ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 2, с. 87-92
УДК 533.924
ГАЗООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ, ИНИЦИИРУЕМЫЕ НЕУПРУГИМИ СТОЛКНОВЕНИЯМИ ЧАСТИЦ ВОДОРОДНОЙ ПЛАЗМЫ С ПОВЕРХНОСТЬЮ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ
© 2015 г. Л. Б. Беграмбеков, А. В. Грунин, А. С. Каплевский*, Я. А. Садовский,
С. В. Вергазов, П. А. Шигин
Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", 115409 Москва, Россия *Е-таИ: alexk1989@mail.ru Поступила в редакцию 10.04.2014 г.
Исследовались закономерности газообмена между дейтериевой плазмой и стенками вакуумной камеры из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, облучаемой атомами дейтерия в атмосфере дейтерия с примесью кислорода; ионами и атомами разряда в дейтерии с примесью кислорода. Показано, что облучение поверхности нержавеющей стали в указанных выше условиях активирует диффузию водорода из нержавеющей стали, внедрение дейтерия в нержавеющую сталь, формирование на поверхности и десорбцию молекул Н20, НБО, Б20, НБ и Н2. Практически весь кислород газовой смеси в диапазоне концентраций кислорода от 0.5 до 30 ат. % участвует в образовании молекул про-тонированной и дейтерированной воды на поверхности. Выход водорода из стали растет с увеличением концентрации кислорода в смеси дейтерия с кислородом. При этом в нержавеющую сталь захватывается меньше дейтерия, чем было удалено водорода. Показано, что диффузия водорода к поверхности, его реакции с дейтерием и кислородом рабочего газа и захват дейтерия сталью может обеспечиваться последовательными поверхностными экзотермическими реакциями, инициируемыми взаимодействием атомов и ионов дейтерия с оксидом хрома на поверхности нержавеющей стали.
Ключевые слова: водород, кислород, плазма, нержавеющая сталь, оксид хрома, реакции на поверхности.
Б01: 10.7868/80207352815020067
ВВЕДЕНИЕ
История изучения захвата водорода металлами, облучаемыми ионными пучками, насчитывает несколько десятилетий. В последние годы в связи с потребностями термоядерных исследований значительное внимание уделяется выявлению различных аспектов захвата водорода металлами при их облучении в плазме. В частности, значительное число работ посвящено измерению различных параметров захвата и удержания изотопов водорода в вольфраме [1, 2], бериллии [3, 4] и нержавеющих сталях [5], перспективных для использования в качестве контактирующих с плазмой материалов ИТЭР. В работах [6, 7] в экспериментах с дейтериевой плазмой с примесью кислорода было обнаружено значительное влияние примеси кислорода в плазме на захват дейтерия нержавеющей сталью.
Вместе с тем следует отметить, что до сих пор не уделялось специального внимания анализу роли оксидных поверхностных слоев в процессе захвата водорода металлами, в частности при облучении в
водородной плазме с примесью кислорода. Этот вопрос представляется актуальным, поскольку кислород является неизбежной примесью в современных термоядерных установках и его содержание до 0.5 ат. % ожидается и в ИТЭР. Во всех термоядерных установках плазма на значительной площади контактирует со стенками плазменной камеры, выполненной из хромсодержащих аусте-нитных сталей. Хром в этих сталях сегрегирует на поверхности и создает плотный слой оксида хрома, являющегося диффузионным барьером для водорода [8, 9]. Можно также отметить формирование плотного оксидного слоя на поверхности бериллия [10, 11], выбранного в качестве материала контактирующих с плазмой элементов первой стенки ИТЭР.
Работа посвящена изучению особенностей газообмена между дейтериевой плазмой с примесью кислорода и ее компонентов (атомов и ионов дейтерия) со стенками вакуумной камеры из нержавеющей стали. Исследовались инициированные облучением процессы на поверхности, характер модификации рабочего газа в результате
Остаточный газ ч.
100
Рабочий
газ
т.
а
«
и
я
а тра
н
о Я н
о Ко
10
1
0.1
Остаточный газ \
Н2 X 10 " \
(а)
Атомарное облучение
Облучение плазмой
■■■■■■.■«¡¿■■ММ'"
V-
Н2
НБ
02
Н20
НБО
020
О2
100
т.
а
«
и
я
а тра
н е я н
о Ко
10
0.1
1ГЙ
¡о
р
[IV1
20
Рабочий ^ газ
40 60
Время, мин
(б)
Атомарное облучение
80
ШШШШШШШ
00000000000(
'ООСЮОООСОСОЭСОСЮОСООС
100
Облучение плазмой
ааааллаа
Н
ОООООООО
2
- НБ А- 02
V- Н2О ♦- НБО Б20
*-02
0 \ 50
Н2 х 10
100 150 200 Время, мин
250
300
Рис. 1. Изменение состава рабочего газа при облучении стенки плазменной камеры атомами дейтерия и при облучении плазмой, инициируемой в этом же рабочем газе. Состав рабочего газа: а - Б2 + 0.5 ат. % О2; б - Б2 + 30 ат. % О2.
0
1
такого взаимодействия, захват газа стенкой и десорбция из нее.
