Investigation of plasma facing materials at JET Tokamak
Authors: Τσαβαλάς Παύλος 
Published: March 2023

Η κατανόηση της αλληλεπιδρασης μεταξύ πλάσματος και των υλικών που έρχεται σε επαφή αποτελεί καίριο ζήτημα για την ασφαλή λειτουργία των αντιδραστήρων σύντηξης και την πρόβλεψη του χρόνου ζωής των εσωτερικών τοιμάτων τους. Τα πιο σημαντικά αποτελέσματα που προκαλούνται από την αλληλεπίδραση πλάσματος – υλικών του τοιχώματος είναι η διάβρωση της επιφάνειας, η κατακράτηση καυσίμου, και η μεταφορά και εναπόθεση του υλικού που διαβρώθηκε σε άλλες επιφάνειες του τοιχώματος. Μέχρι το 2019 το JET τόκαμακ λειτουργούσε με τοιχώματα άνθρακα, όπου παρατηρήθηκαν μεγάλες ποσότητες κατακράστησης καυσίμου. Για το λόγο αυτό την περίοδο 2009-2011, τα τοιχώματα του JET τόκαμακ μετατράπηκαν σε αμιγώς μεταλλικά καθώς τοποθετήθηκε βηρύλλιο (Βe) στον κυρίως θάλαμο και βολφράμιο (W) στον εκτροπέα. Τα μεταλλικά τοιχώματα Βe και W θα χρησιμοποιηθούν στον αντιδραστήρα σύντηξης ITER, που είναι υπό κατασκευή στη Γαλλία, και για το λόγο αυτό ονομάστηκαν ITER-like wall. Μετά την εγκατάσταση του νέου τοιχώματος στο JET τόκαμακ τρείς πειραματικές καμπάνιες αντίδρασης δευτερίου-δευτερίου έλαβαν χώρα. Στη συγκεκριμένη εργασία, ερευνήθηκαν τα φαινόμενα της μεταφοράς και εναπόθεσης υλικού, της κατακράτησης καυσίμου και της επιφανειακής διάβρωσης σε δείγματα βηρυλλίου από α) limiters και β) inner wall cladding του κυρίως θαλάμου και γ) σε δείγματα βολφραμίου από τα lamellae του εκτροπέα. Οι πειραματικές τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν είναι η ανάλυση πυρηνικών αντιδράσεων (NRA), η προκαλούμενη από σωματίδια εκπομπή ακτίνων Χ (PIXE) χρησιμοποιώντας ιόντα δευτερίου και 3He, μίλι- και μικρο-δέσμης, φασματοσκοπία φθορισμού ακτίνων Χ (XRF), ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM) με φασματοσκοπία ενεργειακής διασποράς ακτίνων Χ (EDS) και περίθλαση ακτίνων Χ (XRD). Επιπλέον για να έχουμε αξιόπιστα ποσοτικά αποτελέσματα στην ανάλυση πυρηνικών αντιδράσεων, οι διαφορικές ενεργές διατομές των αντιδράσεων του δευτερίου με το βηρύλλιο μετρήθηκαν σε γωνίες και ενέργειες κατάλληλες για τη συγκεκριρμένη τεχνική. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στο Ινστιτούτο Πυρηνικών & Ραδιολογικών Επιστημών & Τεχνολογίας, Ενέργειας & Ασφάλειας (ΙΠΡΕΤΕΑ), στο Ινστιτούτο Πυρηνικής και Σωματιδιακής Φυσικής (ΙΠΣΦ) και στο Ινστιτούτο Νανοεπιστήμης και Νανοτεχνολογίας (ΙΝΝ) του ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος» καθώς και Ινστιτούτο Ruđer Bošković στη Κροατία.