Študij migracije materiala inzadrževanje goriva v fuzijskihnapravah z ionskimi tehnikami

Seminar Ia - 1. letnik, II. stopnja

Avtor: Matic Pecovnik

Mentor: Doc. Dr. Primož Pelicon

Somentorica: Dr. Sabina Markelj

Fakulteta za matematiko in fiziko, Univerza v Ljubljani

Povzetek

Fuzija bo v prihodnjih desetletjih igrala veliko vlogo pri prehodu energetske industrije s fosilnihgoriv na obnovljive vire energije. Pred tem mora premagati še veliko preprek pri kontroliranju plazme inrazumevanju ter morebitnem preprecevanju neravnovesnih dogodkov. V seminarju bom opisal kakšne soeksperimentalne postavitve, s katerimi znanstveniki preucujejo najobetavnejši koncept pri pridobivanjuenergije s termonuklearno fuzijo, to je tokamak z divertorjem. Opisal bom eksperiment, kjer smo vzorce,ki so bili pridobljeni na ASDEX Upgrade v Nemciji in PILOT-Psi na Nizozemskem, s pomocjo ionskihtehnik analizirali na Mikroanalitskem centru v Podgorici, ki je del Instituta Jozef Stefan. Na koncu svojegaseminarja bom na kratko predstavil pridobljene rezultate.

1

Kazalo

1 Uvod 2

2 Eksperimentalne fuzijske naprave 3

3 Interakcija plazme s stenami 6

4 Meritve z ionskimi metodami 74.1 Pospeševalnik in ionske metode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74.2 Vzorci . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94.3 Rezultati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

5 Zakljucek 11

1. Uvod

Najvecji izziv za komercialno pridobivanje elektrike s pomocjo termonuklearne fuzije, je kontroli-ranje ekstremnih razmer potrebnih za zlitje fuzijskega goriva, to sta D in T.

Eden od pomembnih vidikov, ki ga je potrebno razumeti pri tem, je interakcija med plazmo insteno. Ta vidik je pomemben predvsem zaradi visokih moci, ki se prenašajo s plazme na steno napodrocjih z visokimi tokovi delcev in posledicne erozije prve stene reaktorja. Razmere na stenahnam podajajo življensko dobo reaktorja in število necistoc v plazmi, ki vplivajo na uspešen potekfuzijske reakcije. Necistoce z veliko maso namrec pri temperaturah v reaktorju niso popolnomaionizirane in zato zaradi njih izgubljamo energijo v obliki sevanja fotonov. Prav tako je pomembenvidik zadrževanje fuzijskega goriva v steni, to sta devterij in tricij. Ta aspekt je pomemben,saj razumevanje zagotavlja ucinkovito rabo goriva, prav tako pa moramo zadostiti varnostnimzahtevam, ki nam omejujejo kolicino zadržanega radioaktivnega tritija v stenah reaktorja.

V seminarski nalogi bom najprej opisal mehanizme, ki se dogajajo pri interakciji med stenoin gradniki plazme v fuzijskem reaktorju. Nato bom opisal postavitev treh eksperimentalnihsistemov, ki jih trenutno uporabljamo za preucevanja pogojev, ki bodo nastopili ob delovanjuprvega reaktorja, ki bo proizvedel desetkrat vec energije kot jo bo proizvedel, imenovanega ITER. Vteh eksperimentalnih napravah izpostavljamo vzorce razlicnim pogojem, da pridobimo informacijeo obnašanju plazme in o njenem vplivu na strukturo stene. Opisal bom tudi, s katerimi analiznimimetodami lahko preucujemo vzorce dobljene iz naštetih eksperimentalnih postavitev. V zadnjemdelu seminarske naloge pa bom predstavil rezultate analize vzorcev iz eksperimentov ASDEXUpgrade in Pilot-PSI, ki smo jih naredili na Mikroanalitskem centru "Jozefa Stefana".

