СОДЕРЖАНИЕ
Введение...............................................................................4
Актуальность работа.................................................................4
Основные цели и задачи работы.......................................................5
Положения, выносимые на защиту......................................................6
Научная и практическая значимость работы............................................7
Глава 1. Литературный обзор............................................................9
1.1. Захват имплантированных ионов изотопов водорода...............................10
1.2. Термодесорбция водорода из графитовых материалов, облученных в различных
условиях...........................................................................17
1.2.1. Выделение водорода из графита, облученного молекулами и атомами водорода ...Л 8
1.2.2 Выделение водорода из графита, облученного ионным пучком водорода...........20
1.2.3. Выделение водорода из ірафита, облученного в плазме........................22
1.3 Заключение.....................................................................24
Глава 2. Экспериментальные установки и устройства.....................................26
2.1. Установка плазменного облучения и термодесорбционного анализа.................26
2.1.1. Описание установки..........................................................26
2.1.2. Узел крепления и нагрева образца............................................28
2.1.3 Схема электрической части установки..........................................32
2.1.4 Методика проведения экспериментов...........................................34
2.1.4.Г Калибровка ионизационного вакуумметра по потоку частиц в камеру.........35
2.1.4.2 Калибровка масс-спектромстра по ионизационному вакуумметру..............36
2.1.4.3 Учет десорбции с конструкционных элементов при проведении ТДС-анализа37 2.1.4.4Порядок проведения экспериментов..................................39
2.1*.5. Параметры облучения........................................................41
2.1.6. Оценка погрешностей измерения ТДС-спсктров:.................................42
2.2. Установка «МИКМА».............................................................44
2.2.1 Описание установки...........................................................44
2.2.2. Экспериментальный прибор, генерирующий поток атомов.........................47
2.2.3 Вакуумная система откачки....................................................48'
2.2.4 Методика проведения экспериментов............................................51
Глава 3. Взаимосвязь спектров термодесорбции водорода из ірафита с условиями облучения и локализацией захваченных атомов.....................................................53
3.1. Систематизация положений основных максимумов спектров термодесорбции водорода из углеграфитовых образцов............................................53
3.2. Соответствия между условиями облучения, характером захвата и формой ТДС спектра........................................................................58
3.3. Пример использования ТДС-спектров для анализа характера захвата и удержания
водорода......................................................................... 63
3.4. Выводы.......................................................................64
2
Глава 4. Механизмы захвата водорода в графитовые материалы при облучении в плазме 66
4.1. Введение........................................................................66
4.2. Захват частиц при выдержке образца СРС в дейтерии-газе..........................66
4.3. Захват частиц при облучении потоком атомов водорода.............................67
4.4. Захват частиц при облучении в дейтерисвой плазме................................71
4.4.1. Параметры эксперимента........................................................71
4.4.2 Результаты экспериментов.......................................................71
4.6. Заключение......................................................................75
Глава 5. Закономерности захвата водорода и десорбции водородосодержащих молекул 76
5.1. Введение........................................................................76
5.2. Зависимость захвата дейтерия от энергии облучающих ионов........................76
5.2.1 Параметры облучения............................................................76
5.2.2 Результаты и их обсуждение.....................................................77
5.2.2.1. Захват дейтерия при облучении ионами высоких энергий.....................79
5.3.2.2. Захват дейтерия при облучении ионами низких энергий......................81
5.2.3. Выводы........................................................................82
5.3. Зависимость захвата дейтерия от времени облучения...............................83
5.3.1 Параметры облучения............................................................83
5.3.2 Результаты экспериментов и их обсуждение.......................................84
5.3.3 Модель «потенциального механизма» захвата, объясняющая увеличение захвата при уменьшении потока при постоянстве дозы...........................................87'
5.3.4 Выводы.........................................................................91
5.4. Зависимость захвата дейтерия от температуры облучения...........................92
5.4.1 Параметры облучения........................:...................................92
5.4.2 Результаты и их обсуждение.....................................................92
5.4.3 Выводы.........................................................................95
5.5. Образование углеводородов в облучаемых углеграфитовых материалах................96
5.6 Выводы..................................................................’........99
6. Заключение..........................................................................102
Слисок цитированной литературы.........................................................105
3
Введение
Актуальность работы:
Захват и накопление изотопов водорода в графитовых материалах является важной проблемой- для современных термоядерных, установок, в которых графитовые материалы-используются в качестве материала, контактирующего с плазмой; элементов1 первой стенки, и дивертора. Накопление в них и затем неуправляемая десорбция изотопов водорода порождает серьёзные проблемы в работе существующих установок. Выявление закономерностей и механизмов захвата* водорода в?, графитовых материалах принципиально' важно и- для создаваемого Международного Гермоядерного Экспериментального Реактора (1ТЕК)* из-за опасности накопления трития в. диверторных. пластинах,, выполненных из углеграфитового композита^ (СБС);. и т. перенапыленных углеродных.слоях. * • :
Захват и- удержание изотопов водорода в графитах и* €РС изучались в» большом количестве работ, выполненных на токамаках: и в лабораторных ионно-пучковых; и плазменных установках. Накоплен большой массив данных, о, величинах захвата при различных условиях облучения. Вместе с тем, основные закономерности- и-, механизмы, захвата водорода: в угле1рафитовые материалы,^облучаемые в плазме; .в.частности,.в.условиях,, подобных условиям облучения- периферийной, плазмой* токамаков,. до сих пор’ изучены не1 достаточно. В‘ результате затрудняется» выбор' правильных конструктивных решений^ и оптимальных режимов эксплуатации углеграфитовых элементов: плазменных камер термоядерных установок.
