Subiecte

Abstract

Introducere

Instabilitățile din cadrul plasmelor de fuziune compromit integritatea structurală a componentelor cu plasmă înconjurătoare (PFC). Dispozitivele de fuziune magnetică (de exemplu, ITER) experimentează descărcări periodice de plasmă la fluxuri foarte ridicate în timp ce funcționează în modul preferat de închidere ridicată (modul H) 1. Modurile localizate pe margini (ELM) sunt evenimente care implică relaxare repetitivă a plasmei de margine în timpul funcționării. Diferite tipuri de ELM sunt clasificate în funcție de pierderea lor de putere și de fluxul lor de vârf către regiunea divertorului. ELM-urile de tip I sunt cele mai grave, transmitând până la 10% din energia plasmatică centrală pe suprafața PFC cu o rată de repetare cuprinsă între 1-10 Hz 2,3,4. Ca urmare a încălzirii intense, suprafața PFC se poate fisura sau topi, ducând la deteriorarea componentelor și contaminarea plasmei de fuziune 5,6,7. S-au depus eforturi pentru a reduce magnitudinea încărcării de căldură ELM prin relaxare forțată (de exemplu, injecție de pelete) 1.8. Cu toate acestea, estimările recente sugerează că ELM-urile atenuate ar putea deține în continuare densități de energie până la

timpul

1,0 MJ m −2 (la frecvențe

50 Hz) 9,10,11. ELM-urile nemetelizate (ELM-urile gigantice) vor furniza fluxuri de căldură mai mari de ordinul mai multor MJ m −2 2,12,13. Determinarea ferestrelor de operare sigure pentru a minimiza crăparea și topirea, ca răspuns la aceste evenimente tranzitorii, va ajuta la optimizarea duratei de viață a PFC și a performanței dispozitivului.

Tungsten (W) este în prezent principalul material candidat pentru PFC-uri în dispozitivele de fuziune actuale și viitoare. Proiectul ITER va folosi W ca material principal de divertisment 14. Avantajele utilizării W într-un mediu de fuziune includ punctul său de topire ridicat, conductivitatea termică ridicată, randamentul scăzut de pulverizare și retenția scăzută de tritiu 15,16. Atât eforturile experimentale, cât și cele de modelare (TMAP) au caracterizat cu succes energiile capcană pentru diferiți izotopi de hidrogen (de exemplu, deuteriu și tritiu) în tungsten 17,18,19. Din păcate, răspunsul slab al suprafeței W la iradiere He + cu energie scăzută (în special la temperaturi ridicate) și ELM-uri fără atenuare ar putea prezenta probleme serioase pentru viabilitatea sa ca viitor PFC. Experimentele făcute în laborator și în tokamakul Alcator C-Mod au arătat că grilajele la scară nanometrică cresc pe suprafața W ca răspuns la iradiere He + cu energie scăzută la temperaturi ridicate 20,21,22,23. Stratul nanostructurat, denumit „fuzz”, a arătat că prezintă proprietăți termice, mecanice și structurale reduse 15,24,25. O reducere observată a conductivității termice a

80% ar putea duce la creșterea nivelului de eroziune datorită topirii și stropirii suprafeței componente în timpul evenimentelor ELM 26 .

Cercetări recente arată că molibdenul (Mo) poate fi o alternativă promițătoare PFC 22,23,27,28,29,30. Mo este un metal refractar cu Z ridicat, cu avantaje similare cu W, incluzând un punct de topire ridicat, randament scăzut de pulverizare și conductivitate termică ridicată 30. Un dezavantaj potențial al Mo este gradul ridicat de eliminare a deșeurilor sub expunerea la neutroni 30. Cu toate acestea, lucrările efectuate pe dispozitivul cu plasmă liniară Tritium Plasma Experiment (TPE) au arătat că retenția fracțională a izotopilor de hidrogen ar putea fi mai mică în Mo decât în ​​W 31. Mo are, de asemenea, o căldură specifică mai mare de vaporizare, ceea ce va duce la o evaporare mai mică în timpul încărcării tranzitorii de căldură 30. S-a demonstrat că formarea de fuzz se produce atât pe W, cât și pe Mo, precum și pe alte metale refractare, pentru anumite regimuri de fluență și ferestre de temperatură 22,23,27,28,32,33. Lucrările recente au estimat o fereastră de temperatură pentru W de 1000-2000 K și o fereastră de temperatură mai mică și mai îngustă pentru Mo de 823-1073 K 23,27. Odată ce ITER progresează în faza nucleară, temperaturile suprafeței W vor urca în capătul superior al ferestrei de temperatură a formării fuzz, făcând creșterea tendrilului o preocupare 34. Deși nanostructura rămâne relativ necaracterizată, diferența în fereastra de formare fuzz pentru Mo necesită o analiză suplimentară a răspunsului său material în condiții relevante pentru fuziune.

Rezultate si discutii

Modificări ale morfologiei suprafeței în timpul încărcării cu căldură pulsată

Expunerea Mo la încărcarea tranzitorie de căldură prin iradiere laser cu impulsuri lungi oferă informații neprețuite despre cum se așteaptă ca o suprafață PFC să eșueze la intensități mai mari. Lucrările efectuate în referințele 39,40 ilustrează faptul că deteriorarea materială este o funcție de densitatea energiei, forma impulsului, numărul de impulsuri și temperatura de bază. Prin urmare, valorile densității energetice menționate mai jos funcționează pur și simplu pentru a diferenția între regimurile de daune și se vor schimba în magnitudine în diferite condiții experimentale. Lucrările viitoare vor continua să se extindă asupra relației sinergice dintre diferiți parametri de încărcare a căldurii.