Актуальность работы.
Управляемый термоядерный синтез является одним из наиболее перспективных направлений энергетики. Международный термоядерный экспериментальный реактор (ИТЭР) — совместный проект России, стран Европы, США, Канады, Индии и Китая — призван продемонстрировать возможность получения энергии в управляемой термоядерной реакции. Взаимодействие изотопов водорода с конструкционными материалами реактора является одним из ключевых вопросов при создании ИТЭР. Процессы отражения и захвата частиц плазмы, осаждение примесей из разряда, физическое и химическое распыление материалов, обращенных к плазме (ОПМ), существенно влияют на время удержания плазмы в термоядерном реакторе (ТЯР).
Предполагается, что в реакторе ИТЭР в качестве ОПМ будут использоваться бериллий и вольфрам: бериллий — как материал для покрытия первой стенки, вольфрам — в диверторе. В 2011;2012 году на токамаке JET была успешно проведена экспериментальная кампания с подобной первой стенкой, имитирующей условия в ИТЭР — ILW (ITER-like Wall) [1], поэтому было принято решение отказаться от использования в диверторе ранее намеченного материала — углеродных композитов [2]. Это существенно снизит транспорт примесей в токамаке и ликвидирует проблему захвата радиоактивного трития в углеводородных плёнках. Однако даже в такой конфигурации в пристеночном слое плазмы будут присутствовать распылённые атомы Be и W, что послужит причиной формирования смешанного слоя на поверхности тайловвлияние данного процесса на работу ТЯР ещё недостаточно изучено.
Эрозия поверхности первой стенки ухудшает свойства материалов, сильно развитый рельеф может привести к повышенному захвату изотопов водорода в процессе со-осаждения примесей и увеличению последующего рециклинга. Морфологические неоднородности обращенных к плазме материалов включают не только особенности геометрии и шероховатости поверхности, но и компонентный состав приповерхностного слоя. Эти факторы могут оказывать существенное влияние на локальные характеристики взаимодействия плазмы с первой стенкой, в частности, на коэффициенты распыления и отражения. В процессе облучения морфология материалов изменяется, а, следовательно, меняются потоки частиц, вылетающих с первой стенки, влияющие на конфигурацию разряда в токамаке.
Серьёзной проблемой является накопление радиоактивного трития в ОПМ, в том числе в результате распыления и перепыления материала первой стенки, транспорта примесей в токамаке [3,4]. МАГАТЭ характеризовало проблему накопления трития как одну из ключевых проблем безопасности проекта ИТЭР. Одним из факторов, влияющих на захват трития, является наличие неоднородностей на поверхности тайлов первой стенки, таких как щели между элементами, трещины, осаждающиеся элементы пыли и расплавленного материала. В частности, в работе [5] было показано, что при осаждении примеси Ве/^/ на бериллиевую и вольфрамовую поверхность происходит захват дейтерия. В присутствии неоднородностей микрорельефа могут образовываться локальные зоны осаждения подобных примесей. Поэтому необходимо проводить комплексный анализ процессов, протекающих на поверхности обращенных к плазме материалов, учитывать динамическое изменение микрорельефа и компонентного состава и проводить оценку накопления трития в данных условиях.
Ещё одна задача по изучению взаимодействия плазмы с поверхностью ОПМ связана с использованием металлических зеркал в оптических и лазерных диагностиках ИТЭР в качестве первичного элемента, обращённого к плазме. Эрозия высоко-энергетичными нейтралами перезарядки и осаждение примесей могут существенно повлиять на отражательную способность зеркал вследствие изменения состава поверхности [6]. Деградация оптических свойств зеркал повлияет на качество сигнала и эффективность соответствующих диагностик. В настоящее время активно проводятся экспериментальные и теоретические исследования, посвященные выбору материала, влиянию эрозии и осаждения на эксплуатационные качества первых зеркал [7−10]. Данные зеркала будут изготовлены из молибдена и установлены внутри защитных конструкционных элементов (каналов), которые предохраняют их от прямого взаимодействия плазмы с поверхностью. Однако энергетичные нейтральные частицы, не удерживаемые магнитным полем, могут проникнуть внутрь канала и достигнуть поверхности зеркала. Кроме того, загрязнение зеркала происходит вследствие облучения низкоэнергетичными примесными атомами Ве. Осаждение примесей на поверхность зеркала оказывает ярко выраженное влияние на ухудшение его отражательных свойств, следовательно, необходимо исследовать состояние поверхности зеркала в зависимости от характеристик потоков частиц в пристеночной плазме.
