Комплексные Исследования физических процессов при взаимодействии мощных потоков плазмы с материалами термоядерных установок

На правах рукописи

Сафронов валерий михайлович

Специальность 01.04.08 — «Физика плазмы»

Автореферат
диссертации на соискание ученой степени доктора
физико-математических наук

Троицк – 2012

Работа выполнена в ФГУП «Государственный научный центр Российской Федерации Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований».

Официальные оппоненты:

Малюта Дмитрий Дмитриевич - доктор физико-математических наук, профессор, Государственный научный центр Российской Федерации Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований, директор отделения

Мартыненко Юрий Владимирович - доктор физико-математических наук, НИЦ «Курчатовский институт», главный научный сотрудник

Шарапов Валерий Михайлович - доктор физико-математических наук, ФГБУН Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН, ведущий научный сотрудник

Ведущая организация: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский ядерный университет «Московский инженерно-физический институт»

Защита состоится «____» _____________ 2012 г. в _____ час. _____ мин. на заседании диссертационного совета ДС 201.004.01 в Государственном научном центре Российской Федерации Троицком институте инновационных и термоядерных исследований (ГНЦ РФ ТРИНИТИ) по адресу: 142190, Московская область, г. Троицк, ул. Пушковых, владение 12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ ТРИНИТИ.

Автореферат разослан «____» _______________ 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат физико-математических наук А. А. Ежов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Перспективы развития плазменных технологий и создание крупномасштабных термоядерных установок требуют разработки физических моделей, адекватно описывающих взаимодействие мощных потоков плазмы с конструкционными материалами. Для построения таких моделей требуется изучение не только конечных результатов взаимодействия но, главным образом, физических процессов, имеющих место быть при облучении материалов плазмой. Основная сложность заключается в необходимости учета одновременного действия большого количества взаимозависимых процессов.

Физические процессы, развивающиеся при облучении материалов плазмой, настолько многообразны и так чувствительны к изменению условий облучения, что они не могут быть описаны в рамках одной модели и, соответственно, не имеет смысла говорить о разработке всеобъемлющей модели взаимодействия. Задача состоит в изучении физической картины взаимодействия для определенного диапазона параметров, представляющих наибольший практический интерес.

Одним из наиболее важных параметров является поток энергии w, поступающий на поверхность материала. Для любого материала существует предельный поток w_max, который может отводиться от облучаемой поверхности вглубь материала за счет теплопроводности:

(1)

где k- коэффициент теплопроводности, c - удельная теплоемкость,  - массовая плотность, T_max - максимально возможная температура поверхности материала (это может быть температура кипения или сублимации), t - момент времени от начала воздействия на материал. Например, при t = 1 мкс для вольфрама w_max = 10 МВт/cм², меди w_max = 5 МВт/cм², графита w_max = 2 МВт/cм², стали w_max = 1,5 МВт/cм².

В настоящей работе исследовались такие режимы взаимодействия плазмы с материалами, когда w > w_max. В этом случае падающий на поверхность поток энергии не может полностью отводиться вглубь материала; в результате, поверхностный слой материала испаряется, ионизуется, и образуется плотный слой мишенной плазмы, экранирующий поверхность от прямого воздействия высокоэнергетичной плазмы. После формирования экранирующего слоя тепловое воздействие плазмы на мишень определяется процессами передачи энергии в слое. При этом часть энергии вообще не доходит до поверхности материала и рассеивается в виде излучения мишенной плазмы. В результате, тепловая нагрузка на мишень может существенно снижаться. Эффект экранировки наблюдался во многих плазменных экспериментах, однако до начала исследований, выполненных в данной работе, эффект практически не изучался и надёжных сведений о свойствах экранирующего слоя и процессах вблизи облучаемой поверхности не существовало.

Экранирующий слой оказывает определяющее влияние на взаимодействие мощных потоков плазмы с твердотельными мишенями. Поэтому изучение физической картины взаимодействия плазмы с материалом при w > w_max - это не только исследование процессов, происходящих на поверхности и внутри облучаемого материала, но, прежде всего, это изучение процессов, развивающихся в экранирующем слое перед поверхностью материала.

