научная статья по теме КОМПЛЕКС МЕР ЗАЩИТЫ ОПТИКИ ОТ НАПЫЛЕНИЯ В ДИАГНОСТИЧЕСКИХ КАНАЛАХ ТОКАМАКОВ Физика

Текст научной статьи на тему «КОМПЛЕКС МЕР ЗАЩИТЫ ОПТИКИ ОТ НАПЫЛЕНИЯ В ДИАГНОСТИЧЕСКИХ КАНАЛАХ ТОКАМАКОВ»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 2, с. 68-77

ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА

УДК 533.9.07

КОМПЛЕКС МЕР ЗАЩИТЫ ОПТИКИ ОТ НАПЫЛЕНИЯ В ДИАГНОСТИЧЕСКИХ КАНАЛАХ ТОКАМАКОВ

© 2014 г. И. М. Букреев, E. Е. Mухин, С. В. Булович*, A. Г. Раздобарин, В. В. Семенов, С. Ю. Толстяков, M. М. ^чергин, Г. С. Курскиев, С. В. Масюкевич, П. В. Чернаков

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН Россия, 194021, С.-Петербург, Политехническая ул., 26 E-mail: bukreev.i.m@mail.ru *Санкт-Петербургский государственный политехнический институт Россия, 195251, С.-Петербург, Политехническая ул., 29 Поступила в редакцию 06.06.2013 г. После доработки 24.10.2013 г.

В статье рассматривается комплекс мер, использующих эффекты газовой динамики для пассивной защиты оптических элементов, расположенных в глубине диагностических каналов в области ди-вертора ИТЭР. Предлагаемые методы борьбы рассматриваются на примере защиты оптических элементов диагностики томсоновского рассеяния дивертора токамака ИТЭР. Для борьбы с диффузионным распространением примесей предлагается использовать сорбционные свойства стенок диагностических каналов за счет увеличения их площади. Представленные экспериментальные результаты сравниваются с результатами численных расчетов, подтверждающими эффективность предложенного метода. Для подавления конвекционного распространения примеси предложено использовать дополнительные стенки канала с геометрией, обусловливающей разделение и отклонение потоков, а также диафрагмы для гидравлического торможения газовых потоков.

Б01: 10.7868/80032816214020256

ВВЕДЕНИЕ

Одной из основных проблем оптических диагностик в токамаке является загрязнение оптических элементов. Сильнее всего загрязнению подвержена оптика вблизи лимитера или дивертора — областей, где в непосредственный контакт с материальной стенкой входят наиболее интенсивные потоки плазмы. В результате плазменной обработки происходит эрозия твердой поверхности.

Материалами, способными выдержать воздействие диверторной плазмы в токамаке-реакторе и высокую плотность падающей мощности, являются углерод и вольфрам. Углерод может выдерживать высокую температуру, однако подвержен распылению водородной плазмой. При эрозии углеродных стенок водородной плазмой образуются летучие углеродосодержащие радикалы. Наиболее "опасными" для оптических элементов, расположенных в глубине диагностических патрубков, являются соединения СН3, С2Н5 [1] (~10% от эродированного вещества), так как их время релаксации на порядок превышает время релаксации других компонентов. Коэффициент прилипания таких соединений к стенке из нержавеющей стали ~10—3 приводит к тому, что эти частицы могут проникать глубоко внутрь диагностических патрубков и осаждаться на поверхностях, образовывая СН-пленки.

Коэффициент физического распыления вольфрама чрезвычайно мал (~1016 атомов/м2с), поэтому поверхность вольфрама практически не подвержена химическому распылению [2]. Как было показано в экспериментах на ASDEX Upgrade, толщина напыленного вольфрама в щелях вблизи плазмы экспоненциально уменьшается с расстоянием при постоянной экспоненты, примерно равной поперечному размеру щели. Найденная в эксперименте характерная длина уменьшения толщины напыления (1.6—2.5 мм) соответствует известному из литературы [3] коэффициенту прилипания, близкому к 1.

Однако несмотря на то, что летучих соединений вольфрама с водородом не существует, на ASDEX Upgrade было показано, что вольфрамовое напыление присутствует также в глубине узких диагностических патрубков. Такое напыление может быть объяснено конвекционным механизмом перемещения примеси при динамическом изменении давления вблизи поверхности дивер-торных пластин во время переходных процессов. Наиболее частой причиной бросков давления являются микросрывы на краю плазменного шнура, возникающие из-за развития краевой моды (Edge Localized Mode или ELM, см., например, [4]), частота которых будет достигать на ИТЭР несколь-

(а)

QQQQQ0QQQQ fOifOifO)fO|fO|fOifOifOifOifOi

RRRRRRRRRR

z

L

Оптический канал

Рис. 1. а — схема канала, снабженного пористым элементом регулярной структуры, состоящего из цилиндрических трубок; б — сечение рассматриваемой конструкции; в — внешний вид изготовленного макета двух диагностических каналов с поперечным сечением 2 х 5 см2 и длиной 20 см, один из которых имеет пористую стенку.

ко десятков герц, а характерная длительность — 0.3-1 мс.

Грубую оценку давления нейтралов, образующихся при воздействии на поверхность коротких плазменных импульсов, можно получить следующим образом. В предположении, что за время t нейтралы могут распространиться на расстояние vst от поверхности, где vs — скорость звука, а доля энергии, переданная нейтральным частицам, составляет 10% от полной энергии выброса плазмы на поверхность Q, динамическое давление вблизи диверторных пластин в одномерной постановке задачи можно оценить как 0.1 Q/ vst.

