Механизмы поступления и методы контроля примесей в плазме

Основными источниками примесных частиц в плазме являются: образующиеся в процессе термоядерной реакции гелий и протий; продукты взаимодействия плазмы с первой стенкой; десорбция с конструкционных материалов разрядной камеры; газообразные примеси, содержащиеся в DT-смеси, инжектируемой в камеру перед началом рабочего цикла; газообразные примеси, поступающие в камеру из элементов реактора, имеющих с ней общий вакуумный тракт (системы дополнительного нагрева, устройства диагностики и т. п.).

Для количественной оценки содержания примесей используют обычно эффективный заряд плазмы, который вводится соотношением достаточно большой быстроте откачки ток перевала обращается в нуль, и накопление плазмы шло до тех пор, пока не ограничивалось иными (не перезарядкой) механизмами потерь. При энергии ионов водорода 250 кэВ ток перевала становился нулевым при быстроте откачки 6 х х 10³ м³ /с.

Возможна и другая ситуация, когда перезарядка, напротив, способствует захвату частиц в ловушку. Это происходит при инжекции пучка быстрых нейтральных атомов в холодную плазму высокой концентрации, предварительно созданную в ловушке. В этом случае перезарядка быстрых инжектируемых частиц на холодных ионах приводит к росту ионной температуры в результате замены медленных ионов быстрыми.

Таким образом, несмотря на то, что рабочее давление нейтральной DT-смеси сравнительно велико и составляет 1*10¹ — 1 Па, формирование и нагрев плазмы до термоядерных параметров в ТЯР с магнитным удержанием невозможно без совершенной сверхвысоковакуумной технологии.

Поскольку скорость образования протия приблизительно в 100 раз меньше, чем скорость образования гелия, накопление протия в плазме начнет приводить к падению термоядерной мощности лишь при циклах длительностью свыше 10³ с. Поэтому в реакторах с продолжительным циклом необходимо предусматривать и откачку протия.

Надежных экспериментальных данных о поведении частиц в пристеночной области и рециклинге водорода и гелия пока нет. Однако можно предполагать, что т_Не не будет слишком большим. К этому вопросу мы еще вернемся в 2.4.

Процессы, ответственные за поступление примесей со стенки, весьма многообразны. Это распыление стенки нейтральными атомами перезарядки, примесными атомами и ионами и а-частицами; фото-, электронно-и ионно-стимулированная десорбция; механическое разрушение поверхности в результате блистерообразования; локальное испарение и электрическая эрозия материалов при возникновении на стенках униполярных микродуг, а также под воздействием потоков убегающих электронов и срывов тока плазмы.

По порядку величины на один падающий на металлическую поверхность в вакууме легкий атом энергией 10³ эВ приходится 1*10² распыленных атомов (рис. 2.6). Коэффициент распыления р зависит также от состояния поверхности, угла падения бомбардирующих ее частиц и других факторов. Для каждой пары металл-частица существует пороговая энергия, ниже которой распыление отсутствует (табл. 2.2). В диапазоне температур Г Г_пл (Г_пл — температура плавления) коэффициент распыления металлов не зависит от Т; при большей температуре он экспоненциально возрастает.

Особый характер имеет распыление графита и углеродсодержащих композиций ионами водорода. В интервале температур 600 — 1000 К = 0,88. Иными словами, при этих условиях средствами вакуумной откачки необходимо удалять лишь 1 — R =0,12 падающего на стенку гелия, чтобы его относительная концентрация в плазме в стационарном режиме составила 10%. При лучшем удержании гелия, соответствующем, напргмер, т_и = 10 с, доля откачиваемо-п е го гелия, как легко видеть из (2.6), должна вырасти уже до 62%.

