Generation of Argon Plasma Flows and Transformation of the Flow Energy to the Radiation at the Qspa-T Facility for Modeling the Radiation Loads Typical for Iter Mitigated Disruption

Abstract

Эрозия материалов внутрикамерных компонентов токамака ИТЭР при воздействии на их поверхность мощных импульсных потоков плазмы и излучения является одной из основных проблем в проекте ИТЭР. Исследование поведения материалов под действием таких потоков на действующих токамаках невозможно из-за недостаточной мощности установок. В данной работе предложена схема экспериментального моделирования радиационных нагрузок, характерных для ослабленного срыва ИТЭР, с помощью квазистационарного сильноточного плазменного ускорителя КСПУ-Т: вспышки излучения генерируются при торможении потока аргоновой плазмы на твердотельной мишени. Так как ранее аргон никогда не применялся в качестве плазмообразующего газа на данной установке, то на первом этапе была исследована работа КСПУ-Т на аргоне. Показано, что ускоритель способен генерировать хорошо сколлимированные потоки аргоновой плазмы диаметром 10-12 см, длительностью около 0,5 мс, со скоростью до 810 4 м/с и давлением торможения до 12 атм. На втором этапе были проведены исследования вспышек излучения. Установлено, что основными излучающими линиями являются линии ArII, длительность импульса излучения варьируется от 250 до 500 мкс, максимальная плотность энергии излучения, полученная на расстоянии 13 см от мишени, составляет 0,55 МДж/м 2. Указанные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что КСПУ-Т можно использовать для моделирования радиационных нагрузок, характерных для ослабленного срыва ИТЭР.

Experimental Study of Integrated Characteristics of Plasma Stream and Discharge of a Quasi-Stationary High-Current Plasma Accelerator With Its Own Magnetic Field

“…Интегрирование выполнялось в предположении, что слой плазмы вблизи поверхности мишени излучает изотропно в телесный угол 2π, а коэффициент поглощения излучения плазмы поверхностью калориметра близок к единице. Обоснованность данных допущений представлена в ранее проводимых работах, содержащих исследование пространственных и спектральных характеристик источника излучения, возникающего при торможении потока плазмы КСПУ на твердотельной мишени [20,[24][25][26].…”

“…Следовательно, для решения задачи генерации излучения также требуется о птимизация режимов работы КСПУ, направленная на увеличение эффективности преобразования η hv . Одна из таких попыток была предпринята в работе [24], где в качестве рабочего газа использовался аргон -газ, характеризующийся высокой излучательной способностью. В этой работе были достигнуты более высокие значения η hv на уровне 50-60%, при этом абсолютные значения энергии излучения Q hv не превышали значения, полученные при работе на водороде и представленные в настоящей работе.…”

“…Этот комплекс включает в себя, в частности, два квазистационарных сильноточных плазменных ускорителя (установки КСПУ-Т и КСПУ-Be) и позволяет проводить изучение поведения всех представляющих интерес для разработки ТЯР материалов при плазменно-тепловых нагрузках, ожидаемых в Международном термоядерном реакторе ИТЭР [20][21][22][23]. В процессе исследований, кроме прямого плазменного воздействия высокотемпературной плазмы на материалы, удалось также реализовать режим опосредованного облучения, при котором существенная часть энергии плазменного потока в результате его торможения на вспомогательной мишени преобразуется в излучение в видимой и ультрафиолетовой областях спектра, которое, в свою очередь, производит основное воздействие на материал [24][25][26]. Применение двух экспериментальных схем облучения материалов на плазменных ускорителях существенно расширяет возможности их использования для исследования взаимодействия плазмы с материалами, поскольку позволяет отделить процессы, специфические для плазменного облучения, от общих процессов, обусловленных тепловым воздействием.…”

“…Второй режим -переходный, в котором оба слагаемых в правой части формулы (3) играют значимую роль. Характерное значение скорости потока плазмы v пл , регистрируемое с использованием времяпролётной методики[24], в ускорительном режиме работы (110 кА < I р < 150 кА) растёт в диапазоне (1-3)10 5 м/с с ростом разрядного тока. Максимальное значение скорости соответствует направленной энергии ионов водорода E Н + ~ 0,5 кэВ, при плотности плазмы в свободном потоке на уровне n пл ~ 10 22 м -3 .Необходимо отметить, что большинство опубликованных ранее экспериментальных и теоретических результатов по исследованию работы КСПУ относятся преимущественно к третьему режиму Рис.…”

Experimental investigation of the characteristics of the plasma flow generated in quasi-stationary plasma accelerator using optical methods

“…[6][7][8][9][10][11][12][13] These works 9,10,14 present the results of a study of the erosion of materials under plasma thermal loads, characteristic of weakened disruptions in ITER. In the process of research, in addition to the direct plasma effect of high-temperature plasma on materials, in studies [15][16][17] it was possible to implement the indirect irradiation mode. In indirect irradiation mode, a significant part of the energy of the plasma flow, as a result of its deceleration on the auxiliary target, was converted into radiation in the visible and ultraviolet regions of the spectrum, which, in turn, produced the main effect on the material.…”