Исследование материалов для УТС

Исследования взаимодействия плазмы с поверхностью изучают взаимодействие на границе раздела между плазмой и материалами.

В фокусе исследований - теоретическая и экспериментальная поддержка разработки и валидации материалов, обращенных к плазме, для термоядерного эксперимента ITER и будущих устройств.

Взаимодействие плазмы и поверхности относится к сложным физическим, химическим и механическим процессам на границе раздела между плазмой и твердыми поверхностями. Эти взаимодействия являются критической проблемой для термоядерных реакторов, поскольку они определяют срок службы и производительность компонентов, обращенных к плазме (PFC), которые подвергаются воздействию высокого тепла и потоков частиц. Смягчение последствий взаимодействия плазмы с поверхностью необходимо для практической реализации ядерного синтеза в качестве чистого, устойчивого и безопасного источника энергии.

Взаимодействие плазмы с поверхностью включает в себя несколько явлений, в том числе напыление, ионную имплантацию, радиационное повреждение, эрозию, осаждение и повторное осаждение материала. Потоки энергии и частиц в плазме могут изменять свойства поверхности, такие как состав, структура, шероховатость и температура, что, в свою очередь, влияет на поведение плазмы. Взаимодействие между плазмой и КРМ сильно зависит от параметров плазмы, таких как плотность, температура и поток частиц, а также от свойств материала КРМ, таких как состав, площадь поверхности и геометрия.

В термоядерных устройствах с магнитным удержанием, таких как токамаки и стеллараторы, взаимодействие плазмы с поверхностью происходит в основном в области дивертора, где плазма выводится из конфайнментного объема для снижения тепловой нагрузки и нагрузки частиц на КРМ. Диверторная область предназначена для увеличения радиационных потерь плазмы путем введения примесей с низким и средним Z, таких как азот, неон, аргон, бор или литий, которые испускают излучение в видимом и ультрафиолетовом диапазоне. Радиационные потери охлаждают плазму и создают слой буферного газа, который уменьшает потоки тепла и частиц на КРМ. Выбор примесей зависит от их радиационных характеристик и совместимости с термоядерной средой.

Взаимодействие плазмы с поверхностью до сих пор не до конца изучено, и остается несколько проблем в прогнозировании и контроле его эффектов. Граница раздела плазма-поверхность представляет собой сложную и динамичную систему, в которой задействованы многочисленные масштабы, от атомного до макроскопического, и широкий спектр физических и химических процессов. Оптимизация режимов взаимодействия плазмы с поверхностью и разработка передовых КРП требуют создания точных моделей и диагностики.

В ИЯФ СО РАН существует несколько установок для изучения эрозии материалов.