Таблица 2.2. Пороговые энергии Е, эВ, распыления материалов легкими ионами

Материал	Н +	D+	Не+	Материал	н+	D+	Не+
С	9,9	11	16	TiC	64	45	3
SiC	26	19	15	Мо	164	86	45
Ti	47	—	22	Та	460	215	100
V	76	—	27	W	380	175	100
Fe	6,4	40	35	ТаС	340	195	110
в4с	15	8,2	8	WC	320	150	88

Необходимо откачивать весь падающий на стенку гелий, а при еще большем т_Не 10%-ную оно резко увеличивается, причем одновременно в спектре масс остаточных газов возрастает содержание летучих углеводородов. Этот рост р обычно объясняют ускорением химических реакций углерод—водород с образованием соединений С_тН_л (химическое распыление}. При более высоких температурах термическая диссоциация таких соединений превалирует над их химическим синтезом.

Как показывают проектные оценки, распыление первой стенки может представить серьезную трудность при создании ТЯР.

Поступление в плазму кислорода и углеродсодержащих примесей связано со стимулируемыми газодиффузионными процессами на поверхности и в приповерхностном слое стенки под воздействием электронного, ионного и электромагнитного излучения. Энергия диссоциации окис-лов металлов, содержащихся в материале стенки, близка к 5 эВ; энергия значительной доли бомбардирующих стенку частиц и фотонов намного выше. Под действием этих частиц окислы диссоциируют, а выделяющийся свободный кислород тут же окисляет водород и углерод, находящиеся в металле. Образующиеся летучие соединения поступают в плазму. Этот процесс затрагивает не только поверхность, но и довольно значительный приповерхностный слой металла, куда проникают быстрые электроны. Их поглощение нарушает связи атомов кислорода с соседними узлами решетки и увеличивает плотность дефектов кристаллической структуры, в результате чего коэффициент диффузии кислорода может заметно возрасти. Таким образом, в процесс генерирования кислородсодержащих примесей вовлекаются большие массы металла, и замедлить этот процесс можно только уменьшением концентрации растворенного в металле кислорода, высокотемпературным обезгажива-нием стенки в вакууме и очисткой ее поверхности. Поток примесных частиц углерода и кислорода, поступающих в плазму со стенки, пропорционален потоку падающих на нее электронов:

где 1%, W_a — мощности электронных потоков и потоков а-частиц; Е_егр — энергия электронов в пристеночной области; у_е — число примесных частиц, выбиваемых со стенки падающим на нее электроном. Экспериментально измеренные значения у_е колеблются в широких пределах в зависимости от рода материала, содержания в нем растворенных газов л состояния поверхности. В процессе облучения стенки электронным пучком поток десорбируемых атомов уменьшается в соответствии с

где D — плотность заряда упавших на стенку электронов, А • ч/см . Это соотношение справедливо для нержавеющей стали, подвергнутой стандартным для сверхвысоковакуумной технологии методам очистки. Стимулированная десорбция заметно снижается также при очистке стенки ионами тлеющего разряда с энергией сотни электрон-вольт. Начальное значение у_е после экспозиции материала на воздухе близко к 0,1. Полагая W_e 50 МВт, f_ei-p « 100 эВ, легко показать, что при у_е — 1*10⁷ стимулированная десорбция несущественна по сравнению с распылением стенки, а при 7_е = 1*10⁴ доминирующими становятся потери энергии на атомах кислорода.

Из сказанного становится ясным важное значение выбора материала, технологии его производства и способов очистки поверхности при создании термоядерных установок.

Заметный вклад в образование примесных атомов, в особенности на первом этапе эксплуатации реактора, может дать блистер-эффект. Процессы блистерообразования связаны с поведением внедрившихся в металл быстрых а-частиц и атомов гелия. Растворимость и скорость диффузии гелия в металлах крайне малы. Так, энергия активации диффузии для гелия примерно на порядок выше, чем для дейтерия. Энергетически выгодно для атома гелия его пребывание в междоузлии кристаллической решетки. Миграция такого атома может быть обусловлена только движением расположенных рядом вакансий. Однако при высокой скорости накопления гелия вследствие бомбардировки стенки а-частицами концентрация образующихся вакансий может оказаться недостаточной для вакансионного переноса атомов гелия. В результате этого в толще металла на глубине пробега внедряющихся ионов образуются гелиевые пузырьки, имеющие тенденцию к слиянию. Поле механических напряжений, окружающее пузырьки, облегчает их миграцию и способствует объединению. Давление внутри пузырьков может достигать 0,1—1 ГПа. Достигая поверхности, пузырьки вспучивают поверхностный слой металла или взрываются, образуя раковины и кратеры. При этом в плазму выбрасываются большое число атомов гелия и частицы металла.

