Document 734428

УДК 533.9(06) Физика плазмы и управляемый термоядерный синтез
А.А. АЙРАПЕТОВ, А.А. КУЗЬМИН, Я.А. САДОВСКИЙ, П.А. ШИГИН
Научный руководитель – Л.Б.БЕГРАМБЕКОВ, д.ф.-м.н., профессор
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
ЗАХВАТ И УДЕРЖАНИЕ ДЕЙТЕРИЯ И КИСЛОРОДА
В НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ ПРИ ЕЕ ОБЛУЧЕНИИ
В ДЕЙТЕРИЕВОЙ ПЛАЗМЕ С ПРИМЕСЬЮ КИСЛОРОДА
В работе изучался захват кислорода и дейтерия при облучении образца из нержавеющей стали в плазме
несамостоятельного газового разряда, зажженной на дейтерии с 2% примеси кислорода. Выяснено, что при
облучении образца в плазме с примесью кислорода, на его поверхности образуется «барьерный слой»,
насыщенный кислородом и препятствующий его проникновению вглубь материала. Толщина этого слоя,
исходя из времени его распыления, а также измеренная с помощью ВИМС анализа, оказалась 2-4 нм. После
распыления этого слоя в дейтериевой плазме, открывается доступ кислорода из воды остаточного газа
вглубь образца, и его количество в образце оказывается примерно тем же, что и при облучении в плазме с
примесью кислорода, однако образования «барьерного слоя» в таком случае не происходит.
В современных токамаках значительной частью контактирующих с плазмой материалов является нержавеющая сталь. Кислород является одной из основных вредных примесей в токамаке. Процессы взаимодействия кислорода с нержавеющей сталью под действием плазменного облучения в токамаках недостаточно
изучены. Предметом данной работы является изучение влияния облучения в дейтериевой плазме с примесью кислорода на характеристики захвата и удержания дейтерия и кислорода в нержавеющей стали.
Эксперименты проводились на универсальной установке плазменного и ионного облучения, позволяющий производить облучение образца в плазме несамостоятельного газового разряда и проводить его последующий термодесорбционный анализ без выноса на атмосферу. Исследуемые образцы представляли собой
пластинки размерами 7х7х0.1 мм, вырезанные из листа нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т.
Все проведенные эксперименты состояли из двух последовательных облучений и ТДС анализа. Первое
облучение являлось «загрязняющим» и проводилось в плазме, зажженной на смеси газов D2 + 2% O2. Энергия облучающих ионов составляла 100 эВ/ат, доза 5х10 18 ат/см2. Затем проводилось «очищающее» облучение в дейтериевой плазме, энергия ионов также составляла 100 эВ/ат, а доза варьировалась от 2х10 17 до
2.5х1019 ат/см2. Выход кислорода из образца наблюдался в виде молекул воды: H2O, HDO и D2O. Для получения общего количества захваченного в образце кислорода после проведения ТДС анализа сигналы этих
молекул интегрировались и складывались вместе.
Результаты серии экспериментов по выяснению зависимости количества захваченного кислорода от дозы
«чистящего» облучения представлены на рис. 1.
Выяснено, что после облучения нержавеющего образца в дейтериевой плазме с примесью 2% кислорода
на поверхности образца образуется «барьерный слой», насыщенный кислородом и препятствующий проникновению кислорода вглубь материала. Толщина этого слоя, измеренная с помощью ВИМС анализа, оказалась равной 2-4 нм.
В процессе дальнейшего облучения образца в дейтериевой плазме этот слой распыляется, и по мере его
распыления уменьшается количество захваченного в образце кислорода.
Оказалось что после распыления большей части барьерного слоя,
он открывает доступ вглубь образца остаточному кислороду, который
постоянно присутствует на поверхности в виде молекул воды. После
длительного облучения в дейтериевой плазме уровень насыщения захвата кислорода оказывается примерно тем же, что и уровень насыщения в случае облучения в плазме с примесью кислорода. Однако распределен этот кислород уже в более толстом слое и модификации поверхностного слоя образца не происходит.
10
2
Общий выход O, at/m x10
19
12
8
6
4
0
20
0
0
1
40
60
80
100
120
140
Время чистящего разряда, мин
160
5
10
15
2
22
Доза, at/m x10
20
2
3
4
5
6
Толщина распыленного слоя, нм
7
180
200
25
8
Рис. 1. Зависимость количества
захваченного в образце кислорода
от дозы чистящего дейтериевого
разряда