Оптическая спектроскопия на службе плазменных реакторов

Сотрудниками ФИАН в сотрудничестве с ТРИНИТИ, МИФИ и МГУ развивается цикл исследований по созданию новых принципов измерений следовых концентраций частиц в неравновесной низкотемпературной плазме эмиссионными и лазерными методами спектроскопии рекордно высокой чувствительности. Эти задачи возникают при разработке различных химических технологий, газовых лазеров, плазменных термоядерных реакторов и др.

В последний период 2017-2019 гг. сотрудниками ФИАН в содружестве с ТРИНИТИ, МИФИ и МГУ решается задача детектирования молекул воды в пристеночной плазме термоядерных реакторов. С одной стороны, вода является и охладителем, и рабочим телом электроразрядного термоядерного реактора, с другой – ее появление даже в ничтожных количествах в реакционной камере препятствует направленному проведению ядерных реакций. Для каждого нового поколения опытных реакторов типа ТОКАМАК, исходя из практики работы с ними, требования к минимально допустимому потоку проникновения молекул через первую стенку конкретизируются и неуклонно повышаются, это многолетняя проблема и тенденция. В проекте нового строящегося Международного реактора ИТЭР требования таковы, чтобы общий поток проникновения молекул в плазменную камеру через первую стенку не превышал Q = 10^-7 Па·м³·с^-1. Это, в свою очередь, требует разработки адекватных средств контроля. На модельных установках ФИАН в 2014-2017 гг. эта проблема обеспечения необходимой чувствительности была на определенном уровне решена специально разработанными эмиссионными спектральными методами.

Для тлеющих разрядов поток проникновения контролировался методами лазерной спектроскопии. В их основу была положена особенность спектров радикала гидроксила ОН в неравновесной плазме и использован атом инертного газа (Ar, Kr, Xe) в качестве актинометра. Вместе с тем, не до конца решенным остался ряд вопросов. Из наиболее важных можно отметить, что, во-первых, необходимая чувствительность достигалась по отношению к общему потоку натекания и при условии, что источник (дефект стенки) единственный, а это трудно гарантировать в реальности. Во-вторых, при таких обстоятельствах и достигнутой чувствительности локализация нескольких источников проблематична.

В 2018-2019 гг. ученые продолжили работу над этими проблемами. Текущее положение дел поясняет руководитель работ – главный научный сотрудник Отдела оптики низкотемпературной плазмы, профессор, доктор физико-математических наук Владимир Очкин: 

Выход был найден с использованием комбинации новых подходов. Предложен метод, названный нами мультиспектральной актинометрией, когда в качестве актинометров могут использоваться не только частицы с известной концентрацией (инертный газ, как, например, ранее), но и промежуточные частицы, включая радикалы, возникающие в результате плазмохимических превращений молекул воды. Показано, что для диагностики термоядерных реакторов удобными актинометрами могут быть атомы дейтерия, традиционно присутствующие у стенок реактора. Тогда по соотношению линий Бальмера протия и дейтерия может быть восстановлена плотность молекул воды в пристеночном слое. Такой подход мы назвали H/D методом.

Было показано, что чувствительность может регулироваться изменением добавок D₂ в плазмообразующий газ при тестировании реактора. Построена схема реакций, для которых расчет хорошо описывает эксперимент. Наличие апробированной на модельной установке расчетной реакционной кинетической схемы позволяет проводить масштабирование результатов на случай, в частности, ИТЭР.

На рисунке 2 показаны примеры результатов измерений и расчетов содержания атомов O, H и молекул H₂O в плазме в зависимости от отношения интенсивностей линий Бальмера H_α/D_α (пропорциональных отношению концентраций n_H/n_D) для двух значений концентраций [D₂]⁰ в исходном плазмообразующем газе. Здесь [H₂O] и [H₂O]⁰ обозначают, соответственно, средние концентрации молекул воды в пристеночном слое (8-10 см от стенки) и непосредственно у стенки в зоне дефекта, приводящего к натеканию. 

Рисунок 2. Концентрации атомов кислорода, водорода и молекул воды в плазме, определенные по соотношению интенсивностей линий Бальмера H_α/D_α~ n_H/n_D. Точки – измерения, линии – расчет. 
1 - [H₂O]⁰, 2 – [H₂O], 3–[O], 4 –[H] - при [D₂]⁰=6.75·10¹⁴cм^-3; 5- [H₂O]⁰, 6 – [H₂O], 7 – [H] - при [D₂]⁰=1.35·10¹⁵cм^-3.

Значения [H₂O]⁰ позволяют определить потоки натекания от единичного источника на стенке на уровне (10^-8 – 10^-10) Па·м³·с^-1. Локализация источника обеспечивается тем, что полный цикл плазмохимических реакций вблизи стенки завершается за время меньшее, чем время диффузионного ухода частиц от источника, и определяется пространственным разрешением оптической системы наблюдения за свечением пристеночной плазмы. В такой ситуации возможной оказывается идентификация не только одиночных, но и множественных (по нашим оценкам около 100) источников по всей поверхности при суммарном потоке натекания молекул в пределах допустимого для реактора в целом. 

Гистограмма на рисунке 3 схематически иллюстрирует возможности H/D метода при добавках [D₂]=10¹² см^-3. По оси Z показано произвольное направление вдоль поверхности стенки, по правой верткальной оси – величины [H]/[D], по левой – потоки натекания Н₂О в Па·м³·с^-1. Вертикальные столбики в поле рисунка обозначают локализацию течи и поток в ней. Выделены три зоны. В зоне I определить локализацию течи и соответствующий ей поток Q затруднительно ввиду малого отношения [H]/[D] при ограниченном динамическом диапазоне детектора спектрометра и слабой светимости в области натекания. Это относится к течи N4. В зоне II дефекты NN 1, 3, 5 и 7 могут быть локализованы и измерены скорости натекания. В зоне III из-за ограниченности динамического диапазона детектора величины потоков натекания измерены быть не могут, но наличие дефектов локализуются по линиям H_α.

Допуская, что все дефекты приводят к течам с сопоставимыми потоками на уровне 10^-9 Па·м³·с^-1, при обзорном наблюдении стенки реактора ИТЭР и заданном проектом общем максимальном натекании Q_Σ = 10^-7 Па·м³·с^-1 может идентифицироваться до 100 течей. Их индивидуальная локализация возможна, если расстояние между ними не менее 10см. Последнее задается реальным пространственным разрешением оптической системы, изображающей внутреннюю стенку реактора.

Рисунок 3. Условная гистограмма распределения дефектов и связанных с ними потоков течей молекул воды через стенку из охлаждающего контура. Размерность Q [Pa m³ s^-1].

Аналогичный анализ может быть проведен и для других условий с различными вкладами энергий, давлениями Не и D₂ в смеси газа, предназначенного для зажигания тестового разряда с целью выявления дефектов. При этом доступный для измерений динамический диапазон потоков отдельных течей может быть изменен. В зависимости от наличия реальных источников он,  по результатам пробных экспериментов, может быть адаптирован для поиска течей с широким спектром потоков Q_i. В данном случае для иллюстрации на рис.3 авторы ориентировались на некоторые средние реальные ситуации, отвечающие требованиям проекта ИТЭР. 

Последние результаты исследований опубликованы в журнале Plasma Sources Science and Technology. 2019, V. 28, No. 10, 105002 (10pp).

На данном этапе работа поддерживается за счет средств гранта Российского Научного Фонда (РНФ), проект № 19-12-00310. 

На фото в заставке: Фрагмент установки «Течь» (ФИАН). Эксперимент проводит научный сотрудник Отдела оптики низкотемпературной плазмы ФИАН, победитель конкурса молодежных научных работ ФИАН 2019 года, кандидат физико-математических наук, Антон Бернацкий

По материалам АНИ «ФИАН-информ»

Источник: fian-inform.ru