ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2008, том 72, № 7, с. 1024-1026
УДК 533.924
МОДЕЛИРОВАНИЕ ОТРАЖЕНИЯ ДЕЙТЕРИЯ ОТ ПЛАЗМЕННО-
НАПЫЛЕННОГО ВОЛЬФРАМА
© 2008 г. Д. К. Когут, Н. Н. Трифонов, В. А. Курнаев
Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
E-mail: nnt@plasma.mephi.ru
В работе представлен метод компьютерного моделирования формирования поверхности плазменно-напыленного вольфрама (ПНВ), для нее были получены зависимости коэффициента отражения изотопов водорода от энергии налетающих частиц в диапазоне энергий от 5 до 104 эВ. Показано, что при энергиях порядка 10 эВ коэффициент отражения от поверхности ПНВ меньше в 1.5 раза по сравнению с гладкой поверхностью, что соответствует увеличению коэффициента внедрения дейтерия в 2 раза.
Плазменно-напыленный вольфрам (ПНВ) используется для покрытия первой стенки термоядерных установок как материал, обладающий низким коэффициентом распыления и повышенной термопрочностью. Важный аргумент при использовании вольфрама - низкий коэффициент внедрения в него изотопов водорода, что является
Рис. 1. Поверхность (слева) и срез (справа) ПНВ. Изображения получены на СЭМ при одинаковом увеличении микроскопа.
критическим обстоятельством с точки зрения накопления в материале трития. Пористость ПНВ позволяет in situ восстановление материалов первой стенки, испытавших сильную эрозию после плазменных срывов в камере токомака. ПНВ обладает сильно развитой поверхностью и содержит полости, занимающие 8-9% от объема, что значительно влияет на процесс захвата изотопов водорода. Результаты изучения процессов захвата ионов дейтерия поверхностью ПНВ рассмотрены в [1-3]. В частности, в [1] найдено, что в диапазоне доз облучения ионами дейтерия 5 ■ 1021-5 ■ 1023 м-2 при нормальных условиях ПНВ накапливает в 4-5 раз большее количество дейтерия, чем поликристаллический вольфрам.
Структура поверхности данного материала -следствие процесса его изготовления: напыление на подложку капель расплавленного металла, вводимого в высокотемпературную плазменную струю. На подложке капли почти мгновенно застывают. Полученная структура в первом приближении может быть промоделирована совокупностью сферических частиц вольфрама микронных размеров, хаотически осаждающихся на поверхности. Такая модель качественно соответствует наличию характерных для ПНВ замкнутых полостей, а также соединенных с поверхностью открытых пор (рис. 1).
В модели (рис. 2) шары, радиусы которых распределены по нормальному закону с наиболее вероятным значением 1 мкм и дисперсией а = 0.3 мкм, движутся вдоль нормали к поверхности до полной остановки в результате неупругих столкновений с уже имеющимися на поверхности шарами. Размеры мишени варьировались от 20 х 20 до 100 х 100 мкм, начальное положение налетающих шаров задается случайным образом. Количество подбирается таким образом, что на поверх-образуется несколько слоев, имитирующих
Рис. 2. Моделирование формирования поверхности шар°В
ПНВ. ности
МОДЕЛИРОВАНИЕ ОТРАЖЕНИЯ ДЕЙТЕРИЯ ОТ ВОЛЬФРАМА
1025
глубокие поры. После полной остановки частиц и окончания процессов релаксации радиусы шаров увеличиваются на 5% для имитации "слипания" капель расплавленного металла. Расчеты проводились с использованием Tokamak Game Physics SDK (http://www.tokamakphysics.com).
Для моделирования отражения ионов дейтерия от такой модельной поверхности в существующий компьютерный код PTr (который представляет собой развитие кода SCATTER [4], основанного на модели парных соударений, и позволяет моделировать движение частицы в произвольной трехмерной геометрии) был добавлен алгоритм, описывающий взаимодействие налетающих частиц со сферой. При этом сфера полагалась абсолютно гладкой. В процессе моделирования частица, вылетевшая из сферы, считается отраженной от поверхности мишени, если угол между нормалью поверхности и вектором скорости частицы составляет меньше 90° и ее траектория не пересекается с другими сферическими объектами.