Актуальность исследований обусловлены рядом причин:

Для обоснованного выбора материалов и конструкции первой стенки экспериментального термоядерного реактора ИТЭР необходимы достоверные сведения о том, что будет происходить с материалами первой стенки при срывах тока, сопровождающихся выбросом высокоэнергетичной плазмы на стенки камеры, когда тепловые потоки достигают уровня w = 1 - 100 МВт/см² [1,2]. Исследования, выполненные в рамках данной работы, были нацелены в первую очередь на решение этой задачи.
Исследование механизмов и эффективности передачи энергии из плазмы на поверхность материала, а также изучение процессов, развивающихся в поверхностном слое облучаемого материала, необходимы для разработки физических основ плазменных технологий, в которых мощные потоки плазмы применяются для упрочнения поверхности конструкционных материалов.
В ходе исследований было обнаружено, что облако мишенной плазмы, которое образуется при облучении материалов интенсивными плазменными потоками, эффективно преобразует энергию плазменного потока в коротковолновое излучение. Обнаруженный эффект открывает новые возможности в создании мощных источников коротковолнового излучения на основе взаимодействия плазменных потоков с материалами.

Цель данной работы состояла в проведении комплексных исследований взаимодействия импульсных потоков высокотемпературной водородной плазмы с конструкционными материалами при интенсивностях плазменных потоков 1 - 100 МВт/см².

Основные задачи, решаемые в рамках указанной цели.

Создание необходимой экспериментальной базы и получение потоков плазмы с параметрами, характерными для срывов тока в ИТЭР.
Создание диагностического комплекса для изучения свойств экранирующего слоя (плотность плазмы, температура, химический состав, ионизационное состояние, радиационные потери и т.д.) и анализа результатов плазменного воздействия на облучаемые материалы (механизмы эрозии, продукты эрозии, суммарная эрозия).
Исследование основных физических процессов, имеющих место при взаимодействии мощных потоков плазмы с материалами.
Получение ключевых экспериментальных данных для разработки и совершенствования расчетно-теоретических моделей взаимодействия.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что

впервые подробно исследованы не только конечные результаты воздействия мощного потока плазмы на материал (эрозия, продукты эрозии и т.п.), но также и сам процесс взаимодействия при интенсивности плазменных потоков 1 - 100 МВт/см²;
впервые проведены исследования полного баланса энергии и показано, что из-за эффекта экранировки до поверхности мишени доходит лишь незначительная доля энергии потока, а основная часть энергии рассеивается в виде излучения мишенной плазмы;
впервые, с использованием надежных средств диагностики, проведены измерения основных параметров мишенной плазмы, образующейся при взаимодействии мощного потока высокотемпературной плазмы с твердотельными материалами. В частности, экспериментально доказано, что при сравнительно небольшой интенсивности плазменного потока w = 10 МВт/см² мишенная плазма может быть нагрета до температуры Т = 40 – 70 эВ, причем, высокая температура плазмы сохраняется даже на расстояниях меньше 1 см от поверхности мишени;
впервые детально исследованы излучательные характеристики образующейся мишенной плазмы и показано, что мишенная плазма излучает преимущественно в интервале длин волн  = 30 - 300 Å и, таким образом, экранирующий слой является источником мощного коротковолнолнового излучения.

Научная и практическая ценность работы.

Представленные в диссертационной работе исследования были организованы в рамках официальной задачи ИТЭР «Срывная эрозия» (”Disruption erosion”) и были нацелены, прежде всего, на решение этой конкретной задачи. Однако ценность полученных результатов не ограничивается только лишь рамками этой задачи.

