Линейная плазменная установка для исследования плазменноповерхностных взаимодействии

В научно-производственной компании «PlasmaScience» (г. Усть-Каменогорск, Казахстан) разработана и построена новая лабораторная линейная плазменная установка KAZ-PSI (Kazakstan plasma Generator for Plasma Surface Interactions) для изучения взаимодействия плазмы с материалом. В статье описаны некоторые особенности разработанной экспериментальной установки для исследования поверхностноплазменных взаимодействий. Основными элементами линейной плазменной установки являются электронно-лучевая пушка с катодом из LaB6, камера плазменно-пучкового разряда, камера взаимодействия, мишенное устройство, электромагнитная система, состоящая из электромагнитных катушек. Установка KAZ-PSI позволяет генерировать непрерывную плазму водорода, дейтерия, гелия, аргона и азота. Электронная плотность плазмы находится в диапазоне порядка 10¹⁷-10¹⁸ м^-3 , а электронная температура - в диапазоне от 1 до 20 эВ. Энергия падающих ионов регулируется путем подачи на мишень отрицательного смещения до 2 кВ. На установке KAZ-PSI впервые были проведены эксперименты по облучению вольфрама гелиевой плазмой. В статье представлены результаты исследований, проведенных по изучению изменений вольфрамовой смеси. Результаты исследвоания показали, что после облучения гелиевой плазмой изменяется морфология поверхности вольфрама и на поверхности создается рельеф за счет распыления поверхности ионами гелия, а также за счет формирования блистеров.

1. Kallenbach, A.; Bernert, M.; Dux, R.; Casali, L., Eich, T.; Giannone, L.; Herrmann, A.; McDermott, R; Mlynek,A.; Müller,H.; Reimold, F.; Schweinzer, J.; Sertoli, M.; Tardini, G.; Treutterer, W.; Viezzer, E.; Wenninger, R.; Wischmeier M.; the ASDEX Upgrade Team. Impurity seeding for tokamak power exhaust: from present devices via ITER to DEMO. Plasma Physics and Controlled Fusion 2013. – 55(12), 124041. https://doi.org/10.1088/0741-3335/55/12/124041.

2. Zinkle, S.J.; Blanchard, J.P.; Callis, R.W.; Kessel C.E.; Kurtz, R.J.; Lee, P.J.; McCarthy, K.A.; Morley, N.B.; Najmabadi, F.; Nygren, R.E.; Tynan, G.R.; Whyte, D.G.; Willms, R.S.; Wirth, B.D. Fusion materials science and technology research opportunities now and during the ITER era. Fusion Engineering and Design 2014, 89(7-8), 1579. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2014.02.048.

3. Wan, Y.; Li, J.; Liu, Y.; Wang, X.; Chan, V.; Chen, C.; Duan, X.; Fu, P.; Gao, X.; Feng, K.; Liu, S.; Song, Y.; Weng, P; Wan, B.; Wan, F.; Wang, H.; Wu, S.; Ye, M.; Yang, Q.; Zheng, G.; Zhuang, G.; Li, Q. Overview of the present progress and activities on the CFETR. Nuclear Fusion 2017, 57(10), 102009. https://doi.org/10.1088/1741-4326/aa686a.

4. Andrea Malizia, Luigi Antonio Poggi, Jean-François Ciparisse, Riccardo Rossi, Carlo Bellecci and Pasquale Gaudio. A Review of Dangerous Dust in Fusion Reactors: from Its Creation to Its Resuspension in Case of LOCA and LOVA. Energies 2016, 9, 578; https://doi:10.3390/en9080578.

5. Chao Yin, Dmitry Terentyev, Tao Zhang, Shuhei Nogami, Steffen Antusch, Chih-Cheng Chang, Roumen H. Petrov, Thomas Pardoen, Ductile to brittle transition temperature of advanced tungsten alloys for nuclear fusion applications deduced by miniaturized three-point bending tests, International Journal of Refractory Metals and Hard Materials 2021, Vol. 95, 105464. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2020.105464.

6. Chai Ren, Z. Zak Fang, Mark Koopman, Brady Butler, James Paramore, Scott Middlemas, Methods for improving ductility of tungsten - A review, International Journal of Refractory Metals and Hard Materials 2018, Volume 75, 170-183. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2018.04.012.

7. Li, Y.G.; Zheng, Q.R.; Wei, L.M.; Zhang, C.G.; Zeng, Z. A review of surface damage/microstructures and their effects on hydrogen/helium retention in tungsten. Tungsten 2020, 2, 34-71. https://doi.org/10.1007/s42864-020-00042-w.

8. Miyamoto, M.; Mikami, S.; Nagashima, H.; Iijima, N.; Nishijima, D.; Doerner, R.; Yoshida, N.; Watanabe, H.; Ueda, Y.; Sagara, A. Systematic investigation of the formation behavior of helium bubbles in tungsten.. Nuclear Materials 2015, 463, 333–6. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2014.10.098.

9. Qin, W.; Ren, F.; Doerner, R.P.; Wei, G.; Lv, Y.; Chang, S.; Tang, M.; Deng, H.; Jiang, C.; Wang, Y, Nanochannel structures in W enhance radiation tolerance. Acta Materialia. 2018, 153, 147-155. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.04.048.

10. Thompson, M.; Doerner, R.; Ohno, N.; Kirby, N.; Kluth, P.; Riley, D.; Corr C. Measuring temperature effects on nano-bubble growth in tungsten with grazing incidence small angle x-ray scattering. Nuclear Materials and Energy 2017, 12 1294-1297. https://doi.org/10.1016/j.nme.2016.11.025.

11. Rakhadilov B.K. et al. Plasma installation for research of plasma-surface interaction // EurasianPhysicalTechnicalJournal,2019,Vol.16,No 2(32).

12. Yang HH, Wu ZX, Huang RJ, Huang CJ, Li SP and Li LF, Stress-induced martensitic transformation during tensile test of full-size TF conductor jacket tube at 4.2 K, CEC-ICMC 2013; 1574:48-53. https://doi.org/10.1063/1.4860603.

13. Yang HH, Huang CJ, Wu ZX, Huang RJ, Li LF, Analysis on the structural transformation of ITER TF conductor jacket tube, Advanced Engineering Materials 2014, Volume 17, Issue 3, 305-310. https://doi.org/10.1002/adem.201400050.

14. Yang HH, Huang CJ, Wu ZX, Huang RJ, Li LF, Analysis on the structural transformation of ITER TF conductor jacket tube, Advanced Engineering Materials 2014, Volume 17, Issue 3, 305-310. https://doi.org/10.1002/adem.201400050.

15. Hirai T., Pintsuk G., Linke J., Batilliot M. // Cracking failure study of ITER-reference tungsten grade under single pulse thermal shock loads at elevated temperatures, Journal of Nuclear Materials 2009, V. 390–391. P. 751-754. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2009.01.313.

16. Rakhadilov, B.K.; Miniyazov, A.Z.; Skakov, M.K.; Sagdoldina, Z.B.; Tulenbergenov, T.R.; Sapataev, E.E. Structural Modification and Erosion of Plasma-Irradiated Tungsten and Molybdenum Surfaces. Technical Physics 2020, 65, 382-391. https://doi.1134/S1063784220030202.

17. Goebel D.M., Campbell G., Conn R.W. Plasma surface interaction experimental facility (PISCES) for materials and edge physics studies. — J. Nucl. Mater., 1984, vol. 121, p. 277; http://dx.doi.org/10.1016/0022-3115(84)90135-1.

18. Orlov K. E. Diagnostics of low-temperature plasma: Textbook. allowance. SPb.: Publishing House Polytechnic. University, 2005. 110 p.

19. A. Kreter, C. Brandt, A. Huber, et al., Linear plasma device PSI-2 for plasma-material interaction studies, Fusion Sci. Technol. 68 (2015) 8-14.

20. G.-H. Lu, L. Cheng, K. Arshad, et al., Development and optimization of STEP-A linear plasma device for plasma-material interaction studies, Fusion Sci. Technol. 71 (2017) 177-186.

21. Y. Hirooka, R.W. Conn, T. Sketchley, et al., A new plasma-surface interactions research facility: PISCES-B and first materials erosion experiments on bulk-boronized graphite, J. Vacuum Sci. Technol. A 8 (1990) 1790-1797.

22. H.-S. Zhou, H.-D. Liu, Z.-Q. An, et al., Deuterium permeation and retention in copper alloys, J. Nucl. Mater. 493 (2017) 398-403.

23. Y. Hirooka, H. Ohgaki, Y. Ohtsuka, et al., A new versatile facility: Vehicle-1 for innovative PFC concepts evaluation and its first experiments on hydrogen recycling from solid and liquid lithium, J. Nucl. Mater. 337–339 (2005) 585–589.

24. N. Ohno, D. Nishijima, S. Takamura, et al., Static and dynamic behaviour of plasma detachment in the divertor simulator experiment NAGDIS-II, Nucl. Eng. 41 (2001) 1055-1065.

25. G. De Temmerman, J.J. Zielinski, S. van Diepen, et al., ELM simulation experiments on PilotPSI using simultaneous high flux plasma and transient heat/particle source, Nucl. Eng. 51 (2011), 073008.

26. H.J.N. van Eck, G.R.A. Akkermans, S. Alonso van der Westen, et al., High-fluence and highflux performance characteristics of the superconducting Magnum-PSI linear plasma facility, Fusion Eng. Des. 142 (2019) 26-32.

27. Y. Xu et al. Plasma-surface interaction experimental device: PSIEC and its first plasma exposure experiments on bulk tungsten and coatings // Fusion Engineering and Design 164 (2021) 112198.