Если взять типичные значения ELM Q ~ ~ 0.5 МДж/м2, t ~ 0.5 мс, vs ~ 104 м/с, то давление нейтралов во время выделения мощности в ELM

должно быть порядка 104 Па. Эта, конечно грубая, оценка совпала по порядку величины с измеренным авторами броском давления нейтрального газа на установке КСПУ [5], на которой моделируется импульсное воздействие плазмы на диверторные пластины ИТЭР во время ELM. При этом базовое давление в диверторном порту будет составлять 1—10 Па. При таких бросках давления рабочий газ из окрестности диверторных пластин в составе дейтерий, тритий, гелий и с высокой долей примесных атомов бериллия (основной материал первой стенки ИТЭР везде кроме дивертора) до ~1% и вольфрама до ~0.01% (в случае углеродного дивертора — до 5% углерода) может оказаться в непосредственной близости к оптическим компонентам.

d

У

1. МЕТОДЫ БОРЬБЫ С ДИФФУЗИОННЫМ РАСПРОСТРАНЕНИЕМ ПРИМЕСИ

Одним из возможных способов борьбы с диффузионным распространением примеси является увеличение поглощения на стенках диагностического канала. Оно может быть достигнуто за счет применения покрытия с повышенными адгезионными свойствами, а также при создании развитой поверхности у стенок канала, что приводит к увеличению числа столкновений с твердой поверхностью на длине канала и может использо-Рис. 2. Общий вид расчетной области. ваться для интенсификации процесса осаждения

CH3/CH4 10-2

10-3

10-4

10-5

10-6

10-7

0

...............3................

1

ограниченная чувствительность аппаратуры

0.05 0.10 0.15 0.20 Расстояние от входа в канал, м

(б)

Рис. 3. а — графическая зависимость падения относительного уровня концентрации от продольной координаты канала, сравниваются результаты численного расчета (1, 2) и эксперимента (3, 4): 1, 3 — гладкие стенки, 2, 4 — пористые стенки; б — фотография элементов конструкции прототипа после проведения эксперимента (можно видеть распределения цветов побежалости).

углеродосодержащих радикалов, имеющих низкий коэффициент прилипания.

В технике для интенсификации теплообмена за счет создания разветвленной поверхности широко используются пористые поверхности. Так как процессы теплопередачи и массопереноса описываются одинаковыми дифференциальными уравнениями, то можно рассчитывать на успешное использование пористых структур для повышения степени осаждения.

Для увеличения поверхности боковых стенок диагностических каналов предложена технология пористых стенок, совместимых с вакуумными требованиями ИТЭР. Пористую стенку предложено делать насыпную, образованную торцами тонкостенных трубок из разрешенной для использования на ИТЭР стали 88304. Для прототи-

Рис. 4. Трехмерное изображение объемов, ограниченных конструкциями дивертора токамака ИТЭР.

па были выбраны трубки 02, длиной 60 и толщиной стенки 0.12 мм. Схематично использование пористой структуры в форме цилиндрических элементов имеет вид, представленный на рис. 1.

2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ МОДЕЛЬНОГО РАСЧЕТА

Схема канала, используемая для модельного расчета, повторяет по форме и размерам экспериментальную конструкцию (рис. 2). Различие в моделировании гладкой или пористой стенки достигается за счет соответствующих граничных условий.

Концентрация примеси, уменьшающаяся по мере удаления от входа в канал, может быть описана в рамках закона Фика:

I, = -рДУ с,, (1)

где — удельный поток массы /-ой компоненты; В/ — коэффициент диффузии; р — плотность; с/ — массовая концентрация. В отсутствие объемных источников или стоков выбранной компоненты ее баланс определяется следующим уравнением:

нм 0.016

Рис. 5. Оценка распределения толщины пленки вдоль защищаемой поверхности для случая "простой" геометрии канала с отсутствием защиты.

0 40 80 120 8, град

Рис. 6. а — схематическое изображение диагностического патрубка с диафрагмами, отклоняющими гидродинамический поток; б — коэффициент потерь динамического давления в зависимости от угла поворота потока 5 [6].

У(рДУ с) = 0.

(2)

Дальняя граница расчетной области на рис. 2 играет роль плоскости симметрии, которая вводится для уменьшения затрат вычислительных ресурсов. Правая, нижняя и лицевая границы расчетной области — гладкие стенки. На левой границе располагается вход в канал и задается начальный уровень концентрации. Верхняя грань представляет собой блок тупиковых цилиндрических каналов или же просто гладкую стенку в зависимости от задаваемого граничного условия.

Традиционно для решения дифференциальных уравнений вида (2) используются граничные условия первого (определено значение концентрации компоненты на стенке) или второго (известно значение потока массы /-го компонента) рода. Известно, что скорость осаждения молекул СН3, сорбирующихся на стенке, пропорциональна их концентрации в окрестности стенки и вероятности прилипания р. Поток массы /-го компонента, который осел на поверхности, можно представить следующим соотношением:

& ^ = -в 4 р (с X

(3)

где V =

8кТ пт

среднеарифметическая скорость

молекул газа; к — постоянная Больцмана; т — молярная масса; Т — температура.

Прямое решение задачи с определением концентрации компоненты примеси в каждом из тупиковых каналов (верхняя граница расчетной области) требует испо

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком