Прогресс в исследованиях плазмы в установках типа токамак позволил приступить к созданию термоядерного реактора на основе токамака [1, 2]. В настоящее время при широком международном сотрудничестве завершается проектирование и начато строительство международного термоядерного экспериментального реактора — ИТЭР [3, 4]. Основной целью проекта ИТЭР является демонстрация научной и технологической осуществимости энергетического реактора на основе дейтериево-тритиевой (Д-Т) реакции синтеза, а также исследование физики термоядерной плазмы. К основным задачам ИТЭР относятся: изучение возможности осуществления стационарного поддержания работы реактора, испытание технологий наиболее важных для изготовления узлов реактора, испытания элементов и систем для будущего реактора [4]. Для управления работой ИТЭР и исследования плазмы необходим эффективный диагностический комплекс, обеспечивающий проведение надежных измерений параметров плазмы в тяжелых условиях воздействия нейтронных и гамма потоков высокого уровня, нейтронных тепловых нагрузок, бомбардировки частицами [5].
Специфика построения диагностического комплекса ИТЭР обусловлена тем, что условия в экспериментальном термоядерном реакторе будут в значительной степени отличаться от условий эксплуатации диагностики в действующих плазменных установках. Используемые в настоящее время физические основы и методы диагностики, как правило, могут быть применены и для ИТЭР, но технологии и инженерные подходы должны отвечать значительно более жестким требованиям [6]. Это связано с ростом мощности радиационных нагрузок и большой длительностью плазменного разряда, который в ИТЭР может составлять около 1000 секунд. Защиту элементов конструкций ИТЭР от нейтронного излучения и нагрева будет обеспечивать бланкет. Кроме того, внутри диагностических патрубков предусматривается размещение защитных пробок (порт-плаги), представляющих собой стальные блоки с водяным охлаждением, в которых будут сделаны каналы для доступа 4 диагностик к плазме. В частности, оптические элементы, передающие излучение из плазмы к детекторам, будут расположены в порт-плагах внутри каналов, образующих лабиринт, что обуславливает необходимость в большом количестве размещенных внутри вакуумного объема (внутрикамерных) элементов диагностики.
Внутрикамерные элементы диагностики должны выдерживать долговременное воздействие термоядерной плазмы, а также факторов, сопровождающих эксплуатацию установки таких как высокое, до 5 Тл магнитное поле, периодический прогрев камеры до 240 °C, наличие пыли и других [5, 6]. В типовом Д-Т режиме при номинальной термоядерной мощности.
500 МВт плотность потока нейтронов на первую стенку ИТЭР будет составлять около 1014н/см2с. Ниже будет показано, что нейтронная нагрузка даже на первую стенку за 10 лет эксплуатации установки ИТЭР в Д-Т режиме будет.
21 2 относительно невелика (примерно 10 н/см) и не приведет к изменениям механических свойств конструкционных материалов. Однако накопление радиационных дефектов в стеклах вакуумных окон и оптических элементах (линзы, оптоволокно) может вызвать постепенную потерю ими пропускания.
Как известно [7], взаимодействие нейтронов с веществом приводит к возникновению ядерных реакций и ионизации вещества, что вызывает вторичное гамма излучение (в Д-Т режиме оценка мощности гамма дозы в материалах в области первой стенки ИТЭР дает величину примерно 2><103 Гр/с) и нагрев вещества. Основные потери энергии нейтронов (замедление) обусловлены процессами упругого и неупругого рассеяния на ядрах атомов, что также дает вклад в нагрев. Для охлаждения элементов конструкций будет применяться система водяного охлаждения. Температура охладителя в ИТЭР на входе в систему будет составлять 70 °C, а на выходе из системы охлаждения в Д-Т режиме может достигать 150 °C. Организация эффективного охлаждения оптических элементов диагностических систем представляет собой сложную инженерную задачу.
Другой опасный фактор для элементов диагностик — это возможность трансмутации в материалах, то есть изменения их изотопного состава в результате ядерных реакций. Следствием этого может быть изменение электрических свойств проводников и диэлектриков, а в отдельных случаях, при высоких сечениях ядерных реакций постепенное превращение одного химического элемента в другой (например, водорода в гелий, золота в ртуть). В результате таких превращений могут деградировать характеристики детекторов и возникать объемные изменения в структуре вещества, например, в результате гелиевого блистеринга. Еще одним следствием трансмутации в материалах является активация вещества из-за накопления радиоактивных изотопов. Активация материалов может внести значительные трудности в эксплуатацию установки и, в частности, по доступу персонала к элементам диагностики. Возникают дополнительные трудности при замене и утилизации элементов диагностик, которые смогут выполняться только с использованием робототехники при соблюдении норм радиационной безопасности. Следует упомянуть и о радиационно-стимулированной диффузии, которая может изменять состав вещества в тонком поверхностном слое, а также привести к диффузионной сварке контактирующих элементов и вызвать выход из строя коммутационных элементов. Из сказанного выше следует, что обеспечение радиационной стойкости внутрикамерных элементов является одной из наиболее актуальных задач при создании диагностического комплекса ИТЭР, так как ее решение непосредственно связано с надежностью диагностик и безопасностью эксплуатации установки.