Η διαφορική ενεργός διατομή των αντιδράσεων: 9Be(d,p0)10Be, 9Be(d,p1)10Be, 9Be(d,a0)7Li και 9Be(d,a1)7Li μετρήθηκαν στο ενεργειακό εύρος Elab = 0.75 – 2.2 MeV, έχοντας μεταβαλλόμενο βήμα μέχρι το 1 MeV ενώ στη συνέχεια το βήμα ήταν 20 keV. Οι γωνίες ανίχνευσης ήταν 120o, 140o, 150o, 160o and 170o σε σχέση με την διεύθυνση της δέσμης. Το πάχος του στόχου προσδιορίστηκε με δέσμες πρωτονίου και οξυγόνου. Η συγκριτική αξιολόγηση των αποτελεσμάτων χρησιμοποιώντας ένα παχύ δείγματα βηρυλλίου επικαλυμμένο με ένα λεπτό στρώμα χρυσού έδειξε ότι οι διαφορικές ενεργές διατομές της συγκεκριμένης εργασίας προσομοιώνουν τα πειραματικά φάσματα με απόκλιση μικρότερη του 10%. Tα δείγματα βηρυλλίου από τα limiter marker tiles του κυρίως θαλάμου αποτελούνται από ένα interlayer νικελίου μεταξύ του επιφανειακού στρώματος βηρυλλίου και του υπόλοιπου δείγματος. Ο σκοπός του interlayer είναι να προσδιορισθεί η διάβρωση των δειγμάτων. Εκτός από τη διάβρωση, έμφαση δόθηκε στην εναπόθεση του άνθρακα και την κατακράτηση καυσίμου (δευτερίου). Συγκεκριμένα, οι ποσότητες άνθρακα και δευτερίου, η χωρική κατανομή τους και η συσχέτιση τους ερευνήθηκαν τόσο στη επιφάνεια όσο και στις ελεύθερες πλευρές (castellation sides). Για την ποσοτικοποίηση του άνθρακα και τoν προσδιορισμό της χωρικής κατανομής του χρησιμοποιήθηκε η ανάλυση πυρηνικών αντιδράσεων με χρήση μιλι- και μικρο-δέσμης δευτερίου, αναλύοντας την αντίδραση 12C(d,p0)13C. Για τον προσδιορισμό της κατακράτησης δευτερίου επιλέχθηκε η χρήση μικρο-δέσμης 3He καθώς η αντίδραση 2H(3He,p0)4He θεωρείται η πλέον κατάλληλη. Βρέθηκε ότι οι ποσότητες άνθρακα και δευτερίου στις ελεύθερες πλευρές που ερευνήθηκαν είτε παραμένουν σταθερές είτε μειώνονται συναρτήσει του βάθους από την ακμή της επιφάνειας. Γενικά η ποσότητα του άνθρακα είναι υψηλότερη από εκείνη του δευτερίου, ενώ δεν παρουσιάζεται συσχέτιση μεταξύ της εναπόθεσης άνθρακα και της κατακράτησης δευτερίου. Επιπλέον, ερευνήθηκαν η μορφολογία της επιφάνειας, η διάβρωση, η χωρική κατανομή του νικελίου (που προέρχεται είτε από το interlayer είτε από την εναπόθεσή του), η εναπόθεση των υπόλοιπων στοιχείων που ανιχνεύτηκαν και η δημιουργία χημικών ενώσεων. Παρατηρήθηκαν περιοχές με τηγμένη επιφάνεια, με έντονη εναπόθεση, περιοχές που υπέστησαν έντονη, ήπια ή μερική διάβρωση. Οι περιοχές με ενισχυμένη εναπόθεση παρουσίαζουν επίσης υψηλή ποσότητα άνθρακα, αντίθετα περιοχές με έντονη διάβρωση έχουν την χαμηλότερη εναπόθεση άνθρακα. Το νικέλιο είναι το μόνο στοιχείο με ανομοιογενή χωρική κατανομή στην επιφάνεια, το οποίο προέρχεται είτε από την εναπόθεση είτε από την ανάδυση του interlayer νικελίου στην επιφάνεια λογω διάβρωσης των άνωθεν στρωμάτων. Στις ελεύθερες πλεύρες ανιχνεύτηκαν περιοχές πλούσιες σε αλουμίνιο, χλώριο, ασβέστιο, μολυβδένιο και βολφράμιο. Η κρυσταλλική φάση BeNi δημιουργήθηκε στην επιφάνεια των περισσότερων δειγμάτων.