При помощи кода PTr было проведено моделирование взаимодействия с мишенью, состоящей из 6400 вольфрамовых сфер, ионов дейтерия с энергией в диапазоне от 5 эВ до 10 кэВ при падении их как по нормали, так и под углом к ней.
Результаты расчета для ионов дейтерия, налетающих по нормали, приведены на рис. 3. На графике представлено изменение коэффициента отражения в зависимости от энергии налетающих частиц. Каждая точка на графике соответствует 10000 модельным траекториям налетающих дейтронов. Из графика видно, что для малых энергий от гладкой поверхности отражается примерно в 1.5 раза больше частиц, чем от ПНВ. С ростом энергии отношение коэффициентов отражения уменьшается и сравнивается при энергии около 10 кэВ. Для угла падения 60° (рис. 4) большая разница между ПНВ и гладкой мишенью сохраняется во всем диапазоне энергий. С точки зрения использования ПНВ как материала первой стенки существенно, что для него наблюдается значительное увеличение коэффициента внедрения дейтерия, определяемого как 1-RN. На рис. 5 для сравнения представлены зависимости коэффициентов отражения ионов D, T и He от энергии налетающих частиц для случая нормального падения. Видно, что, несмотря на незначительное различие значений коэффициента отражения для D, T и He при низких энергиях, для каждого типа частиц сохраняется отношение коэффициентов отражения для модельной и гладкой поверхностей вольфрама.
Таким образом, разработан алгоритм формирования модели шероховатой и содержащей поры поверхности плазменно-напыленного вольфрама. Моделирование взаимодействия с такой модельной поверхностью ионов дейтерия с энергиями от 10 до 104 эВ показало более чем двукратное увели-
rn 1.0Г
0.2-
о1 ........—.........—.........—.........
10 100 1000 10000 Энергия частиц, эВ
Рис. 3. Зависимость коэффициента отражения дейтронов при нормальном падении на гладкую и модельную поверхность вольфрамовой мишени от энергии налетающих частиц.
1.0
0.2
0 -1_1_1_1_ш1..............................
10 100 1000 10000 Энергия частиц, эВ
Рис. 4. Зависимость коэффициента отражения дейтронов от гладкой и модельной вольфрамовой мишени от энергии налетающих частиц при угле падения 60°.
1.0
0.2 0
10 100 1000 10000 Энергия частиц, эВ
Рис. 5. Зависимость коэффициента отражения ионов D (■, □), ДФ, О) и №(♦, О) при нормальном падении на гладкую (темные символы) и модельную (светлые символы) поверхности вольфрамовой мишени от энергии налетающих частиц.
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 72 < 7 2008
1026
КОГУТ и др.
чение коэффициента внедрения частиц в такую поверхность при низких энергиях. Для наклонного падения частиц, характерного для нейтралов перезарядки в термоядерных установках с магнитным удержанием плазмы [5], существенное превышение поглощения дейтерия подобной поверхностью по сравнению с гладкой сохраняется вплоть до энергий выше 10 кэВ. С одной стороны, применение ПНВ уменьшает рециклинг рабочего газа над поверхностью, а с другой - может привести к существенно большему накоплению в этом материале трития (по сравнению с менее пористыми вольфрамовыми материалами с более гладкой поверхностью).
Авторы признательны А.В. Голубевой за предоставление данных о плазменно-напыленном вольфраме.
Исследования, описанные в данной работе, были проведены в рамках проекта RUX0-013-PZ-06,
поддерживаемого совместно Американским фондом гражданских исследований и развития (АФГИР), Министерством образования РФ и правительством республики Карелия.
Работа поддержана грантом Росатома № 1.05.19.06.538.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Голубева A.B., Курнаев В.А., Майер М, Рот И. // ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез. 2007. Вып. 2. С. 18.
2. Alimov V.Kh, Scherzer B.M.U. // J. Nucl. Mater. 1996. V. 240. P. 75.
3. Garcia-Rosales C, Franzen P., Plank H. et al. // J. Nucl. Mater. 1996. V. 233. P. 803.
4. Курнаев B.A., Трифонов H.H. // ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез. 2002. Вып. 3. С. 76.
5. Курнаев В.А., Матвеев Д.И., Трифонов H.H. // J. Nucl. Mater. 2007. V. 363. P. 797.
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 72 < 7 2008
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.