Полученные в диссертационной работе экспериментальные данные были использованы для разработки и совершенствования расчётных кодов FOREV-1D [3], FOREV-2D [4], MEMOS [5], PEGASUS-3D [6] и A*THERMAL-S [7], применяемых для моделирования процессов в диверторе токамака-реактора при срывах тока и экстраполяции результатов экспериментальных исследований на условия ИТЭР.
В результате проведенных исследований было показано, что из-за эффекта экранировки испарение материалов не представляет серьезной угрозы с точки зрения эрозии и разрушения облучаемых плазмой элементов дивертора. Реальную угрозу представляют макроскопические механизмы эрозии, именно эти механизмы будут определять время жизни элементов дивертора, а также количество материальной пыли, накапливающейся в вакуумной камере ИТЭР.
Стало понятно, что при выборе материала диверторных пластин необходимо принимать во внимание специфические особенности экранирующего слоя конкретного материала. При использовании тяжелых материалов (вольфрам) элементы дивертора, попадающие под действие интенсивного излучения мишенной плазмы, также нужно изготавливать из материалов, способных выдерживать высокие тепловые нагрузки. В случае легких материалов (графит) нужно учитывать, что быстро расширяющаяся мишенная плазма может попадать в основную камеру, что приведет к постепенному запылению внутренней поверхности камеры материалом пластин.
Экспериментально обнаруженные особенности в эрозии углеграфитовых композитов, а именно тот факт, что большая скорость эрозии вспомогательных PAN волокон определяет эрозию всего материала в целом, позволили сформулировать практические предложения по улучшению свойств С-С композита за счет изменения ориентации PAN волокон.
Обнаруженная в ходе исследований возможность нагрева экранирующего слоя мишенной плазмы до сравнительно большой температуры и высокая эффективность преобразования энергии плазменного потока в излучение открывают новые возможности в создании мощных источников коротковолнового излучения на основе взаимодействия плазменных потоков с материалами. При этом, меняя материал мишени, можно управлять спектром излучения и его пространственным профилем.
Возможность прямых измерений температуры, плотности и одновременно с этим спектра излучения плазмы любого твердотельного материала представляет самостоятельный научный интерес, так как эти данные могут быть использованы (и уже используются) для разработки и уточнения соответствующих моделей излучения.
Сведения о механизмах и эффективности передачи энергии из плазмы на поверхность материала, а также основных процессах, развивающихся в поверхностном слое облучаемого материала, представляют несомненную ценность для создания физической основы плазменных технологий, в которых мощные потоки плазмы применяются для обработки поверхности конструкционных материалов.

На защиту выносится

Создание плазменной установки MK-200UG и получение потоков высокотемпературной замагниченной водородной плазмы с направленной энергией ионов E_i = 2-3 кэВ, температурой T ≈ 1 кэВ, средней плотностью энергии q = 1,5 кДж/см², интенсивностью до w = 50 - 100 МВт/см² и полным энергосодержанием до Q = 50 кДж в магнитном поле В = 2 – 3 Т для экспериментального моделирования плазменных нагрузок в диверторе ИТЭР при срывах тока.
Создание диагностического комплекса для изучения основных характеристик экранирующего слоя плазмы (плотность, температура, химический состав, ионизационное состояние, радиационные потери и т.д.), а также результатов воздействия плазменного потока на облучаемые материалы (механизмы эрозии, продукты эрозии, суммарная эрозия).
Результаты исследования эффекта экранировки и вывод о том, что при взаимодействии мощного потока плазмы с твердотельной мишенью в условиях, когда поступающий на поверхность поток энергии не может полностью отводиться вглубь облучаемого материала за счет теплопроводности, эффект экранировки играет принципиальную роль и в значительной степени определяет как динамику процесса взаимодействия, так и его конечные результаты. В частности, из-за эффекта экранировки существенно уменьшается эрозия материала.
Экспериментальные данные о формировании экранирующего слоя, свидетельствующие о том, что воздействие мощного потока плазмы приводит к быстрому испарению и ионизации тонкого слоя материала мишени. В результате, образуется облако плотной (n > 10¹⁷ см^-3) мишенной плазмы, которое экранирует поверхность от прямого воздействия плазменного потока: поток тормозится в мишенной плазме и не доходит до поверхности. При интенсивности плазменного потока w 10 МВт/см² экранирующий слой формируется за 1-2 мкс, т.е. за сравнительно короткий промежуток времени, после чего устанавливается квазистационарная стадия взаимодействия, когда тепловое воздействие на материал определяется процессами передачи энергии в экранирующем слое.
Создание экспериментальной базы данных для разработки и проверки расчетно-теоретических моделей взаимодействия мощных потоков плазмы с конструкционными материалами. Результаты измерений плотности, температуры, ионизационного состояния, а также их пространственного распределения и временной эволюции для ряда материалов, в том числе, для углеграфитов и вольфрама, которые считаются основными теплозащитными материалами для дивертора ИТЭР. Экспериментальное доказательство возможности нагрева мишенной плазмы до температуры Те = 40 – 70 эВ при интенсивности плазменного потока w = 10 МВт/см².
Анализ механизмов переноса энергии в экранирующем слое и вывод о том, что для материалов с высоким Z (медь, сталь, молибден, вольфрам) энергия доставляется на поверхность, в основном, за счет излучения, а для материалов с малым Z (графит, C-C композит, оргстекло, нитрид бора) существенную роль играет продольная электронная теплопроводность.
Экспериментальные данные о влиянии магнитного поля на движение мишенной плазмы и эффективность экранировки поверхности:

- при нормальном падении плазменного потока на мишень магнитное поле (перпендикулярное поверхности мишени) ограничивает расширение экранирующего слоя поперек силовых линий. В результате устанавливается практически одномерное течение эрозионной плазмы вдоль силовых линий магнитного поля навстречу потоку. Вся масса испаренного вещества участвует в экранировке поверхности и, таким образом, достигается максимальная эффективность экранировки;

- при наклонном падении потока на поверхность, часть мишенной плазмы сносится по наклонной поверхности вниз по потоку, что может приводить к потере испаренного вещества и снижению экранировки.

Результаты исследования баланса энергии и вывод об определяющей роли радиационных потерь: энергия плазменного потока поглощается экранирующим слоем, и основная её часть трансформируется в излучение мишенной плазмы, причем, доля энергии, рассеиваемой в виде излучения, растет с ростом интенсивности плазменного потока.
Экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что экранирующий слой эффективно защищает облучаемый материал от испарения. В условиях проведенных экспериментов на испарение расходовалось не более 1 - 2% энергии плазменного потока. Доля энергии, расходуемой на испарение материала, уменьшается с ростом интенсивности плазменного потока.
Анализ излучательных характеристик мишенной плазмы и вывод о том, что экранирующий слой трансформирует энергию плазменного потока преимущественно в коротковолновое излучение ( < 400 Å) мишенной плазмы. Вывод о возможности создания мощных источников коротковолнового излучения на основе взаимодействия плазменного потока с твердотельной мишенью.
Результаты исследований эрозии материалов под действием излучения, выходящего из экранирующего слоя. Практические рекомендации относительно выбора материалов для дивертора ИТЭР.
Экспериментально обнаруженные различия в свойствах экранирующего слоя углеграфитовых и вольфрамовой мишеней и вывод о необходимости учета этих особенностей при выборе материала для диверторных пластин ИТЭР. При выборе вольфрама необходимо принять во внимание, что все элементы дивертора, попадающие под действие интенсивного излучения экранирующего слоя, нужно изготавливать из теплостойких материалов. При выборе углеграфитовых материалов следует учесть, что быстро расширяющаяся мишенная плазма может попадать в основную камеру, что приведет к постепенному запылению поверхности камеры углеродом.
Результаты исследования эрозии углеграфитовых материалов:

- графит и С-С композиты эродируют в виде пара и в виде твердых осколков, образующихся вследствие хрупкого разрушения материала;

- в случае хрупкого разрушения мелкозернистого графита образуются гранулы микронного размера. Эти гранулы полностью испаряются вблизи поверхности, что приводит к росту плотности мишенной плазмы и усилению эффекта экранировки;

- хрупкое разрушение углеграфитового композита происходит не только в виде мелких частиц, но и в виде крупных осколков размером 100 - 200 мкм. Из-за хрупкого разрушения поверхность С-С композита растрескивается. Трещины образуются на границах между продольными пучками волокон (PAN-волокна, ориентированные вдоль поверхности) и поперечными (pitch-волокна, перпендикулярные поверхности), т.е. в тех местах, где возникают максимальные термические напряжения;

- С-С композит имеет серьезный недостаток, заключающийся в том, что скорость его эрозии определяется эрозией вспомогательных PAN волокон, использующихся лишь для того, чтобы соединить друг с другом основные pitch-волокна, обладающие высокой теплопроводностью;

- эрозия С-С композита растет с количеством плазменных облучений и через 100-200 облучений сравнивается с эрозией обычного мелкозернистого графита. При плазменных нагрузках, характерных для срывов тока в ИТЭР, дорогостоящий С-С композит не имеет существенных преимуществ по сравнению с обычным графитом.

Результаты исследования механизмов эрозии металлических мишеней:

- при облучении металлической мишени мощным потоком плазмы образуется слой расплава, который под действием потока перемещается по поверхности мишени от центра к периферии. В результате, в центральной части мишени образуется кратер эрозии. Глубина кратера растет пропорционально количеству плазменных облучений;

- перемещение расплава по поверхности мишени является универсальным механизмом эрозии для любого металла и вносит основной вклад в результирующую эрозию металлических мишеней;

- испарение, а также инжекция капель, обусловленная кипением расплава и развитием в нем гидродинамических неустойчивостей, оказывает незначительное влияние на результирующую эрозию металла, но определяет количество металлической пыли, накапливающейся в вакуумной камере.

Апробация работы. Результаты, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях:

Всесоюзная конференция по плазменным ускорителям и ионным инжекторам (Москва 1982, Днепропетровск 1986, Харьков 1989);
1-ый Всесоюзный Симпозиум по Радиационной Плазмодинамике (Джан-Туган 1989);
4-ая Всесоюзная конференция “Взаимодействие излучения, плазменных и ионных потоков с веществом“ (Фрунзе 1990);
Symposium on Fusion Technology (SOFT-17, Rome 1992; SOFT-18, Karlsruhe 1994; SOFT-19, Lisboa 1996; SOFT-20, Marseille 1998, SOFT-25, Rostock 2008);
2^nd German-Russian Conference on Propulsion Engines and Their Technical Application (Moscow 1993);
21^st International Conference on Phenomenon in Ionized Gases (Bochum 1993);
22^nd IEEE International Plasma Science (Madison 1995);
European Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics (Dubrovnic 1988, Montpellier 1994, Bournemouth 1995, Prague 1998, Maastricht 1999, Warsaw 2007);
Международная Конференция “Взаимодействие инов с поверхностью“ (Москва 1995, 1997);
International Conference on Open Magnetic Systems for Plasma Confinement (OS-98, Novosibirsk 1998);
International Congress on Plasma Physics (Prague 1998);
5^th International Symposium on Fusion Nuclear Technology (Rome 1999);
16-ая Международная Конференция “Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество“ (Нальчик 2001);
International Conference on Plasma-Surface Interaction in Controlled Fusion Devices (PSI-11, Mito 1994; PSI-12, Saint-Raphael 1996; PSI-13, San-Diego 1998; PSI-14, Rosenheim 2000, PSI-16, Portland 2004);
IAEA Conference on Fusion Energy (Vilamura 2004, Chengdu 2006, Geneva 2008);
International Conference on Fusion Reactor Materials (ICFRM-6, Stresa 1993; ICFRM-7, Obninsk 1995; ICFRM-9, Colorado Springs 1999; ICFRM-10, Baden-Baden 2001; ICFRM-11, Kyoto 2003; ICFRM-13, Nice 2007);
ITER Workshop on Disruption Erosion (San Diego 1991; Karlsruhe 1994; Obninsk 1995; St.-Petersburg 1997, 2001; Troitsk 1996, 1998, 2000; 2002, 2003, 2004);
International Conference and School on Plasma Physics and Controlled Fusion (Alushta, 1998, 2000, 2002, 2004, 2006, 2008, 2010);
International Workshop on Plasma-Facing Materials and Components for Fusion Applications (Julich 2003, Greifswald 2006, Julich 2009);
Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС (Звенигород 1993-2012);

Публикации. По теме диссертации опубликовано более 80 научных работ, из них 33 статьи опубликованы в рецензируемых журналах, входящих в список ВАК.