Исследования комплексного воздействия излучения и корпускулярных потоков из горячей плазмы на материалы и элементы термоядерного реактораэто новое научное направление, появление и развитие которого связано с мирным освоением энергии на основе реакции ядерного синтеза. Прикладной составляющей этих исследований является изучение радиационной стойкости материалов и элементов термоядерного реактора и, в частности, оптических элементов диагностик плазмы ИТЭР.
Основная сложность развития этого научного направления состоит в том, что в настоящее время не существует стационарных источников термоядерных нейтронов для точного моделирования радиационной обстановки в ИТЭР. Экспериментальные задачи исследования свойств и выбора материалов для термоядерного реактора вынужденно решаются с использованием источников радиационных излучений (плазменные установки, ядерные реакторы, гамма и нейтронные источники), отличающихся как по мощности, так и по энергетическому спектру от радиационных характеристик ИТЭР. В работе предложены научно обоснованные технические и технологические решения по проблемам обеспечения радиационной стойкости элементов и разработке оптических диагностик плазмы ИТЭР.
В рамках проекта ИТЭР Российская Федерация разрабатывает 9 диагностических систем для исследования термоядерной плазмы. Четыре из них относятся к оптическим и спектроскопическим диагностикам — это спектроскопия водородных линий, активная спектроскопия, томсоновское рассеяние и лазерная флуоресценция в диверторе. Для этих диагностик проблемы обеспечения долговременной работоспособности внутрикамерных элементов оказываются наиболее сложными. Именно для оптических диагностик наряду с нейтронным облучением и сопутствующим нагревом существенна еще и так называемая проблема «первого зеркала», обусловленная большой вероятностью деградации обращенных к плазме оптических элементов под действием физического распыления и (или) переосаждения материалов конструкционных элементов, осаждения пыли, воздействия химически активных радикалов и ряда других причин. Вакуумные окна, линзы и другая пропускающая оптика являются критическими элементами из-за возможной потери прозрачности под действием радиационных излучений.
Для разработки и создания на ИТЭР надежных и эффективных диагностик требуется выполнить широкую программу научно-технических работ. Исследования радиационной стойкости элементов оптических диагностик плазмы ИТЭР являются важной составляющей частью этих работ. 7.
Радиационная стойкость оптических элементов, в её широком понимании как устойчивость к воздействию различных видов излучения плазмы и корпускулярных потоков, имеет первостепенную значимость для обеспечения безопасной и долговременной работы диагностического комплекса ИТЭР, что и обуславливает актуальность данной работы.
Основное практическое значение работы заключается в создании прототипов радиационно-стойких оптических элементов диагностик ИТЭР, включая разработку технологий их изготовления, что требуется для обеспечения контрактов на поставку в Международную организацию ИТЭР (МО ИТЭР) диагностического оборудования. Актуальность и практическая ценность диссертационной работы состоит также в том, что в процессе ее выполнения была накоплена обширная база фундаментальных знаний о радиационно-стимулированных процессах в оптических материалах, которая может быть использована при разработке аппаратуры и оборудования как для будущих термоядерных, так и для ядерных реакторов и экспериментальных ядерных установок.
К особенности исследований радиационной стойкости элементов оптических диагностик ИТЭР относится комплексное воздействие излучения термоядерной плазмы и факторов, связанных с эксплуатацией установки: высокое магнитное поле, «срывы» плазменного шнура разряда, эрозия и переосаждение материалов внутрикамерных элементов, наличие пыли и химически активных радикалов в вакуумной камере. Одновременное воздействие радиационных излучений и этих факторов делает задачу сохранения свойств оптических элементов значительной проблемой.