Za razumevanje seminarske naloge je kljucno znanje o trenutni predvideni konfiguracijibodocih komercialnih fuzijskih rektorjev. Kot najbolj obetaven koncept termonuklearne fuzije sezaenkrat kažejo naprave, ki delujejo na princip magnetnega zadrževanja plazme. Takim napravamrecemo tokamak v konfiguraciji z divertorjem. Tokamak je toroidna vakuumska posoda, ki joobkrožajo mocni magneti. Z izbrano konfiguracijo magnetov dosežemo, da imajo magnetne silniceenako toroidno obliko kot vakuumska posoda. To je pomembno, saj vemo, da so gradniki plazmenabiti delci, katerih tirnice so omejene na gibanje po magnetnih silnicah in da delec silnice vstacionarnih razmerah ne more zapustiti. Na ta nacin lahko ucinkovito omejimo plazmo, tako dane izgubljamo prevec goriva s trki s steno. Magnetne silnice pa moramo tudi nekako zakljuciti.

2

Pri tem se kot najbolj uporaben koncept kaže divertor. S tem nacinom mocno omejimo obmocjekamor vpada plazma na stene in sicer na obmocje divertorja. Na ta nacin lahko stene divertorjaprekrijemo z materiali, kot je volfram, ki so bolj odporni na visoke tokove delcev, ki bodo vdivertorju eksperimentalnega reaktorja ITER dosegli vrednost 1024D/m2s in moci 10 MW/m2

[1], prav tako pa imajo dobro temperaturno prevodnost, kar je potrebno za ucinkovito odvajanjetoplote. Koncept vidimo na sliki 1.

Slika 1: Slika prikazuje tokamak s konceptom divertorja. [2]

2. Eksperimentalne fuzijske naprave

V Evropi imamo vec velikih fuzijskih naprav, ki nam pomagajo pri razumevanju in doseganjupogojev, ki bodo nastopili v fuzijskem reaktorju ITER. Postopek za preucevanje interakcije plazmes steno ter zadrževanja goriva lahko razdelimo na dva osnovna dela. Prvi je izpostavitev vzorcevs pomocjo razlicnih eksperimentalnih postavitev, ki so izbrani glede na to kaj želimo splohpreucevati, drugi pa analiza vzorcev. V tem poglavju bom najprej opisal 3 eksperimentalne fuzijskenaprave v Evropi in kako se dopolnjujejo. Nato pa bom povedal še s katerimi metodami vzorce,izpostavljene pogojem v teh napravah, analiziramo v laboratorijih.

Eksperimentalne postavitve se v tej fazi razvoja fuzijske energije osredotocajo predvsem naraziskovanje pogojev, ki bodo nastopili pri delovanju reaktorja ITER. Dva pomembna vidikapri raziskavah v spodaj opisanih napravah sta zadrževanje tritija in strukturne spremembe vmaterialih, predvsem v stenah. Pomembno je povedati, da v vseh trenutnih eksperimetnalih

3

napravah kot gorivo uporabljamo devterij. Rezultate nato ekstrapoliramo na tritij, ki bo uporabljenv komercialnih fuzijskih napravah za pridobivanje elektrike.

Da so raziskave zares relevantne za ITER, potrebujemo visoke tokove delcev iz plazme na stenoin pa materiale v eksperimentalnih tokamakih, ki so primerljivi s tistimi, ki so predvideni za ITER.

JET - Joint European Torus Ker je tokamak trenutno najbolj obetaven koncept za pridobivanjeelektrike s pomocjo fuzije, se zaradi tega veliko denarja vlaga v raziskave tega tipa reaktorja, šeposebej na podrocjih dinamike plazme in interakcije plazme s steno. Eden naprednejših takšnihtokamakov je Joint European Torus (JET) v Veliki Britaniji. [3]

Ker je to trenutno najvecji tokamak na svetu se razmere ob njegovem delovanju še najboljpribližajo tistim, ki bodo nastopile v ITER. Prav tako ima stene sestavljene iz enakih elementovkot jih bo imel ITER, torej prve stene so iz berilija, stene divertorja pa iz volframa. Vsa ta dejstvapostavljajo JET na prvo mesto po relevantnosti raziskav za kasnejše razumevanje plazme v ITER.Vendar pa ima nekaj pomanjkljivosti. Kljub temu, da je trenutno najvecji tokamak na svetu,se razmere v njem ne približajo popolnoma tistim, ki bodo nastopile v ITER, zato moramo tonadomestiti z drugimi eksperimenti. Kljucna pomankljivost pa je slaba fleksibilnost JETa koteksperimentalnega sistema. V casu, ko je tokamak v uporabi, se ga seveda ne sme odpirati.Šele, ko je reaktor ustavljen za dlje casa, lahko odstranimo velike plošce, ki so bile izpostavljeneplazmi in na njih naredimo analizo. Ker so bile v casu operitvnosti izpostavljene zelo razlicnimkonfiguracijam plazme, pa nam te analize ne povedo toliko, kot ce bi bile plošce izpostavljene zelodobro dolocenim razmeram. Prav to nam omogoca naslednji eksperiment.