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Для экспериментов использовался "Многофункциональный исследовательский комплекс масс-спектрометрического анализа" (МИКМА)
[6], представляющий собой автоматизированную установку, предназначенную для проведения экспериментов по изучению взаимодействия атомов изотопов водорода, ионных пучков, ионов и электронов газоразрядной плазмы с твердыми телами и для анализа процессов захвата и удержания газов в металлах методом термодесорбционной спектрометрии (ТДС) (рис. 1). Эксперименты проводились в плазменной камере установки. Объем ваку-
ГАЗООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ, ИНИЦИИРУЕМЫЕ НЕУПРУГИМИ СТОЛКНОВЕНИЯМИ
89
умной камеры составляет ~2 х 10-3 м3. Площадь контактирующих с плазмой элементов вакуумной камеры равна ~0.1 м2. Стенки вакуумной камеры охлаждались, и ее температура во время облучения не превышала 40°С. Давление остаточного газа (Н20 > 95 ат. %, Н2 < 5 ат. %) составляло не более 1 х 10-4 Па. Давление рабочего газа, состоящего из дейтерия и кислорода в первой серии экспериментов и водорода и кислорода во второй серии равнялось 6.6 х 10-1 Па. Накаливаемый катод и анод, установленные в плазменной камере, позволяли зажигать в ней газовый разряд. Масс-спектрометр, подсоединенный к плазменной камере, использовался для анализа состава газа в камере во время экспериментов.
В первой серии экспериментов поверхность стенки вакуумной камеры установки облучалась атомами дейтерия, которые генерировались в рабочем газе, состоящем из дейтерия с примесью кислорода, благодаря диссоциации молекул дейтерия на накаленном вольфрамовом катоде. Затем зажигался разряд, и стенки камеры облучались ионами и атомами дейтерия.
Во второй серии экспериментов также проводилось облучение стенки атомами дейтерия в газовой смеси Б2 + О2, но затем дейтерий в рабочем газе заменяли на водород, и стенка облучалась атомами водорода в рабочем газе Н2 + О2. Концентрация кислорода была постоянной в обоих составах рабочего газа. Обе серии экспериментов выполнялись при концентрации кислорода в рабочих газах: 2, 5, 10, 20 и 30 ат. %.
Плотность плазмы газового разряда на всех этапах экспериментов составляла ~1010 см-3, электронная температура ~7 эВ.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Первая серия экспериментов. Облучение вакуумной камеры атомами дейтерия приводило к тому, что концентрация кислорода резко уменьшалась и даже падала ниже порога чувствительности масс-спектрометра в случаях, когда его концентрация в рабочем газе до начала экспериментов была 2, 5 или 10 ат. %. Одновременно в рабочем газе появлялись молекулы НБ, НБО, Б20, и резко увеличивалось количество молекул Н2, Н20. Их концентрации повышались с увеличением содержания кислорода в рабочем газе и медленно менялись во время облучения. Молекулы НБО, Б20 и Н20 ("молекулы воды") в совокупности содержали примерно равные количества водорода и дейтерия, хотя водорода в рабочем газе было более чем на два порядка меньше дейтерия. При инициации разряда начиналось облучение поверхности стенки плазменной камеры ионами плазмы, но каче-
ственных изменений состава рабочего газа не происходило. На рис. 1а, б в качестве примера приведены графики изменения состава рабочих газов Б2 + 0.5 ат. % 02 и Б2 + 30 ат. % 02 при накале катода и инициации разряда.
Перечисленные выше особенности изменения состава газа в плазменной камере при облучении ее стенок атомами и ионами дейтерия свидетельствовали о том, что регистрируемые масс-спектрометром молекулы протонированной и дейтериро-ванной воды образовывались на поверхности стенки вакуумной камеры при участии кислорода и дейтерия рабочего газа и водорода, диффундировавшего из ее объема и входящего в состав поверхностного сорбированного слоя.
Вторая серия экспериментов. Эта серия экспериментов была предпринята для того, чтобы выяснить, захватывался ли дейтерий стенкой плазменной камеры при ее облучении атомами дейтерия в газе Б2 + 30 ат. % 02 и, если захватывался, то в каком количестве. Поэтому после облучения стенки атомами дейтерия производилась замена дейтерия в рабочем газе водородом той же концентрации, и стенка облучалась атомами водорода. Так же, как в первой серии экспериментов, масс-спектрометр регистрировал появление в газе молекул воды в процессе облучения. Это указывало на протекание на поверхности стенки тех же процессов, что и при ее облучении в первой серии экспериментов, но теперь при участии эмитируемых из объема стенки атомов дейтерия (рис. 2). Таким образом, эти эксперименты свидетельствовали о захвате дейтерия вакуумной стенкой при ее облучении атомами дейтерия и о его выделении при облучении атомами водорода.
Формирование на поверхности стенки плазменной камеры и десорбция молекул НБ0, Б20, Н20, НБ и Н2 и захват стенкой дейтерия при облучении атомами дейтерия в газе Б2 + 02 и атомами и ионами дейтерия при облучении в плазме с примесью кислорода могли обеспечиваться цепочкой экзотермических реакций на поверхности стенки (рис. 3). Атомы и ионы дейтерия инициировали эти реакции благодаря неупругим взаимодействиям с оксидом хрома (Сг203), образуя оксидный слой на поверхности нержавеющей стали, и принимали участие в последующих реакциях. Кислород, взаимодействуя с поверхностью стенки, восстанавливал оксид хрома, а также участвовал в образовании молекул воды. Аналогичные реакции происходили на поверхности стенки при ее облучении ионами водорода, о чем свидетельствует выделение в объем камеры ранее захваченного дейтерия.
Следует отмет
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.