Личный вклад автора в научные исследования и получение представленных в работе результатов состоит в выработке программ исследований и постановке экспериментов, непосредственном участии в создании установки МК-200 UG, организации и проведении экспериментов, а также в обсуждении результатов и анализе физических механизмов, характеризующих процессы, происходящие перед поверхностью, на поверхности и внутри облучаемого плазмой материала.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, включающего 243 названия, из которых 85 работ автора. Диссертация изложена на 245 страницах машинописного текста, содержит 94 рисунка и 5 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении дана общая характеристика работы. Обоснована актуальность темы, сформулирована цель исследований, научная новизна, научная и практическая ценность. Представлены защищаемые положения. Дана информация об апробации работы, публикациях и структуре диссертации. Приведено краткое содержание диссертационной работы.

В первой главе обсуждаются задачи экспериментального моделирования взаимодействия плазмы с диверторными пластинами ИТЭР при срывах тока, а также методы, которые применялись в работе для решения поставленных задач.

Отмечается, что плазменные нагрузки, которые ожидаются в ИТЭР, в существующих токамаках не достигаются, поэтому для экспериментального моделирования условий срыва тока и испытания диверторных материалов необходимо применять другие установки, например, плазменные ускорители, которые способны обеспечить требуемые энергетические нагрузки [8, 9]. Поскольку результаты облучения материала зависят от характеристик бомбардирующего потока, в модельных экспериментах следует воспроизводить те параметры плазмы, которые будут достигаться при срывах тока в ИТЭР. Однако эти параметры известны с большой степенью неопределенности и нет смысла говорить о точном экспериментальном моделировании условий срыва.

В сложившейся ситуации задача экспериментальных исследований формулируется следующим образом: изучение основных физических закономерностей взаимодействия мощных потоков плазмы с веществом в условиях, «максимально приближенных» к условиям срыва тока в ИТЭР.

Несмотря на то, что конечной целью является определение эрозии диверторных материалов, нельзя ограничивать экспериментальные исследования только лишь измерениями эрозии. Без понимания физической картины взаимодействия мощных потоков плазмы с веществом невозможно экстраполировать величину эрозии, полученную в условиях конкретного эксперимента, на условия ИТЭР.

В этой же главе представлены схемы плазменных установок, на которых проводились исследования. Приведены характеристики потоков плазмы. Анализируются достоинства и недостатки установок с точки зрения моделирования условий срыва в ИТЭР. Обсуждаются задачи, которые могут быть решены на каждой из установок.

Рис. 1. Схема магнитной ловушки

1 - магнитные катушки; 2 – вакуумная камера; 3 – поток замагниченной плазмы, вытекающий из ловушки; 4 – силовые линии магнитного поля; 5 – высокотемпературная плазма с  = 1; 6 – мишень на держателе
Первые эксперименты по моделированию взаимодействия потока плазмы с диверторными пластинами ИТЭР были проведены на установке МК-200TRAP. Установка состоит из двух мощных импульсных плазменных ускорителей, установленных навстречу друг другу, и открытой магнитной ловушки (рис.1), располагающейся между ускорителей.

Заполнение ловушки плазмой осуществляется через открытые торцы при помощи плазменных ускорителей. Летящие навстречу друг другу плазменные потоки сталкиваются, в результате, кинетическая энергия сгустков трансформируется в тепловую энергию и в ловушке образуется высокотемпературная «стационарная» плазма с плотностью n = (1-2) 10¹⁶ см^-3, температурой T_e = 200 - 300 эВ, T_i = 700 - 800 эВ и энергосодержанием около 50 кДж. Плазма полностью вытесняет магнитное поле в зазор между плазмой и металлической стенкой камеры, т.е. магнитное поле в высокотемпературной плазме отсутствует и  = nk(T_i + T_e)/(B²/8) = 1.

Основным механизмом энергетических потерь плазмы из ловушки является уход частиц через кольцевые щели. Высокотемпературная плазма с  = 1 диффундирует поперек силовых линий магнитного поля, попадает в скин-слой и затем покидает ловушку вдоль силовых линий магнитного поля. Таким образом, в кольцевой щели формируется поток высокотемпературной замагниченной плазмы.

Плазма, вытекающая из кольцевой щели ловушки, использовалась для воздействия на исследуемые материалы. Максимальная интенсивность плазменного потока достигалась в щели каспа на расстоянии R = 16 – 18 см от оси системы, где силовые линии магнитного поля параллельны друг другу и плазменный поток хорошо сколлимирован (Таблица 1).