Поскольку энергетический спектр бомбардирующих стенку а-частиц очень широк, в металле могут образовываться блистеры и кратеры разных поколений. Критическое значение флюенса внедренных атомов, с которого начинается массовый разрыв пузырьков, по порядку составляет 10²¹ — 10²² м². Наиболее опасным для материалов с позиций блистерообразования считается температурный диапазон 600 — 800 К, в котором их прочность уже сильно снижена, а скорость диффузионного переноса внедренных атомов и миграции пузырьков еще недостаточно велика. При флюенсе порядка 10²⁶ м^-2 процесс блистерообразования прекращается.

Блистер-эффект наблюдается также при бомбардировке металлов ионами водорода, правда, при значительно больших критических значениях флюенса. Блистерообразование может иметь и нерадиационное происхождение.

На этапе формирования плазменного шнура дополнительным источником примесей электроэрозионного происхождения становятся множественные униполярные микродуги, плотность тока в которых может достигать Ю¹⁰ А/м² и время горения которых оценивается как 10Г¹—10 мкс, а также потоки убегающих электронов энергией сотни килоэлектронвольт и полным током порядка 10³ А, существующие в течение 10² — 10 мкс. Интенсивный всплеск потока примесей в результате локального нагрева и испарения (сублимации) элементов стенки дает срыв тока плазмы.

Тепловая десорбция со стенок в рабочем режиме не представляет опасности как источник образования примесей, она существенна лишь для определения парциального состава остаточных газов. DT-смесь, инжектируемая в камеру в начале рабочего цикла, проходит через блоки предварительной очистки: концентрация газообразных тяжелых примесей в ней не превышает 1*10³%, легких — 1*10¹%.

Потоки газообразных примесей из общих с плазменной камерой элементов вакуумного тракта сводятся к допустимому минимуму применением безмасляных вакуумных насосов, систем дифференциальной откачки, материалов и методов сверхвысоковакуумной технологии.

Таким образом, проблема примесей является одной из важнейших в комплексе задач, которые должны быть решены при создании ТЯР с магнитным удержанием. Из предложенных методов ее решения (табл. 2.3) наиболее эффективным представляется использование магнитного дивертора, хотя полной физико-математической модели реактора с таким дивертором пока нет. Определенные надежды связываются и с концепцией откачивающего лимитера. Последний, не обладая всеми достоинствами дивертора, имеет перед ним несомненное преимущество простоты. Остальными методами, хотя они и регулируют поток примесей с первойстенки, в принципе нельзя решить задачу удаления из плазмы синтезируемого гелия. Между тем, как следует из приведенного выше примера, при достаточно эффективном удержании ионов гелия никакими средствами вакуумной откачки невозможно поддерживать его концентрацию в плазме на заданном уровне. В этом случае гелий непрерывно накапливается в плазме, что ограничивает продолжительность рабочего цикла.

В основе концепций магнитного дивертора и откачивающего лимитера лежит существование максимума концентраций примесных ионов в периферийном слое плазмы*. В этом случае создание диверторной конфигурации, т. е. локальная деформация магнитных силовых линий, захватывающих периферийный слой, позволяет, как видно из рис. 2.7, вывести находящиеся там ионы водорода и примесей из плазменной камеры в диверторную. Здесь они нейтрализуются, и часть образующегося нейтрального газа, включая гелий, откачивается. Другая его часть через диверторный канал возвращается в плазменную камеру. В диверторном канале формируются встречные потоки плазмы и нейтральных атомов, вследствие чего последние снова ионизуются. Иными словами, проводимость канала для нейтрального газа, поступающего из диверторной камеры в плазменную, оказывается различной в присутствии плазменного потока и без него, так что

