In-vessel surface layer evolution during plasma–wall interaction in the Globus-M spherical tokamak

Abstract

The composition, morphology and structure of the mixed layers deposited onto the surface (deposits) after a preliminary carboboronization procedure (B/C : H layers deposition) and subsequent plasma–wall interaction in the different areas of the Globus-M spherical tokamak have been analysed. Globus-M is almost completely covered by recrystallized graphite protection tiles (currently about 90% of its inner vessel area facing to plasma). The deposit properties were examined by different diagnostic techniques (electron probe microanalysis, scanning electron microscope, x-ray diffraction, nuclear resonance reactions, thermal desorption spectroscopy, infrared Raman scattering and secondary ion mass spectroscopy) after sample exposure to plasma during 3000–10000 tokamak pulses. It was found that deposits existed even in high flux regions (separatrix strike points). The initial composition of the protective layers formed during boronization is dramatically modified during long-term plasma–wall interaction and resulted in significant intermixing of its components with materials of the vessel interior. The properties of the layers deposited onto the surfaces intensively interacting with plasma, as well as the composition of the layers deposited in the ‘shadowed’ zones are discussed. Deuterium retention in Globus-M was estimated relying upon the data on deuterium concentrations in the deposits that were measured by different methods. It is revealed that deuterium was absorbed only in the deposits and its concentration vanished in the bulk of the tiles. Conditions of deuterium desorption are analysed and the merits of recrystallized graphite are discussed.

Concept of the divertor of a fusion neutron source based on a spherical tokamak

“…In this context, the necessity of ensuring long term steady state operation of the FNS ST requires additional experimental and theo retical studies on the possibility of operation under partial detachment conditions. At present, the physics of the divertor plasma is being actively studied experimentally at the Russian spherical tokamak Globus M, which in some param eters (in particular, high density of the input power) approaches the FNS ST project [48,49]. The authors of the present paper are preparing experiments at this tokamak to verify the proposed model and the above assumptions.…”

Morphology and Composition of Dust and Debris Produced in Globus-M Tokamak

“…Морфология и элементный состав облицовочных плиток [7,8], пыли и крупных частиц, появив-шихся в результате эксплуатации Глобус-М в режиме рабочих разрядов и процедур очистки, были изучены на электронно-зондовом микроанализаторе Камебакс (фирма «Камека», Франция) методами растровой электронной микроскопии (РЭМ) и рентгеноспектрального микроанализа (РСМА) при ускоряющем напряжении 15 кВ и токе 1 нА. Глубина анализа элементного состава ~3 мкм для угле-родной матрицы и ~1 мкм для металлической.…”

“…Рентгенофазовый анализ (РФА) образцов (5×10×5 мм), вырезанных из исходных и облучённых плиток [7,8], а также проб пыли и крупных частиц, был выполнен на дифрактометре ДРОН-3 с медной трубкой (λ Cu = 0,154 нм) и с графитовым монохроматором. Регистрация дифрагирующих пучков осуществлялась в интервале углов 2 от 10º до 90º с шагом 0,05º и временем экспозиции в каждой точке 1,5 с (глубина анализа составляла ~10 мкм для углеродной матрицы и ~5 мкм для металлической).…”

“…и примесей (ат. %): Fe (4,8), Cr (3,3), Ti (2,9), Ni (0,9), Si (0,1). Толщина углеродной оболочки 2-3 мкм при диа-метре сферы 10 мкм.…”

“…Механизмы разрушения графитов при облучении интенсивными потоками плазмы были исследованы на установках МК-200 и КСПУ [6]. Морфологические, композиционные изменения и структурно-фазовые превращения в плазмоконтактирующих материалах токамака Глобус-М были рассмотрены в работах [7][8][9].…”