Одним из наиболее распространённых методов изучения упомянутых процессов является компьютерное моделирование. Существующие программы моделирования характеризуются областью применимости, балансом между точностью и временем расчёта, требуемыми вычислительными ресурсами.
Современные коды позволяют описывать эрозию материала, его перенос в плазме, осаждение, включая образование смешанных слоев. Спектр различных моделей расчёта включает в себя как метод Монте-Карло (коды TRIM. SP [11], TRIDYN [12]), так и ресурсоёмкий метод молекулярной динамики. Физическое распыление материалов хорошо описывается моделью TRIM. Отражение или внедрение атомов в поверхность (также как и образование смешанных слоев) определяется из модели парных соударений, а молекул — с помощью молекулярной динамики (МД). Однако в настоящее время не существует корректной модели для описания динамического изменения микрорельефа трёхмерной поверхности в процессе ионного облучения в масштабе, превышающем возможности расчёта в МД-коде. В случае двухмерной поверхности существует код SDTrimSP-2D [13], который основан на модели описания геометрии поверхности при помощи прямоугольных ячеек, что вызывает некоторые проблемы при моделировании взаимодействия частиц с мишенью.
На данный момент не существует модели, которая в полной мере описывала бы процессы, происходящие в пристеночном слое термоядерного реактора, однако, ведутся интенсивные разработки методов описания этих процессов. Наиболее известный трёхмерный Монте-Карло код, описывающий транспорт частиц в пристеночном слое плазмы токамака (SOL) и взаимодействие с поверхностью ОПМ — это ERO [14]. В частности, он позволяет определить области преимущественного осаждения и эрозии примесей на поверхности ОПМ. Плазма в установке описывается одномерной моделью, радиальные профили ионной, электронной температуры, плотности задаются как входные параметры. Транспорт в плазме учитывает не только магнитное поле, но и электрическое поле в пристеночной области, а также столкновительное трение, диффузию и термосилу. Процессы взаимодействия плазмы со стенкой включают физическую и химическую эрозию, отражение, при этом соответствующие коэффициенты берутся из опубликованных табличных данных.
Кроме того, для моделирования транспорта частиц в скрэп-слое используется код B2-EIRENE [15] и его модификация для ИТЭР — SOLPS [16]. Он включает в себя двухмерное гидродинамическое описание плазмы с кинетической моделью Монте-Карло для транспорта нейтральных частиц в произвольной трёхмерной геометрии.
Существенным ограничением для создания комплексного кода является сложность сопряжения различных моделей в рамках единого кода, а также связанные с этим требования к вычислительным ресурсам. В частности, в вышеупомянутых кодах ERO и B2-EIRENE используются табличные TRIM-данные для описания взаимодействия плазмы с поверхностью. Таким образом, несмотря на учёт глобальных процессов переноса вещества в пристеночном слое токамака и корректное вычисление потоков частиц на стенку, развитие морфологических неоднородностей, таких как изменение микрорельефа и компонентного состава в масштабе отдельных участков тайлов первой стенки не учитывается в существующих кодах. Эти эффекты могут оказывать ярко выраженное влияние на процесс захвата дейтерия и трития в ОПМ, а также на функционирование диагностик плазмы в настоящих и будущих ТЯР.
Вышесказанное предопределило цель настоящей работы и решаемые при этом задачи. А именно: цель работы заключалась в модификации компьютерного кода SCATTER и исследование с его помощью взаимодействия частиц с морфологически неоднородными поверхностями обращенных к плазме материалов, а основные задачи работы включали в себя:
— сравнительное исследование влияния различных типов шероховатости поверхности на отражение и захват ионов изотопов водорода в элементах, обращён-ных к плазме ТЯР,.
— исследование изменения компонентного состава ОПМ при облучении потоками частиц из пристеночной плазмы ТЯР на примере диагностического зеркала в ИТЭР.
На защиту выносятся следующие результаты, содержащие научную новизну:
1. Компьютерный код на основе программы SCATTER, позволяющий моделировать динамическое изменение двухи трёхмерного микрорельефа, а также изменение компонентного состава поверхности мишени при ионном облучении с учётом отражения, распыления и переосаждения частиц.
2. Впервые предложенный алгоритм формирования модели шероховатой и пористой поверхности плазменно-напылённого вольфрама, а также показанное увеличение коэффициента внедрения дейтронов в такую поверхность по сравнению с гладкой.