Рассматривая проблематику радиационной стойкости оптических элементов диагностики термоядерного реактора ИТЭР, можно выделить две основные задачи. Первая из них — это выбор материала (стекла) для вакуумных окон, линз и оптоволокна, сохраняющего пропускание в условиях ИТЭР и обладающего пренебрежимо малой радиолюминесценцией. Эта задача может быть решена на основе результатов радиационных испытаний существующих 8 стекол и развития технологий производства стекла с улучшенной радиационной стойкостью. Вторая задача — это упомянутая выше проблема «первого зеркала». В настоящее время в проекте ИТЭР ко второй задаче принято относить проблематику сохранения стабильности передачи излучения всеми внутри-камерными зеркалами [6]. Поскольку зеркала различных диагностик находятся в разных условиях, единственное, общее решение этой задачи не может быть найдено, и в каждом случае требуется специализированный подход.
Целенаправленные эксперименты по выбору материалов для оптических вакуумных окон термоядерного реактора и по изучению влияния гамма и нейтронного облучения на свойства стекла были начаты еще в 80-х годах прошлого столетия. Эти исследования основывались на опыте, полученном ранее на ядерных реакторах и источниках радиационных излучений.
Постановка задачи опиралась на первый вариант проекта ИТЭР 1998 года. Это был проект более крупной и в 2 раза более мощной машины по сравнению с принятым для строительства современным вариантом ИТЭР. С состоянием исследований по радиационной стойкости оптических материалов на первом этапе программы ИТЭР можно, например, ознакомиться в работах [8, 9]. В очень информативном обзоре [8] предложены и описаны механизмы наведенного оптического поглощения (НОП) и люминесценции под действием гамма, электронного и нейтронного облучения, а также представлены экспериментальные данные для большинства существующих типов стекол и прозрачных минералов. Однако отсутствие в то время ориентированной на достижение определенной цели программы исследований привело к тому, что данные имели разрозненный характер и были получены в условиях мало соотносящихся с радиационной обстановкой в ИТЭР. На их основании не представляется возможным провести даже предварительный выбор материала для вакуумных оптических окон ИТЭР. Для решения задачи потребовалось, опираясь на накопленный опыт и расчеты радиационной обстановки в современном проекте ИТЭР, сформулировать международную программу радиационных испытаний оптических стекол с целью выбора материалов с 9 требуемой для условий ИТЭР радиационной стойкостью. Обзоры проблематики на начальной стадии реализации этой программы представлены в работах [10, 11].
Проблема «первого зеркала» возникла и была сформулирована только на стадии разработки проекта ИТЭР. Исследования способов защиты диагностических зеркал и методов восстановления их характеристик потребовались в связи с постановкой задач по разработке и созданию оптических диагностик в ИТЭР. Суть проблемы «первого зеркала» заключается в том, что в результате воздействия плазмы и ряда факторов, сопровождающих эксплуатацию установки токамак (прогрев камеры, очистка стенки плазменными разрядами и др.) в зависимости от места размещения зеркал происходит или эрозия поверхности или осаждение загрязнений.
Например, при расположении зеркала в эрозионной зоне (как правило, в области первой стенки), может происходить разрушение поверхности за счет ее распыления атомами перезарядки. Так как большинство зеркал будут заглублены относительно первой стенки в диагностических каналах, то осаждение загрязнений (углеродные пленки с содержанием бериллия и водорода) является наиболее вероятной причиной выхода диагностики из строя.
Рост пленок на поверхности приведет к снижению коэффициентов отражения зеркал или интерференционному искажению спектра отраженного излучения в результате формирования полупрозрачных пленок. Реальная ситуация для конкретного размещения зеркала будет определяться скоростью роста пленок и их составом (прозрачностью). В экспериментах по экспонированию металлических зеркал в токамаках Т-10 [12] и БШ-О [13] была зарегистрирована скорость осаждения углеводородных пленок на зеркалах от.
0,2 [12] до 3 нм/с [13], что приводило к постепенному снижению отражения и, при достижении достаточной толщины пленок, появлению интерференционного эффекта. Очевидно, что это абсолютно не приемлемо для нормальной работы оптических диагностик. В экспериментах на Т-10 показано, что значительное осаждение загрязнений на незащищенные шторками зеркала.
10 происходит также и в процессе очистки камеры токамака. Подробный обзор современного состояния исследований и достижений по проблеме «первого зеркала» можно найти в работах [13, 14]. В третьей главе диссертации приводятся результаты исследований выполненных по этой проблеме автором, а также описаны работы по созданию новых типов зеркал, устойчивых к распылению потоками атомов перезарядки из термоядерной плазмы.
Характеризуя общие результаты диссертации, следует подчеркнуть актуальность применения развитого направления работ для обеспечения надежной, долговременной работы оптических диагностик в ИТЭР. Предлагаемые методы и решения опробованы на прототипах в процессе испытаний на установках токамак и в лабораторных условиях. Отраженная в диссертации деятельность проводилась в соответствии с планами работ НИЦ «Курчатовский институт». Цели работы.