ASDEX Upgrade - AUG je prav tako kot JET tokamak in sicer v Garchingu, Nemcija. Pomembnarazlika napram JETu je, da so notranje stene v celoti prekrite z volframom. Specifikacije in izgledvidimo na slikah 2

(a)

(b)

Slika 2: Tabela (a) prikazuje specifikacije tokamaka ASDEX Upgrade, medtem ko slika (b) prikazuje kakoASDEX Upgrade izgleda od znotraj. [4]

Posebnost ASDEX Upgrade sta dve držali na razlicnih mestih v tokamaku [5], kamor lahkovstavimo željene vzorce in jih tako izpostavimo plazmi brez vecjih posegov v obnašanje plazme,

4

prav tako pa s tem zelo natancno dolocimo obmocje vzorcenja. Po koncani izpostavitvi lahkovzorce odstranimo in analiziramo. Shemo mehanizma rocke vidimo na 3. Kot vidimo na shemi,ta rocka vstavi željen vzorec naravnost v divertor, kot del celote.

Slika 3: Shema prikazuje mehanizem za vstavljanje vzorcev v obmocje divertorja, kakršnega uporabljajo vASDEX Upgrade. [6]

Kljub temu, da je ASDEX manjši od JETa in so razmere ob vžigih plazme torej še bolj od-maknjene od tistih v ITER, pa s fleksibilnostjo rock ogromno pridobimo. S pomocjo njih lahkovstavijo željene vzorce na dobro dolocena mesta in jih izpostavimo dobro definirani plazmi. Ševedno pa je ASDEX premajhen, da bi znanstveniki v njem raziskovali pogoje, ki bodo nastopili vITER, še posebej ko govorimo o visokih tokovih iz plazme na steno.

Pilot-PSI Nizozemska naprava imenovana Pilot-PSI [7], ki jo vidimo na sliki 5, je plazemskapuška, ki v nasprotju s prejšnjimi napravami, omogoca zelo visoke vpadne tokove na vzorec. Stem lahko raziskujemo ekstremne razmere, ki bodo nastopile v divertorju ITER. Pilot-PSI kotizvor izkorišca cascaded arc, ki ustvarja homogeno hladno plazmo, ki je v termodinamicnemravnovesju. Zaradi tega nudi zanesljiv in zelo gost izvor plazme. Tipicni pogoji za plazmo sogostota vpadnega toka 1024D/m2s in gostoto plazme 9 ∗ 1020H/m3s temperaturo elektronov vplazmi približno 1 eV. Plazmo nato oblikuje 5 magnetnih tuljav, ki lahko delujejo v pulznem nacinupri gostoti magnetnega polja 1.6 T ali pa v zveznem nacinu pri gostoti 0.2 T in casom delovanja 10s.S pomocjo magnetnih tuljav ustvarimo žarek širine 16-20 mm, ki vpade na tarco oddaljeno 0.56 m,ki jo lahko hkrati analiziramo s pomocjo razlicnih metod, kot so kalorimetrija, IR-termografija.

Slika 4: Slika prikazuje žarek plazme med delovanjem Pilot-PSI. [8]

5

Slika 5: Desna slika prikazuje shemo Pilot-PSI. Vidimo da so glavni sestavni deli plazemski izvor iz kateregaizhaja plazma, ki je skrbno fokusirana s pomocjo magnetnih polj. Leva slika pa prikazuje realno postavitevnaprave. [8]

3. Interakcija plazme s stenami

V splošnem lahko interakcijo med steno in plazmo opišemo na naslednji nacin. Delci iz plazmepriletijo v steno. Tam se lahko zgodi vec procesov. Lahko se implantirajo v steno, pri tem palahko celo izbijejo atome iz stene, lahko pa se od stene odbijejo. Atomi, ki izhajajo iz stene, sohladni, torej se v plazmo uvedejo kot atomi oziroma molekule. Molekule oziroma atomi se nato vplazmi zopet ionizirajo in se nato preko difuzije prenesejo globlje v plazmo. Nato se vsi ti procesiponovijo. Te procese oriše slika 6.