учетом его ионизации встречным потоком плазмы; w — вероятность ионизации нейтрального газа встречным потоком плазмы; б_{д к} — газокинетическая проводимость диверторного канала. При w= 1 диверторный канал полностью заперт для нейтральных частиц, и ни одна из них не возвращается в плазменную камеру (эффект плазменного затвора). Оценки дают значения G_a__KlG*_K в интервале от нескольких единиц до сотни. Прецессия ионов периферийного слоя вдоль магнитных силовых линий в диверторную камеру к тому же резко снижает потоки частиц и энергии, воздействующих на стенку плазменной камеры, и соответственно поступающий со стенки поток примесных атомов.

Таким образом, магнитный дивертор представляет собой своеобразный насос для заряженных частиц, зона действия которого ограничена областью повышенной концентрации примесных ионов. С его помощью из плазмы можно удалить потоки гелия, во много раз превышающие те, которые могут быть выведены вакуумными насосами. Одновременно из плазмы выходящими из нее ионами и электронами отводится энергия, а сама плазма экранируется от примесных частиц.

Плазменные потоки, выносимые в диверторную камеру, имеют высокую мощность, которая распределена крайне неравномерно. Диверторные пластины, воспринимающие потоки, работают в очень напряженных условиях. Поэтому важное значение приобретает оптимизация газокинетических режимов и конфигурации диверторной системы, в частности поддержание в диверторной камере такого давления нейтрального газа, при котором распределение вводимой туда мощности наиболее однородно.

По современным представлениям из диверторных систем наилучшим комплексом характеристик обладает полоидальный дивертор с одной нулевой точкой на внешней стороне плазменного шнура.

Несмотря на привлекательность идеи магнитного дивертора и обнадеживающие результаты экспериментов, конструктивное воплощение диверторов в установках реакторных масштабов наталкивается на большие технические трудности. Альтернативой дивертору служит откачивающий лимитер (рис. 2.8, а, б).

Откачивающий лимитер постоянно находится в периферийном слое плазмы. Между ним и стенкой существует щелевой канал, соединенный с системой откачки. Ионы газов после нейтрализации на пластине лимитера могут попасть как в систему откачки, так и обратно в плазму. Благодаря повышенному содержанию примесей в зоне вокруг откачивающего лимитера поток удаляемых примесных частиц может оказаться вполне достаточным даже в стационарном режиме.

В откачивающем лимитере закрытого типа доля уходящих из плазмы в систему откачки примесных частиц выше, чем в лимитере открытого типа. Однако он работает в более напряженных условиях. Лимитер открытого типа характеризуется большей однородностью нагрузок. При проектировании вакуумного тракта систем с откачивающим лимитером, так же как для диверторных систем, актуальна оптимизационная задача. ТЯР с откачивающим лимитером привлекают своей конструктивной простотой.

Рабочий цикл реактора можно разбить на три этапа с принципиально различными вакуумными условиями: фоновая откачка плазменной камеры, собственно рабочий цикл (горение термоядерного топлива) и удаление газообразных продуктов реакции и остатков топлива в паузе между рабочими циклами. Оценим требуемые вакуумные параметры на каждом из этих этапов на примере реактора-токамака.

Фоновое давление в камере составляет 1*10⁵ — 1*10⁶ Па и несколько возрастает с размерами установок. Десорбционные потоки со стенок должны быть минимальны и не должны содержать тяжелых примесей. Быстрота откачки камеры, необходимая для получения фонового давления при технически достижимых потоках тепловой десорбции, нелинейно растет с увеличением объема плазмы (рис. 2.9).

В течение рабочего цикла концентрация нейтрального газа, как показано в 2.2, непосредственно влияет на многие плазменные параметры, включая кинетику накопления гелия и протия. Используя введенные ранее обозначения, кинетику накопления гелия в соответствии с соотношениями (2.1) и (2.6) можно приближенно описать уравнением баланса вида интегрирование которого дает: