W roku 2019 badania prowadzone w IFPILM w ramach projektu Eurofusion WPPFC: Preparation of efficient PFC operation for ITER and DEMO można podzielić na dwie grupy tematyczne: (1) związane z badaniem retencji izotopów wodoru na próbkach symulujących kodepozyt w reaktorach termojądrowych oraz (2) na eksperymenty mające na celu szczegółowe zbadanie dynamiki plazmy wytworzonej za pomocą lasera dwu-impulsowego z próbek wolframowych (symulujących materiał divertora reaktora ITER), jak również powierzchniowych efektów tych oddziaływań.

W eksperymentach (1) mających za główny cel charakteryzację retencji paliwa oraz jego usuwanie, podczas kolejnych impulsów laserowych badane były próbki wykonane na podłożach wolframowych i molibdenowych, pokryte warstwami z wolframu z domieszką tantalu oraz glinu. Warstwy posiadały grubość od 2 do 5 µm i zawierały od 5 do 10 % deuteru (pod względem ilości atomów). Zastosowany został dwu-impulsowy wariant metody LIBS, a pomiary wykonywane były w komorze próżniowej przy ciśnieniu rzędu 10-5 mbar oraz w atmosferze gazów o ciśnieniu od pojedynczych mbar do atmosferycznego. Jako źródło promieniowania wykorzystany został dwu-impulsowy laser LOTIS Tii - pozwalający na zastosowanie impulsów od kilkudziesięciu do ok. 200 mJ z separacją między-impulsową od pojedynczych nanosekund do kilkudziesięciu mikrosekund z rozdzielczością nanosekundową. W badaniach wykorzystano energię impulsu 100 mJ, ze względu na wystarczający poziom sygnału uzyskiwany przy tej energii oraz ograniczone uszkodzenia materiału, które rosną przy zwiększaniu energii. Pomiary wykonywane były za pomocą spektrometru MECHELLE 5000 wyposażonego w kamerę ICCD ISTAR, wyzwalaną za pomocą komórki q-switch pierwszego toru laserowego. Jako punkt odniesienia dla ustalenia zależności czasowych wykorzystywany był sygnał foto-piku detekowany w przypadku pomiarów próżniowych za pomocą puszki Faradaya umieszczonej w odległości 60 cm od miejsca oddziaływania, z której sygnał jonowy rejestrowany był za pomocą 4 kanałowego oscyloskopu cyfrowego na tle sygnałów odpowiadających impulsom wyzwalania komórek q-switch lasera oraz sygnału monitorującego otwarcie bramki kamery ICCD.

Na wstępnym etapie eksperymentu dobrane zostały optymalne parametry czasowe prowadzenia pomiarów, których przybliżone wartości były znane na podstawie badań prowadzonych w latach poprzednich, jednak które wymagają dokładnego wyjustowania na skutek różnic między poszczególnymi próbkami oraz dryftu parametrów oprzyrządowania wynikającego z eksploatacyjnego starzenia elementów. W przypadku pomiarów wykonywanych w próżni, optymalny odstęp między-impulsowy został oszacowany na 150 ns, a opóźnienie akwizycji, przy czasie otwarcia bramki wynoszącym 100 ns, na 200 ns, po drugim impulsie laserowym. Przy takich ustawieniach rejestrowane było widmo liniowe natomiast nieobecny w rejestrowanym sygnale był składnik tła wynikający głównie z promieniowania bremsstrahlung dominującym w początkowej fazie rozlotu plazmy. Przy pomiarach z rosnącym ciśnieniem optymalne wartości zarówno odstępu między-impulsowego, jak i opóźnienia i czasu akwizycji były większe, i począwszy od ciśnienia rzędu 20 mbar do atmosferycznego wynosiły kolejno 1, 1,5 i 0,5 µs.

Pomiary, poza poprawną identyfikacją pierwiastków obecnych w próbkach wykazały poprawne zależności ilości cząsteczek paliwa od liczby impulsów laserowych. Przykładowe wyniki dla próbki wolframowej pokrytej 5 µm warstwą wolframowo-aluminiową zawierającą 5% atomowych deuteru.

Rys.1. Ewolucja zawartości deuteru w zależności od liczby podwójnych impulsów laserowych w skali liniowej (z lewej) i logarytmicznej (z prawej).

Przedstawione pomiary potwierdzają logarytmiczny spadek koncentracji cząsteczek paliwa w zależności od ilości oddanych impulsów, który łatwo można aproksymować odpowiednią (przedstawioną na wykresie) funkcją. Świadczy to o termicznym charakterze usuwania składnika gazowego z obszarów warstwy położonych poniżej powierzchni oddziaływania.

Interesujących wiadomości dostarcza również porównanie tempa usuwani paliwa w próżni oraz w warunkach atmosferycznych przedstawione w skali logarytmicznej na rysunku nr 2.

Rys. 2. Porównanie zawartości deuteru przy kolejnych impulsach laserowych w próżni i w powietrzu pod ciśnieniem atmosferycznym.

Eksperymenty wykazały, że w warunkach atmosferycznych usuwanie paliwa przebiega nieco szybciej, co ma związek z dłuższym czasem życia plazmy, a co za tym idzie, wydłużeniem oddziaływań termicznych z powierzchnią materiału. Po około 7 impulsach przy ciśnieniu atmosferycznym i 10 impulsach w próżni, poziom sygnału odpowiadającego linii deuteru osiąga poziom tła, co świadczy o całkowitym usunięciu tego izotopu.

Badania (2), mające na celu zbadanie plazmy wolframowej i oszacowanie efektów powierzchniowych oddziaływań dwu-impulsowych prowadzone były w warunkach próżniowych przy użyciu parametrów wiązki laserowej analogicznych do zastosowanych w przypadku badań usuwania paliwa opisanych w poprzednim punkcie. Eksperymenty polegały na rejestracji kolejnych widm z krótkim czasem otwarcia bramki (wynoszącym 50 ns), przy przesuwającym się opóźnieniu otwarcia bramki z krokiem o długości 50 ns w zakresie od 0 do 500 ns. Kolejne serie pomiarowe były wykonywane dla zmieniającego się opóźnienia między-impulsowego wynoszącego od 0 do 650 ns ze zmiennym krokiem. Następnie rozpatrywane były różne linie wolframowe w celu zbadania ewolucji ich natężenia, oraz stosunków sygnału do szumu i sygnału do tła (S/N, S/B). Przykładowe wykresy ilustrujące zachowanie się linii WII 364,1 i WI 429,5 nm dla opóźnienia między-impulsowego wynoszącego 150 ns przedstawione są na rysunku nr 3.

Rys. 3. Ewolucja natężenia sygnału odpowiadającego liniom wolframu WII 364,1 i WI 429,5 nm dla separacji między-impulsowej 150 ns (górny rząd) oraz zmiany współczynników sygnału do szumu (S/N) i sygnału do tła (S/B).

Uchwycone na rysunku różnice ewolucji linii atomowych i jonowych dobrze ilustrują zachowanie plazmy, w której składniki zjonizowane dominują na wczesnym etapie rozlotu, na skutek czego trudniej jest je wyodrębnić z wysokiego na tym etapie tła. Dzięki temu, obserwacja ta umożliwia optymalizację doboru czasu opóźnienia dla pomiarów różnych składników plazmy w zależności od ich stopnia jonizacji. Badania umożliwiły również optymalizację odstępu między-impulsowego dla wolframu na podstawie porównania stosunku sygnału do szumu oraz tła dla kolejnych jego wartości. Przykładowa analiza dla wspomnianych wcześniej przedstawiona jest w poniższej tabeli.

Analiza danych wykazała, że w porównaniu do metody jednoimpulsowej, metoda dwu-impulsowa pozwala na uzyskanie lepszych parametrów sygnału dla wolframu, jednak poprawa nie jest tak duża jak w przypadku badanego rok wcześniej węgla. Wynika to z charakteru materiału, który jest bardzo trudny do rozpylenia i dodatkowo posiada złożone widmo zawierające dużo linii. Pozytywnym aspektem jest to, że trudności z wolframem nie przeszkadzają w pomiarach izotopów wodoru, węgla i innych pierwiastków obecnych w badanych próbkach.

W badaniach nad powierzchniowymi efektami oddziaływania laserowego za pomocą profilometru optycznego NANOVEA stwierdzono, że w fundamentalny sposób różnią się one w przypadku warstw oraz podłoża. W przypadku warstw, współczynnik ablacji dla impulsów rzędu 50 – 100 mJ ma wartość 0,5 do 1 μm, a dla impulsów o wyższych energiach często dochodzi do defoliacji, czyli lokalnej utraty całej warstwy. W przypadku oddziaływania z podłożem wolframowym współczynnik ablacji dla impulsów 100 mJ, w warunkach eksperymentalnych nie przekraczał 100 nm na impuls. Oddziaływania nie prowadziły przy tym do powstawania krateru o kształcie gaussowskim, lecz płaskich, o chropowatości nie odbiegającej od chropowatości otaczającego je obszaru. W największym stopniu modyfikacji ulegał przy tym brzeg krateru, na którym powstawał obszar ostrego zafalowania materiału (tzw. burr), które jest charakterystyczne dla oddziaływań nanosekundowych i rośnie wraz ilością impulsów zdeponowanych w jedno miejsce na skutek akumulacji drobnych efektów związanych z rozszerzalnością termiczną. Głębokość powstałych kraterów w niewielkim stopniu zależała od odstępu między-impulsowego.

Przykładowe mapy kraterów przedstawione są na rysunku nr 4.

Rys. 4. Rząd kraterów uzyskanych dla różnych opóźnień między impulsowych oraz powiększony obraz pojedynczego krateru.

Uzyskane wyniki były na bieżąco raportowane i porównywane z wynikami grup pracujących nad podobnymi zagadnieniami w ramach projektu Eurofusion WPPFC: Preparation of efficient PFC operation for ITER and DEMO oraz sfinalizowane na podsumowującym spotkaniu Plasma Wall Interaction Meeting, które odbyło się w Bratysławie w listopadzie 2019. Wyniki uzyskane przez poszczególne grupy były spójne i posłużyły do punktu wyjścia do badań dotyczących dalszego rozwoju zastosowania LIBS dla fuzji termojądrowej, które zostały nakreślone na spotkaniu na przełomie stycznia i lutego 2020. Plany te są przedstawione w ___link.

HiPER fusionForEnergyLogo logo EUROfusion iter Laserlab Europe Fusenet European Commission

Szukaj na stronie

Projekty badawcze realizowane przez IFPiLM są finansowane ze środków Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego i Narodowego Centrum Nauki oraz ze środków Komisji Europejskiej na podstawie umowy grantowej No 633053, w ramach Konsorcjum EUROfusion. Wsparcia finansowego udzielają także: Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej, Agencja Fusion for Energy, Europejska Agencja Kosmiczna i Konsorcjum LaserLab.

 

Początek strony