Основным направлением диссертационной работы является разработка оптических диагностик плазмы, которые долговременно сохраняют работоспособность в радиационных условиях ИТЭР. Для выполнения работы были определены следующие цели:
1. Получение предварительной информации о радиационной стойкости оптических материалов из литературы, анализ факторов риска при воздействии термоядерной плазмы на оптические материалы и выявление критических элементов оптических диагностик плазмы. Разработка требований к расчетам для определения радиационной обстановки при проектировании оптических диагностик в ИТЭР на основе численного моделирования Д-Т плазмы как источника нейтронов.
2. Исследования радиационной стойкости оптического стекла в ядерных установках в условиях, моделирующих радиационные нагрузки от Д-Т плазмы в ИТЭР.
3. Выбор радиационно-стойких материалов для оптических элементов диагностических систем (вакуумные окна, линзы, зеркала) на основе.
11 результатов радиационных испытаний и анализа условий воздействия плазмы в ИТЭР.
4. Исследования взаимодействия плазма-стенка с целью предотвращения деградации поверхности диагностических зеркал. Экспериментальное моделирование условий работы «первого зеркала» в токамаке, а также с помощью плазмы магнетронного разряда.
5. Разработка способов и методов защиты оптических элементов от воздействия радиационных излучений и потоков частиц из плазмы, включая методы восстановления характеристик оптических элементов диагностик плазмы в процессе их эксплуатации в ИТЭР.
6. Разработка и создание прототипов элементов для оптических диагностик плазмы в ИТЭР на основе радиационно-стойких материалов с требуемыми свойствами.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.
Основные результаты исследований можно кратко сформулировать следующим образом:
1. Выполнен анализ воздействия плазмы как источника 14 МэВ нейтронов на элементы диагностик плазмы, размещенные в перископических каналах внутри железо-водной защиты патрубков ИТЭР. Определены радиационные нагрузки на оптические элементы, включая спектры нейтронов.
13 2.
На первом зеркале плотность потока нейтронов составляет 6−10 н/(см с), на вторичном зеркале — МО12 н/(см2с), на вакуумном окне — 4−108 н/(см2с), что говорит об эффективности защиты.
2. В ядерных установках испытаны кварцевые стекла КУ-1 и КС-4 В Показано, что пропускание стекла КУ-1 в видимой и ИК областях спектра не будет изменяться под действием излучения термоядерной плазмы. В типовом Д-Т режиме ИТЭР при термоядерной мощности 500 МВт радиолюминесценция в стекле КУ-1 оказывается незначительной, ее спектральная плотность мощности будет более чем на четыре порядка ниже спектральной плотности.
20 «3 мощности тормозного излучения из плазмы при Те = 10 кэВ и пе = 10 м. По.
201 итогам испытаний кварцевое стекло КУ-1 признано лучшим материалом для оптических окон в ИТЭР.
3. Экспериментально обнаружено значительное уменьшение пропускания стекла КУ-1 в УФ области под действием облучения гамма частицами и нейтронами. Разработан и успешно испытан метод восстановления пропускания в УФ области стекла КУ-1 на основе отжига при температуре до 800 °C. Этот метод позволит значительно расширить область применения стекла КУ-1 для оптических элементов в диагностиках плазмы ИТЭР.
4. В токамаке Т-10 показано, что осаждение углеводородных пленок, искажающее спектры отражения зеркал, может составить проблему для диагностики плазмы в ИТЭР. В типовом режиме Т-10 скорость осаждения пленок на зеркалах, размещенных в сечении кольцевой диафрагмы на расстоянии 22 см от плазмы, составляет 0,2 нм/с. В режиме с увеличенным рециклингом и повышенным содержанием примесей в плазме скорость осаждения возрастает в 20 раз.
5. Создан стенд на основе эксимерного лазера с энергией до 50 мДж в импульсе длительностью 20 не. С его помощью в вакууме при плотности л энергии выше 0,12 Дж/см проведена очистка стальных зеркал от твердых СН пленок, осажденных из плазмы в Токамаке-10, без изменения характеристик зеркал. Методика лазерной очистки может быть использована в ИТЭР.
6. В процессе распыления графитового катода ионами из плазмы магнетронного разряда изучена зависимость скорости роста СН пленок от температуры зеркал. Показано, что при температуре выше 200 °C рост пленок прекращается. Такой нагрев зеркал может быть использован в ИТЭР для защиты зеркал от осаждения пленок.