4
Основные цели и задачи работы
Основной целью- проведенной работы являлось выявление роли компонентов водородной плазмы (ионов, электронов, нейтральных атомов) в захвате: атомов водорода в углеграфитовые материалы; исследование процессов, определяющих захват водорода в. углеграфитовые материалы при плазменном облучении;, изучение закономерностей захвата водорода в этих условиях, в частности; измерение и объяснение зависимости захвата водорода от энергии ионов* водородной плазмы, от плотности ионного тока и от | • температуры облучаемой поверхности.. " .
Для достижения этой цели были сформулированы'-следующие задачи . исследований::- • •' • •? . * ‘ ...
V. Определение связи: между положением: пиков- термодесорбции- и: условиями захвата водорода и областями его локализации^ в'углеграфитовом ; материале- с целью; расширения- возможностей.-метода* термодесорбции для-исследования закономерностей захвата водорода в материалы;.'
2. Определение относительной роли? облучения ионами,, электронами и атомами водородной-илазмы в-захвате водорода в угле1рафитовые материалы.
3. Изучение общих, закономерностей! и= особенностей- захвата' водорода* в пиролитический графит и углеграфитовый композит при облучении в плазме. В частности, измерение и объяснение особенностей зависимостей захвата водорода, от энергии., ионов плазхмы, от плотности ионного- тока и, от температуры облучаемой поверхности..
4. Выявление типа и характера процессов; обеспечивающих наблюдаемые закономерности.
5
Положения, выносимые на защиту.
1. Взаимосвязь между условиями облучения углеграфитовых материалов атомами и ионами водорода, их захватом и положением максимумов термодесорбционных спектров.
2. Закономерности изменения спектров термодесорбции водорода из углеграфитового композита и пирографита в зависимости от энергии ионов дейтериевой плазмы в диапазоне энергий от 12 до 1000 эВ/атом и спектры термодесорбции при облучении электронами плазмы со средней энергией -10 эВ.
3. Зависимость между термодесорбцией метана и водорода из углеграфитовых материалов, облученных ионами- водорода, выражающаяся в однонаправленном смещении максимумов, тремодесорбции по шкале температур при изменении энергии облучающих ионов и^ объясняющаяся тем, что десорбция- метана происходит после выделения4 значительной части водорода.
4. «Потенциальный» механизм захвата водорода в углеграфитовые материалы, при котором захват атомов водорода происходит а), при- неупругих взаимодействиях атомов, и ионов водорода с поверхностью, б) при неупругих взаимодействиях молекул водорода или водородосодержащих молекул с поверхностью, активированной потоками ионов-, и атомов, водорода или электронов: По «потенциальному» механизму могут захватываться- атомы водорода, входящие в состава молекул* водорода или водородосодержащих молекул, облучающих поверхность, или сорбированных на поверхности.
5. Закономерности «потенциального механизма» захвата:
• вероятность «потенциального» захвата практически не зависит от энергии облучающих ионов водорода в диапазоне от -12 эВ/атом до 1000 эВ/атом
• при облучении медленными ионами (ионы дейтерия с энергией <200 эВ/атом), не способными обеспечить захват водорода в зоне торможения за
счёт своей кинетической энергии, атомы, захваченные по «потенциальному» механизму, сосредотачиваются в ловушках, максимум выделения водорода из которых наблюдается при температуре 700-850: К и обеспечивают большую часть захвата водорода
• при облучении быстрыми ионами,, способнымиобеспечить захват водорода, в зоне торможения за счёт своей кинетической энергии (ионы дейтерия- с энергией . Е; >200- эВ/атом), атомы, захваченные по-«потенциапьному» механизму, могут концентрироваться как в ловушках, максимум выделения водорода из которых наблюдается при температуре 700-850 К, так и в ловушках, созданных в зонеторможения; максимум выделения-водорода из которых.происходит при температуре 1000-1100 К
• при облучении с одинаковой- дозой (5*10^ ат/м?)- захват по* «потенциальному» механизму. больше при большем^ времени- эксперимента (увеличение- времени* облучения с; 80-до 400: минут), и меньшей плотности облучающего потока'., л'
уменьшение захвата в* высокотемпературные ловушки (900-1200 К) происходит, уже: ■ при температурах распада' низкотемпературных («потенциальных» ловушек).(600-800;К): .
Научная и'практическая значимость работы
Результаты, представленные в-настоящей диссертационной: работе, важны для дальнейшего развития и систематизации представлений о захвате водорода в углеграфитовые: материалы.. Проведенный анализ связи положений: пиков термодесорбции водорода с условиями облучения и удержания захваченного водорода создает методологическую основу для более широкою использования метода- термодесорбции при исследовании закономерностей захвата и удержания водорода в графитовых материалах. Обнаруженные закономерности
захвата водорода в углеграфитовые материалы расширяют представления о процессе захвата водорода в углеграфитовые материалы.
Практическая значимость работы определяется тем, что результаты работы позволяют выявить роль каждой из компонент периферийной плазмы токамака в захвате водорода в углеграфитовые тайлы первой стенки и определить закономерности такого захвата. Тем самым, создаются условия для правильного выбора конструктивных решений и оптимальных режимов эксплуатации углеграфитовых элементов плазменных камер термоядерных установок.
8
- Київ+380960830922