3. Результаты впервые проведенного исследования влияния неоднородностей микрорельефа на поверхности бериллиевых тайлов ИТЭР на захват трития в процессе со-осаждения Ве, а также полученные данные о накоплении трития в заданном участке первой стенки в зависимости от доли содержания примеси Ве в потоке падающих частиц.
4. Впервые разработанная модель переноса частиц на поверхность диагностического зеркала в цилиндрическом канале в экваториальном порту ИТЭР, продемонстрированное влияние аспектного соотношения канала на потоки частиц, падающих на зеркало, и данные о модификации компонентного состава поверхности зеркала в процессе эксплуатации.
Научная и практическая значимость работы.
Разработанный компьютерный код позволяет моделировать развитие микрорельефа на поверхности мишени при ионном облучении с учётом отражённых и перепылённых частиц, а также изменение профиля концентраций компонентов мишени по глубине. Данный код может стать составной частью комплексного кода для моделирования взаимодействия плазмы с поверхностью ОПМ в ТЯР.
Результаты проведенных исследований при помощи компьютерного моделирования: дают возможность определить параметры накопления трития в обращенных к плазме элементах ИТЭР, в зависимости от типа шероховатости поверхности и доли содержания примеси Ве в пристеночном слое плазмы- • позволяют уточнить требования к защитным конструкционным элементам для повышения операционного ресурса первого диагностического зеркала в ИТЭР.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы были представлены на десяти международных конференциях и симпозиумах, российской школе молодых специалистов, трёх научных сессиях МИФИ:
• Научных сессиях МИФИ 2006, 2007, 2009 ;
• Международных конференциях по взаимодействию ионов с поверхностью ВИП-2007 и ВИП-2009, Звенигород;
• XXXVII и XXXVIII международных конференциях по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, 2007, 2008, МГУ, Москва;
• Второй Всероссийской молодёжной научно-инновационной школе «Математика и математическое моделирование», 2008, Саров;
• Международных симпозиумах по материалам, обращенным к плазме, и компонентам, применяемым в термоядерном синтезе, PFMC-12, 2009, Юлих, Германия, PFMC-13, 2011, Розенхайм, Германия;
• Международных конференциях по взаимодействию плазмы с поверхностью PSI-18, 2008, Толедо, Испания, PSI-19, 2010, Сан-Диего, США, PSI-20, 2012, Аахен, Германия;
• XVI конференция «Взаимодействие плазмы с поверхностью», 2013, НИЯУ МИФИ, Москва.
Основное содержание диссертации опубликовано в 16 печатных работах, из них 5 в журналах из перечня ведущих рецензируемых научных журналов ВАК РФ. Их список приведен в конце диссертации.
Объем и структура работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Работа содержит 120 страниц машинописного текста, 63 рисунка, 2 таблицы.
Список литературы
включает 113 наименований.
Основные результаты диссертации опубликованы в 16 печатных работах.
Из них пять в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных ВАК.
1. Когут Д. К., Курнаев В. А., Трифонов H.H., Моделирование динамического изменения состава поверхности вольфрама при ионном облучении с учетом осаждения примесей углерода // Сборник научных трудов XXXVII международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, 29−31 мая 2007 г., Москва, МГУ. С. 90.
2. Когут Д. К., Курнаев В. А., Трифонов H.H., Моделирование отражения дейтерия от плазменно-напыленного вольфрама // Сборник научных трудов XVIII международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью ВИП-2007», 24−28 августа 2007 г., Звенигород, Россия. Т.1. С. 296.
3. Когут Д. К., Белогорцев Г. А., Трифонов H.H., Курнаев В. А., Моделирование изменения рельефа поверхности за счёт распыления и перепыления // Сборник научных трудов XXXVIII международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, 27−29 мая 2008 г., Москва, МГУ. С. 107.
4. V. Kurnaev, G. Belogortsev, D. Kogut, К. Moshkunov, N. Trifonov, Modeling of erosion and deposition in gaps and cracks // Book of abstracts of the 18th PSI Conference, 26−30 May 2008, Toledo, Spain. P. 353.
5. Когут Д. К., Трифонов H.H., Курнаев В. А., Моделирование изменения рельефа поверхности за счёт распыления и перепыления // Сборник тезисов докладов Второй Всероссийской молодёжной научно-инновационной школы «Математика и математическое моделирование», 14−16 октября 2008 г., Саров. С. 10.