Slika 6: Slika shematicno prikazuje možne procese, ki se dogajajo v interakciji med plazmo in steno. [9]

Z vsakim trkom tritija na steno obstaja koncna verjetnost, da se tritij v steno implantira in tamtudi ostane. Koncetracija zadržanega tritija se zato s casom seveda veca, saj se procesi dogajajoneprenehoma. Iz sedanjih eksperimentov na manjši skali, lahko ekstrapoliramo, kako se boobnašala koncentracija zadržanega tritija v reaktorju ITER. To prikazuje slika 7.

Študij zadrževanja tritija v razlicnih materialih in kako se ti materiali obnašajo pri razlicnih

6

Slika 7: Slika prikazuje koncentracijo zadržanega tritija v odvisnoti od casa ob obratovanju reaktorja za štirirazlicne kombinacije materiala. Podatki so bili pridobljeni z ekstrapolacijo iz sedanjih eksperimentov. [10]

pogojih, je torej zelo pomemben. Zadrževanje tritija in degradacijo materiala v komercialnihnapravah želimo cim bolj omejiti. Ker je tritij radioaktiven moramo prepreciti, da bi se ga zadržaloprevec, saj bi ob tem tokamak postal neoperativen. To poskušamo storiti s preucevanjem razlicnihmaterialov in kako je zadrževanje odvisno od razlicni makroskopskih lastnosti materiala, kot je naprimer hrapavost, kristalna struktura in podobno.

4. Meritve z ionskimi metodami

4.1. Pospeševalnik in ionske metode

Vzorci, ki so bili izpostavljeni plazemski puški Pilot-PSI in na tokamaku ASDEX Upgrade, ki semjih omenjal v prejšnjih delih seminarja, so bili analizirani na Mikroanalitskem centru v Podgoricipri Ljubljani, ki je del odseka za Fiziko nizkih in srednjih energij in sicer na 2 MV pospeševalnikuTandetron [11]. Shemo eksperimentalne postavitve vidimo na slikah 8 in 9. Potrebno je poudariti,da lahko na eni izmed žarkovnih linij na Mikroanalitskem centru žarek sfokusiramo tudi domikronske skale, ter s tem ustvari tako imenovani mikrožarek. Prednost analiz z mikronskimžarkom (0.8 x 0.8 µm2) napram obicajni velikosti žarka (1 mm2) je dosti boljša lateralna locljivost,zaradi cesar smo sposobni s pomocjo raznih programov poustvariti tudi elementne mape, kiprikazujejo porazdelitev elementov v 2D. Takšne mape vidimo na slikah 12.

Na eksperimentalni postaji z mirkožarkom imamo v vakuumski komori vec detektorjev, ki jihpotrebujemo za analizo vzorcev. High purity Ge (HPGe) uporabljamo za detekcijo X-žarkov s takoimenovano metodo PIXE. Poleg njega pa imamo še dva Si detektorja, ki služita za pridobivanjespektrov z metodama NRA in RBS [11].

PIXE - Particle Induced X-ray Emision - izkorišca delce z relativno nizko energijo, reda nekajMeV. Delci se zaletijo v atome v tarce, pri cemer izbijejo elektrone iz atomskih orbital. Pri tem jenajvecji presek za izbitje elektrona iz energetsko najnižje lupine. To vrzel nato zapolnijo elektroniiz višjih lupinah in pri tem izsevajo karakteristicen X-žarek. Ker se ta meritev uporablja za iskanjeelementov težjih od fluora ima foton energijo v obmocju keV, torej v obmocje rentgenskih žarkov.

