных реакторвв. М: Энергоамтоиздат 1988, с. 64-76. , .

4. Бандурко B.B., Писарев A.A., Чернов И.И. - "Влияние содержания углерода в никеле и железе на захват ионно-внедренного дейтерия". - В кн. Взаимодействие атомных частиц с твердым телом. Материалы IX Всесоозной конференции. M.I989, т.2,

с. 90-91.

5. Писарев A.A., Огородникова О.В., Бандурко В.В. "Расчет тёрмо-десорбционных спектров водорода, внедренного при ионном облучении" /4/ с .110-1 12.

Б. Вогачев А.Г., Калин Б.А., Реутов И.В., Чернов И.И., Бандурко В.В Черников В.Н. "Влияние углерода на газовыделение и структуру в облученных ионами J>¿ и сплавах М-С* и Fe~C. В сб. "Те-■ зисы докладов 1У Международной конференции по исследованию и раз

,работке конструкционных материалов для реакторов термоядерного . синтеза. Дубна, 1990, с.Г8.

7. Писарев A.A., Бандурко В.В., Цыплаков В.Н., Варава A.B. "Газоввделение ионно-внедренного дейтерия из нержавеющей стали"-Атомная энергия, 1990, т.68, вып.4, с.280-281.

8. ¿anJunfa К И,- tfoóoros A/lív'., Aussäet/ /4. $o¿■ tri ко y U iaßtye/

JjCu/ ¿'nei'^y ¿>y¿/''Otfeir Л,,!-/ Áedi u-m i'cn<. Sac A sccffe''<'kC ^/,'Onr ¿vs'/ates 'S/SA jt/^/í-^.w J/ucf. f)?ífe,<, /920, « /ы//;?-^. 6i¿>-<

9. Бандурко В.В., Курнаев В.А. "Установка для. исследования захвата и обратногогазоввделенвд легких нйзяоэнергетичных ионов с одновременным контролем состояния поверхности.' В сб. "Тезисы доклад Всесоюзного совещания-семинара Диагностика поверхности ионными пучками". Одесса. 1990, с.225-226.

Ю. Бандурко В.В., Курнаев В.А. "Отражение низкоснергетиетых ионов дейтерия". - В кн. "Взаимодействие ионов с поверхностью" Материалы десятой всесоюзной конференции. Москва, 1991, т.1, с.17-19. ^