Таблица 1. Параметры плазменного потока на установке МК-200 TRAP

Плотность энергии	q_max = 200 Дж/cм²
Плотность мощности	w_max = 10 MВт/cм²
Длительность потока	= 20 мкс
Скорость плазменного потока	V = (2-3) 10⁷ см/с
Плотность плазмы	n = (5-10)10¹⁵cм^-3
Температура электронов	T_e = 120 эВ
Температура ионов	T_i = 600 эВ
Величина 	 = 0.2
Магнитное поле в плазме	В = 2 Тл
Ширина плазменного потока	d = 1 см

За счет перемещения исследуемого образца по радиусу каспа от R = 16 - 18 см до R = 33 см интенсивность плазменного воздействия можно варьировать в диапазоне w = 1 - 10 MВт/cм². Причем, изменение w происходит за счет изменения плотности частиц, а их энергетический спектр остается практически неизменным. С точки зрения моделирования условий срыва к позитивным особенностям установки следует отнести требуемую интенсивность плазменного потока (w = 10 MВт/cм²), наличие в плазме сильного магнитного поля (В = 2Тл), малое содержание примесей (<1%), а также сравнительно высокую температуру (T_i = 600 эВ), достаточную для того, чтобы плазменный поток был бесстолкновительным (как и поток, поступающий в дивертор ИТЭР при срывах тока). По крайней мере, в этом случае не возникает эффект «самоэкранировки», связанный с формированием ударной волны и торможением плазменного потока.

Основным недостатком установки является малая длительность плазменного воздействия на мишень  = 20 мкс. По этой причине на установке МК-200 TRAP целесообразно проводить эксперименты по моделированию и изучению взаимодействия плазмы с материалами на начальной стадии срыва. Следует отметить, что при облучении материалов плазменным потоком с интенсивностью w = 10 MВт/cм² экранирующий слой образуется уже через 1-2 мкс, а потом наступает квазистационарная стадия взаимодействия. Следовательно, малая длительность плазменного импульса не является принципиальным ограничением для изучения экранирующего слоя.

Исследования на установке МК-200 TRAP проводились до 1994 г., а затем она была демонтирована и на ее месте создана установка MK-200 UG (рис.2). На установке MK-200 UG удалось значительно увеличить интенсивность плазменного потока w по сравнению с MK-200 TRAP. Это позволило не только расширить диапазон тепловых нагрузок, но и приступить к экспериментам с наклонным падением плазмы на поверхность мишени, которые более точно воспроизводят ситуацию в диверторе ИТЭР.

Рис. 2. Схема установки MK-200 UG
Уровень мощности, достигнутый на MK-200 UG, достаточен для того, чтобы наклонные ( = 20) мишени облучались потоком энергии w sin ~ 10 MВт/cм², характерным для срывов тока в ИТЭР [1, 2]. При этом увеличение интенсивности потока w достигнуто в основном за счет увеличения энергии ионов до уровня E_i = 2 - 3 кэВ, что также приближает условия модельного эксперимента к условиям токамака.

Диаметр плазменного потока d_п = 6 - 7 см на MK-200 UG близок к ширине диверторного слоя плазмы d 10 см, ожидаемой при срывах тока. Это достаточно важно, т.к. существенную роль в процессе взаимодействия плазменного потока с материалом играет излучение мишенной плазмы, а оно зависит от размеров излучающей области. Характеристики плазменного потока, измеренные в мишенной камере, представлены в Таблице 2.

Таблица 2. Параметры плазменного потока на установке МК-200 UG

Плотность энергии	q = 1,5 кДж/cм²
Плотность мощности	w = 30 - 40 MВт/cм²
Длительность потока	 = 40 - 50 мкс
Скорость плазменного потока	V = (6-7) 10⁷ см/с
Плотность плазмы	n = (2-6)10¹⁵cм^-3
Температура электронов	T_e = 100 - 200 эВ
Температура ионов	T_i 600 эВ
Величина 	 0.3
Диаметр плазменного потока	d = 6 - 7 см

следующая страница>