7

Slika 8: Slika prikazuje shemo pospeševalnika na MIC, ki je del oddelka F2 na IJS. [12]

Slika 9: Slika prikazuje shemo merilne celice. Na njej vidimo eksperimentalno postavitev detektorjevuporabljenih v analizi. [11]

Na detektorjih torej zaznamo rentgenske žarke. Za vsak element zaznamo vec karakteristicnihcrt, ki ustrezajo prehodom iz višjih lupin v osnovno, naloženih na ozadje, ki ustreza zavornemusevanju. Iz preseka za izbitje elektronov posameznega elementa, pri danih pogojih lahko dolocimokoncentracijo elementa v tarci.

Metoda je primerna za elemente težje od fluora, saj so X-žarki fluora in lažjih elementovpremalo energetski, da bi se prebili skozi okno, ki je postavljeno pred detektor.

RBS - Rutherford Backscattering - izkorišca interakcije med jedri v tarci in ioni v žarku, ki gastreljamo na vzorec. Omenjene interakcije so v tem energijskem obmocju Coulumbske narave,saj gre za intereakcijo med pozitivno nabitim jedrom in ionom, torej prevladuje Rutherfordovosipanje. S pomocjo te metode lahko dolocimo globinski koncentracijski profil elementov težjih odionov v curku. To je še posebej zanimivo pri raziskovanju interakcije med plazmo in steno, saj nasmnogokrat zanima, erozija ali nalaganje težjih elementov iz plazme.

Postavitev eksperimenta je takšna, da detektiramo jedra, ki se odbijejo v smeri nazaj, tipicnopod kotom 160 stopinj glede na žarek. Ker kinematika narekuje, da morajo biti ioni žarka lažjiod tistih v tarci, da se odbijejo v smeri nazaj ponavadi uporabljamo ione helija ali litija. Vodik

8

uporabljamo redkeje, saj so pri teh energijah že možne tudi jedrske reakcije.V eksperimentu izmerimo energijo iona po trku. Energijska porazdelitev nazaj sipanih ionov

nam doloca maso tarcnih atomov, ki jih je zadel ion, ter globinsko porazdelitev tarcnega elementav vzorcu.

NRA - Nuclear Reaction Analysis - izkorišca resonance v presekih za jedrsko reakcijo med jedromv ionskem curku in med jedri v tarci. Metoda je koristna za ugotavljanje absolutne koncentracijeelementov v vzorcih, lahko pa jo uporabljamo tudi za ugotavljanje globinskega profila, ce poznamokako bpadni ioni izgubljajo energijo v tarci. Pri dani energiji curka, ki je višja od resonance, se boreakcija zgodila šele ko ion zgubi dovolj energije, da bo njegova energija enaka resonancni. S temje globina reakcije natancno definirana.

Kot primer poglejmo reakcijo tipicno za analizo vzorcev, ki vsebujejo devterij. Tarco obstrelju-jemo z ioni 3He

3He + D −→ p + α + 18.325MeV (1)

Resonanca se nahaja pri energiji vpadnih helijevih ionov 0.63 MeV. Pri meritvi detektiramoenergijski spekter v reakciji nastalih protonov obicanjo v smeri nazaj pri kotu 135 stopinj. Tametoda je zelo obcutljiva za detekcijo D v materialih. S to metodo lahko dobimo globinski profilkoncentracije devterija do 7 µm globoko v volframo in še vec v lažjih tarcah [11].

4.2. Vzorci

Analiza je potekala na dveh vzorcih iz ASDEX Upgrade imenovanih W#3 in WS#3 in na vzorcuiz Pilot-PSI. Oba vzorca iz ASDEX Upgrade sta ogljikovi plošcici z 10 nm nanosom W. Pri WS#3je bila ogljikova plošcica spolirana pred nanosom W, pri W#3 pa je bila površina pred nanosomneobdelana. Namen eksperimenta je analiza obnašanja W sten v divertorju tokamaka v odvisnostiod hrapavosti materiala, ter kako to vpliva na zadrževanje goriva in erozijo materiala iz stene. Pravtako nas je zanimalo kako se odlagajo necistoce (C, B, N) iz plazme na vzorec. Vzorec Pilot-PSIpa je bila molibdenova plošcica z 1.5µm nanosom wolframa, ki je bil izpostavljen plazemskužarku devterija, s cimer so poskušali simulirati burne pogoje z visokim tokom vpadajocih delcev vdivertorju. Na slikah 10 in 11 vidimo vse omenjene vzorce.