7. Отработана технология изготовления зеркал из монокристаллов молибдена и созданы прототипы зеркал для ИТЭР, которые сохраняют оптические характеристики в процессе длительного распыления, что продемонстрировано в процессе их испытания в пристеночной плазме токамака.
TEXTOR. Анализ результатов исследований позволяет сделать вывод, что.
202 монокристалл молибдена является одним из лучших материалов для первого зеркала диагностик плазмы в ИТЭР.
8. Разработан, изготовлен и испытан на токамаке Т-10 прототип оптической системы сбора излучения из плазмы для спектроскопии водородных линий в ИТЭР — эндоскоп с внутрикамерным молибденовым зеркалом. Показана высокая надежность этой оптической системы и ее эффективность для диагностики плазмы в токамаке.
9. Показано, что многослойные диэлектрические зеркала Nb205/Si02 с отражением не менее 95% в видимой области спектра обладают достаточной радиационной стойкостью в условиях, моделирующих обстановку в ИТЭР. Высокая отражательная способность таких зеркал позволит передавать с их помощью излучение из плазмы к детекторам с малыми потерями. Разработаны и созданы прототипы этих зеркал для спектроскопии водородных линий и активной спектроскопии плазмы в ИТЭР.
10. Разработан комплекс мер для увеличения надежности оптических компонент диагностик плазмы в ИТЭР. Для их защиты предложены: малый входной зрачокперископ в нейтронной защите установкисменные модули зеркальной оптикинагрев зеркал и методы очистки зеркал. Вместе с технологиями по изготовлению прототипов оптических элементов это позволяет приступить к разработке конструкторской документации для создания оптических диагностик плазмы в ИТЭР.
В заключение автор выражает благодарность сотрудникам, с которыми проводились основные эксперименты: Б. А. Левину, С. Н. Звонкову, A.B. Горшкову, A.A. Медведеву, A.B. Рогову, В. М. Гурееву, И. И. Орловскому, Т. Р. Мухаммедзянову. Особую благодарность хотелось бы выразить А. Н. Чудновскому за полезные обсуждения результатов и постоянный интерес к работе. Благодарю научный и технический коллектив ИФТ за помощь в работе.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Подводя итоги, следует отметить, что в рамках работы было развито новое направление исследований термоядерной плазмы как источника радиационных излучений. Основное внимание в нем уделяется практическим вопросам исследования воздействия плазмы в виде потоков частиц и жесткого излучения на материалы и аппаратуру для диагностики плазмы ИТЭР. Предметом диссертационной работы являлось изучение радиационной стойкости оптических материалов под воздействием радиационных излучений и потоков частиц из термоядерной плазмы. Была разработана и выполнена программа исследований по разработке радиационно-стойких элементов оптических диагностик плазмы в ИТЭР. В процессе работы достигнуты все поставленные цели.
Во-первых, выполнено расчетно-аналитическое обоснование радиационных нагрузок на оптические элементы диагностик ИТЭР. Сформулированы задачи для нейтронных расчетов оптических диагностик и проведены расчеты для концептуальных проектов диагностик. Рассмотрены физические проблемы, возникающие при проведении расчетов, и предложены способы их преодоления. На основе результатов расчетов получена и проанализирована информация о радиационных условиях в ИТЭР. Подчеркнем, что нейтронные расчеты — это необходимый инструмент при разработке диагностик для обеспечения требований по безопасности реактора. В настоящее время нейтронные расчеты поставлены на регулярную основу и являются одним из ключевых элементов при разработке диагностик плазмы в ИТЭР.
Во-вторых, разработаны методы для увеличения радиационной стойкости диагностических систем, включая создание новых оптических материалов и элементов с улучшенными характеристиками. В основном это касалось выбора стекла для вакуумных окон ИТЭР и исследований характеристик стекол под действием радиационных излучений. Была разработана методика исследований и проведена серия экспериментов на ядерных источниках по изучению.
200 радиационной стойкости оптического стекла. Разработаны методы восстановления характеристик оптических элементов диагностик непосредственно в процессе их эксплуатации в ИТЭР.
В-третьих, была сформулирована и детально исследована проблема первого зеркала. Следует подчеркнуть, что на Токамаке-10 впервые в мире были поставлены эксперименты с целью изучения деградации металлических зеркал в результате длительного воздействия излучения плазмы и других факторов, сопровождающих эксплуатацию установки токамак. Выполнены работы по выбору оптимальных материалов и технологий изготовления зеркал для применения в ИТЭР. Разработаны способы и методы защиты диагностических зеркал от воздействия термоядерной плазмы.
И, наконец, на основе результатов исследований выполнена разработка и созданы прототипы радиационно-стойких элементов оптических диагностик ИТЭР.