6. Трифонов H.H., Когут Д. К., Курнаев В. А., Моделирование динамического изменения состава поверхности вольфрама при ионном облучении с учетом осаждения примесей углерода // «Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования», 2008. № 3. С.7−10.
Trifonov N.N., Kogut D.K., Kurnaev V.A., Simulation of Dynamic Changes in the Surface Composition of Tungsten under Ion Irradiation with Regard to Carbon Impurity Deposition // Journal of Surface Investigation. X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques, 2008. V.2, 1.2, P. 175−177).
7. Когут Д. К., Курнаев B.A., Трифонов H.H., Моделирование отражения дейтерия от плазменно-напыленного вольфрама // «Известия РАН. Серия физическая», 2008. Т.72. № 7. С.1024−1026.
8. D. Kogut and N. Trifonov, Modelling of erosion and deposition in cracks and dust particles on beryllium surface // Book of abstracts of the 12th International Workshop on Plasma Facing Materials and Components for Fusion Applications, 11−14 May 2009, Juelich, Germany. P. 48.
9. Когут Д. К., Курнаев B.A., Трифонов H.H., Моделирование изменения микрорельефа поверхности мишени при ионном облучении // Сборник научных трудов XIX международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью ВИП-2009», 21−25 августа 2009 г., Звенигород, Россия. T.l. С. 296.
10.N. Trifonov, D. Kogut, Modeling of erosion and deposition in gaps, cracks and dust particles on beryllium tile surface // Book of abstracts of the 19th International Conference on Plasma Surface Interactions (PSI-2010), 24−28 May 2010, San-Diego, US. P.363.
11.V.A. Kurnaev, D.K. Kogut, N.N. Trifonov, Modeling of erosion and deposition in pits and dust particles on beryllium tile surface // Journal of Nuclear Materials, 2011. V. 415,1.1, S. l, P. SI 119-S1122.
12. D. Kogut and N. Trifonov, Simulation of first mirror surface composition change under ITER relevant irradiation // Book of abstracts of the 13th International Workshop on Plasma Facing Materials and Components for Fusion Applications, 9−13 May 2011, Rosenheim, Germany. P. 229.
13.Когут Д. К., Трифонов H.H., Котов В., Численное моделирование изменения состава поверхности первого зеркала при облучении потоками частиц, характерными для установки ИТЭР // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Термоядерный синтез, 2011. Вып. 4, с. 60−64.
14. D. Kogut, N. Trifonov and V. Kurnaev, Simulation of the First Mirror Surface Composition under ITER Relevant Particle Irradiation // Book of abstracts of the 20th International Conference on Plasma Surface Interactions (PSI-2012), 21−25 May 2012, Aachen, Germany. P2−027.
15.D.K. Kogut, N.N. Trifonov, V.A. Kurnaev, Modeling of the first mirror surface composition under ITER relevant particle irradiation // Journal of Nuclear Materials, 2013, http://dx.doi.Org/10.1016/i.inucmat.2013.01.155.
16.Д. К. Когут, H.H. Трифонов, В. А. Курнаев, Особенности эволюции микрорельефа и захвата трития на поверхности бериллиевых тайлов в условиях сооса-ждения примесей в ИТЭР // Сборник научных трудов XVI конференции «Взаимодействие плазмы с поверхностью», 1−2 февраля 2013 г., НИЯУ МИФИ, Москва. С. 53.
Благодарности.
В заключение мне бы хотелось выразить признательность: Сотрудникам кафедры 21 «Физика плазмы» МИФИ:
H.H. Трифонову — за мудрое руководство и неоценимые консультации при развитии и использовании программы SCATTER.
В.А. Курнаеву — за неординарные идеи и советы, за помощь в организации работы и вдохновляющий пример.
A.A. Писареву и И. В. Визгалову — за консультации.
A.B. Голубевой — за предоставление данных о плазменно-напылённом вольфраме. К. А. Мошкунову — за обсуждение результатов.
Е.Д. Маренкову и Д. Н. Синельникову — за организационную помощь, а также за моральную поддержку.
Всему коллективу кафедры — за неповторимую дружественную атмосферу, которая и определила выбор мной специальности.
Сотрудникам института Исследования Энергии и Климата в Forschungszentrum Juelich GmbH:
B. Котову — за предоставленные данные расчётов кода B2-EIRENE и полезные дискуссии.
Д.Н. Матвееву — за поддержку и консультации.
Моим близким: маме И. В. Тарасовой и папе К. В. Когуту, за поддержку и терпение, без которых эта работа никогда бы не была сделана.
Заключение
.