Pri vzorcu Pilot-PSI smo bili osredotoceni na meritve elementov D, W in Mo saj nam povedonekaj o zadrževanju D v teh ekstremnih okolišcinah in o eroziji elementov v vzorcu. Pri vzorcihiz ASDEX Upgrade pa smo bili osredotoceni na meritve W, saj nas je zanimal profil erozije inodlaganja materiala, ki se zgodi v divertorju, kjer se magnetne silnice staknejo s steno. Kot žareksmo uporabili ione 3He, saj so potrebni za analizo D s pomocjo metode NRA. Hkrati smo merili šespektre z metodama RBS in PIXE. Pri PIXE se ponavadi uporabljajo protoni, saj so za njih najboljepoznani preseki, medtem ko lahko s 3He ioni dosežemo le kvalitativne rezultate, saj so preseki za3He slabše poznani. Omenjen žarek je bil sfokusiran na 10 x 10 µm2, medtem ko protonski žareksfokusiramo na 0.8 x 0.8 µm2. Žarek je skeniral po obmocju velikosti 2.2 x 2.2 mm2, s cimer dobimoinformacijo o porazdelitvi elementov po tarci. Da smo lahko grafe Mo in W nato kvantificirali smona dolocenih merilnih mestih uporabili še protonski žarek, saj so za njih najbolje poznani presekiza reakcije. V spektrih v NRA pa smo s 3He sposobni zaznati tudi Be, C, B, N. Vzorec PILOT-Psije bil pred tem tudi že analiziran z drugimi tehnikamo kot sta LIBS - Laser Induced BreakdownSpectroscopy in SIMS - Secondary Ion Mass Spectroscopy, katerih kraterji so vidni na vzorcu na sliki11. Pri tem vzorcu smo tako želeli tudi karakterizirati in testirati dokaj novo tehniko LIBS.

9

(a) W#3 (b) WS#3

(c) W#3 (d) WS#3

Slika 10: Zgornji sliki (a) in (b) prikazujeta vzorce izpostavljene v AUG. Z zeleno so oznacena obmocjameritev. Na spodnjih grafih vidimo grafa koncentracij volframa, ki pripadata zgoraj prikazanim vzorcem.

4.3. Rezultati

Pilot-PSI - Na sliki 11 vidimo kako se spreminja površinska gostota izbranega elementa gledena radialno koordinato. Površinska gostota elementa je sorazmerna z debelino plasti. Razlicnebarve tock na grafu prikazujejo razlicna obmocja merjenja. Kot vidimo tudi na grafih se obmocjarahlo prekrivajo, saj pricakujemo, da se bo graf nadaljeval zvezno med obmocji in nam to omogocakontrolo nad meritvijo.

Opazimo, da je plazemski curek erodiral kar tretjino plasti volframa, prav tako pa je že mocnoizpostavljena plast molibdena. Prav tako opazimo, da je v tocki najvecje intenzitete plazemskegacurka depozicija D zelo majhna. Enako velja za obmocja malo dlje stran od curka. Najvecjadepozicija pa je ravno na robu curka, kar se kaže v visokih konicah na grafu, ki predstavljajo ravnorob kraterja, ki je nastal ob vpadu curka, ko je visok tok delcev erodiral zgornje plasti na plošcici.

ASDEX Upgrade - Na slikah 10 vidimo grafa površinske gostote volframa na sliki 12 pa vidimodetaljno porazdelitev volframa po vzorcu. Slike si sledijo od leve proti desni, kot so bila z zelenooznacena obmocja na 10. Prav tako se moramo ob obravnavi zavedati, da je bil položaj plošcic vmerilni napravi ravno zasukan. Torej je skrajno levi položaj pri W#3 ekvivalenten skrajno desnempoložaju pri WS#3, kar se vidi tudi po slikah. Na slikah opazimo, da je strukturna spremembavzorca dosti bolj izrazita pri pološcenem vzorcu, saj je debelina W na eni strani vzorca kar 2.5-krat

10

(a) Pilot-PSI vzorec

(b) Pilot-PSI rezultat

Slika 11: Na levi sliki vidimo kako je izgledal vzorec PILOT-PSI in kje so merilna obmocja, na desni pavidimo graf kako izgledajo površinske gostote posameznih elementov za posamezna obmocja.

vecja kot na drugem koncu. Prav tako je, kot vidimo na slikah 12, odlaganja erodiranega materialaprecej fragmentirano in spominja na leopardovo kožo. Ta struktura je po vsej verjetnosti posledicaprvotne depozicije W na grafit.

Kot vidimo na 10(c) je tudi erozija na pološcenem vzrocu bolj izrazita.

5. Zakljucek

V seminarju sem najprej opisal eksperimentalne naprave na podrocju fuzije in kako se dopolnjujejo.Nato sem na kratko predstavil interakcijo med plazmo in steno. Jedro seminarja je bila študijamigracija materiala stene in zadrževanje fuzijskega goriva. Vzorci so bili izpostavljeni plazmi vdivertorju tokamaka ASDEX Upgrade, ki se ponaša z rocko, ki lahko vstavi vzorce v divertor inv plazemski puški Pilot-PSI, katere glavni namen je izpostavitev raznih materialov ogromnimtokovom plazme, ki bodo zadevali stene divertorja v ITER. Vzorce smo nato analizirali naMikroanalitskem centru v Podgorici, ki je del oddelka F2 na IJS. Analiza je potekala s 3He ioni, sajso potrebni za detekcijo D z metodo NRA. Prav tako sem na kratko predstavil druge analitskemetode, ki smo jih uporabili pri analizi. To so RBS in PIXE. Na koncu seminarja sem predstavil šerezultate.

Podrocje fuzijske energije je zelo cvetoce, saj obljublja veliko proizvedene energije, ki je okoljuprijazna in obnovljiva, saj je vodik najpogostejši element v vesolju. Njen razvoj je razmeroma drag,saj je izgradnja fuzijskih naprav draga. Reaktor tipa tokamak bo moral vsebovati supermagneteza zadrževanje plazme, diagnostiko za opazovanje plazme v realnem casu in mnogo naprav indrugih visokotehnoloških tehnik. Prav tako pa moramo vložiti ogromno sredstev v razumevanjeobnašanja plazme. To pomeni, da moramo izvesti še vec raziskav, kot je bila zgoraj opisana, kipreucuje stik med plazmo in steno. Izvesti moramo vec raziskav, ki preucujejo neravnovesnepogoje v plazmi, ki lahko mocno vplivajo na steno naprave in na samo pridobivanje energije.Vložiti je treba tudi vec sredstev v racunalniško modeliranje plazme, saj takšno modeliranje sežedlje od današnjih eksperimentalnih naprav.

11

(a) W#3

(b) WS#3

Slika 12: Na slikah vidimo kako izgleda povšinska gostota W pri obeh vzorcih. Barvna skala je relativna inspecificna glede na vsako meritev, zato slik ne moremo primerjati direktno. Lahko pa primerjamo kakšne solokalne variacije površinskih gostot elementov. Slike so bile pridobljene z metodo PIXE.

Literatura

[1] https://www.iter.org/, 16. 4. 2016[2] Naujoks D. 2006 Plasma-Material Interaction in Controlled Fusion, Springer[3] https://www.euro-fusion.org/jet/, 16. 4. 2016[4] http://www.ipp.mpg.de/16208/einfuehrung, 16. 4. 2016[5] Herrmann A. et al., Nucl. Fusion 55 (2015) 063015 (7pp)[6] https://www.ipp.mpg.de/3825313/highlights2014?seite=2, 16. 4. 2016[7] G.J. van Rooij et al., Journal of Nuclear Materials 415 (2011) S137–S140[8] http://www.differ.nl/research/fusion_physics/psi_experimental/pilot_psi, 16. 4. 2016[9] V. Philipps et al., Fusion Science and Technology 45 (2004) 237-248

[10] J. Roth et al., Journal of Nuclear Materials 390–391 (2009) 1–9[11] P. Pelicon et al., Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 269 (2011) 2317–2321[12] http://www.rcp.ijs.si/mic/general/accelerator.php, 16. 4. 2016

12