Η ποσότητα του άνθρακα και του οξυγόνου καθώς και η συγκέντρωσή τους συναρτήσει του βάθους προσδιορίσθηκε στην επιφάνεια των inner wall cladding (IWC) και the dump plate (DP) του κυρίως θαλάμου. Επιπροσθέτως, ερευνήθηκαν η μορφολογία, οι επιφάνειες με διαφορετικές φάσεις και η δημιουργία χημικών ενώσεων. Γενικά, η υψηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα συνοδεύεται με υψηλό οξυγόνο. Τα δείγματα από το IWC έχουν τη μεγαλύτερη συγκέντρωση άνθρακα και οξυγόνου και οι περιοχές τους φαίνονται αναλλοίωτες από την επίδραση του πλάσματος. Τα δείγματα του ILWG1-3 3A8 από το DP έχουν υποστεί τήξη. Στις επιφάνειες των δειγμάτων του ILW3 2B2C από το DP έχουν σχηματιστεί προσανατολισμένες λωρίδες. Δείγματα βολφραμίου από τα lamellae του tile 5 του εκτροπέα μελετήθηκαν ώστε να καθοριστεί η εναπόθεση ελαφρών στοιχείων και η αντίστοιχη μεταβολή της συγκέντρωσης συναρτήσει του βάθους. Δυο από τα lamellae που ερευνήθηκαν έχουν ένα interlayer μολυβδενίου μεταξύ του επιφανειακού βολφραμίου και του υπόλοιπου δείγματος ετσι ώστε να προσδιοριστεί η διάβρωση της επιφάνειας των δειγμάτων. Τα αποτελέσματα συσχετίστηκαν με το strike point time. Επιπλέον, προσδιορίσθηκε η εναπόθεση βαρύτερων στοιχείων, η μεταβολή της μορφολογίας της επιφάνειας και η δημιουργία χημικών ενώσεων μετά την έκθεση στο πλάσμα. Παρατηρήθηκε η αύξηση της ποσότητας του άνθρακα και του βηρυλλίου με την αύξηση του strike point time. Επίσης, η εναπόθεση του βηρυλλίου αυξάνεται από την πρώτη στη δεύτερη πειραματική καμπάνια καθώς και από τη δεύτερη στην τρίτη. Η εναπόθεση του άνθρακα μειώνεται από την πρώτη στη δεύτερη πειραματική καμπάνια ενώ αυξάνεται από την δεύτερη στην τρίτη. Η ποσότητα του οξυγόνου δεν ακολουθεί συγκεκριμένη συμπεριφορά στις διαφορετικές πειραματικές καμπάνιες. Επιπλέον, οι συγκεντρώσεις του άνθρακα και του βηρυλλίου μειώνονται συναρτήσει του βάθους με παρόμοιο τρόπο, είτε απότομα είτε ομαλά. Η επιφάνεια των lamellae βολφραμίου πριν την έκθεση στο πλάσμα χαρακτηρίζεται από ένα δίκτυο μικρορωγμών. Μετά την έκθεση στο πλάσμα η μορφολογία της επιφάνειας παρουσιάζει ήπια ή έντονη αλληλεπίδραση πλάσματος – επιφάνειας. Η πυκνότητα και το πάχος των μικρορωγμών έχουν επηρεαστεί στα δείγματα από το stack C μετά τη δεύτερη πειραματική καμπάνια. Πληθώρα στοιχείων ανιχνεύτηκαν στις περιοχές εναπόθεσης. Τα marker lamellae δεν έχουν υποστεί διάβρωση μεγαλύτερη των 6 μm, η οποία θεωρείται ήπια διάβρωση.