Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В рамках выполнения проекта № 18-72-00178 «Изучение влияния локализованных на периферии неустойчивостей на эрозию обращенных к плазме элементов и на перенос примеси в термоядерном реакторе» получены и проанализированы профили параметров плазмы в диверторной области и в экваториальной плоскости камеры токамака с помощью численного кода SOLPS4.3 на основе магнитного равновесия, геометрии камеры, а также планируемых основных параметров разряда (плотность и температура на сепаратрисе, вкладываемая мощность) и характеристик установки (положения напуска газа и насосов), соответствующих проекту токамака COMPASS Upgrade в стационарном режимах работы токамака. Распыление вольфрамовых диверторных пластин на токамаке JET c ИТЭР-подобной стенкой при импульсных срывах энергии и частиц плазмы (ELM) является одним из основных источников примеси вольфрама в центральной плазме. Разработана методика моделирования движения ионов в ELM, использующая измеренные Ленгмюровскими зондами профили плотности ионного потока на диверторную пластину, позволяющая оценить распыление вольфрамовых диверторных пластин во время ELM и между ELM. Учет уменьшения температуры и плотности пьедестала при его разрушении во время ELM позволили получить согласующиеся с измерениями профили потока частиц и тепла в диверторе при физически обоснованной величине длины магнитной линии от пьедестала до поверхности пластин дивертора. Оценка потока распыленных атомов вольфрама с диверторной пластины показала, что ELM первого типа вносят существенный вклад (~ 80%) в распыление диверторной пластины в разрядах на JET, что согласуется со спектроскопическими измерениями излучения распыленных атомов вольфрама на длине волны 400.9 нм В рамках диффузионной теории о радиальном распространении ELM филаментов в пристеночном слое токамака, а также используя экспериментальные данные, полученные при исследовании ELM филаментов на токамаке JET с углеродными стенками, была произведена оценка повышения распыления бериллиевых лимитеров токамака JET c ИТЭР-подобной стенкой во время ELM за счет радиального транспорта ELM филаментов. Было получено, что ELM первого типа с энергосодержанием 160 МДж и с частотой в 30Гц приводят к повышению содержания бериллия в SOL на 25%. Проведен анализ распыления бериллиевых лимитеров во время ELM третьего типа в разрядах на токамаке JET с ИТЭР-подоной стенкой. Результаты моделирования показали, что ELM третьего типа с энергосодержанием 1кДж также могут привести к увеличению содержания бериллия в SOL на ~ 30% за счет их большой частоты следования. Расcчитано распыление лимитеров в режиме с ELM при различном процентном содержании дейтерия в лимитерах. Получено, что содержание дейтерия в бериллиевых лимитерах не влияет на поток распыленного бериллия во время ELM. Сравнение вклада в распыление лимитеров ионов, покидающих область пьедестала во время ELM, с вкладом от нейтралов перезарядки во время ELM показало, что поток распыленного бериллия за счет нейтралов перезарядки в три раза меньше, чем поток распыления во время ELM ионами филаментов для ELM первого и третьего типа. Следовательно, данный эффект можно не учитывать при оценке общего количества распыленного бериллия во время ELM в пристеночном слое токамака.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
На втором этапе реализации проекта № 18-72-00178 «Изучение влияния локализованных на периферии неустойчивостей на эрозию обращенных к плазме элементов и на перенос примеси в термоядерном реакторе» работа в основном была направлена на изучение вопроса переноса примесей, преимущественно атомов и ионов материала первой стенки и лимитеров из основной камеры термоядерного реактора в диверторную область при наличии локализованных на периферии неустойчивостей (ELM) и в стационарных режимах работы токамака. Разработана методика для оценки площади контактирующей поверхности Be лимитеров с филаментами ELM, приняв во внимание геометрические параметры филаментов и параметры их транспорта, измеренных в токамаке JET-C. Проведена оценка потока распыленных Be атомов с лимитеров ELM-филаментами в разрядах из серии C30C в в стационарном режиме, а также в режимах с ELM первого типа с энергосодержанием 160 кДж и с частотой 30Гц. Получено, что режиме с ELMs количество бериллия в SOL увеличивается на ~ 27% по сравнению со стационарным режимом. Данный результат находится в согласии с 30% увеличением потока ионов бериллия около поверхности лимитеров в течение ELM, полученного из анализа спектроскопических измерений излучения ионов бериллия около поверхности лимитеров во время одного из разрядов из серии “C30C” в токамаке JET с ИТЭР-подобной стенкой. Наблюдаемое в эксперименте 20% увеличение излучения ионов Be во внешнем диверторе при ELM можно объяснить только при учете и потока ионов Be из пьедестала и потока ионов Be, распыленных с лимитеров и ионизованных ELM-филаментами. Для моделирования влияния распыленного потока Be с поверхностей лимитеров токамака JET на распыление вольфрамовых (W) диверторных пластин проведена оценка вероятностей ионизации, захвата и термализации распыленных атомов Be в SOL филаментами ELM, распространяющимися вдоль магнитных линий из области пьедестала в дивертор. Расчет характерных времен ионизации и термализации показал, что атомы Be, находящиеся в SOL, с большой долей вероятности будут ионизованы и термализованы филаментами ELM при их транспорте от пьедестала в диверторную область. Рассчитан поток распыленного W с поверхности тайла 5 внешнего дивертора во время ELMs с учетом повышенной концентрации ионов Be в общем налетающем потоке плазмы ~ 2%. Сделан вывод, что вклад ELM с энергосодержанием 160кДж в распыление вольфрамовых диверторных тайлов составляет ~ 78%, что находится в согласии со оценкой вклада ELM в общее распыление W тайлов 70-80%, проведенной используя спектрометрические измерения. Учет распыления Be лимитеров филаментами ELM увеличивает распыление W тайлов на ~ 47% относительно распыления W только ионами из пьедестала. Проведен анализ распыления бериллиевых лимитеров токамака JET в разрядах с ELM третьего типа с энергосодержанием 1кДж и частотой 1200 Гц. Сделан вывод, что ELM третьего типа с энергосодержанием 1кДж приводят к увеличению содержания бериллия в SOL на ~ 40% за счет их большой частоты следования. Однако, расчет характерных времен ионизации и термализации распыленных атомов Be в SOL филаментами ELM третьего типа показал большую вероятность ионизации филаментами ELM, однако неполную термализацию в потоке плазмы из пьедестала во время ELM. Рассчитан поток распыленных атомов W во время ELM с тайла 5 внешнего дивертора с учетом неполной термализации распыленного с поверхности лимитера иона Be в филаменте. Получено, что вклад ELM третьего типа с энергосодержанием 1кДж в распыление вольфрамовых диверторных тайлов составляет ~ 73%. Учет распыления Be лимитеров филаментами ELM увеличивает распыление W тайлов на ~ 31% относительно распыления W только ионами из пьедестала. Анализ результатов экспериментов на JET и моделирования кодом ERO показал, что геометрия диверторных пластин и магнитная конфигурация могут влиять на уменьшение распыления и транспорт распыленного материала из дивертора в основную плазму. Основную роль в уменьшении транспорта распыленного материала в область удержания играет процесс перенапыления. Угловая магнитная конфигурация, где пересечения сепаратрисы с тайлами дивертора находятся в угловых областях дивертора рядом с откачивающими насосами, является наиболее предпочтительной, так как в этом случае распыленный вольфрам с большой вероятностью будет перенапылен в область откачки и не попадет в основную плазму. Проведено моделирование влияния изотопного состава на распыления Be лимитеров в течение ELM и последующее влияние повышенного содержания ионов Be в SOL на распыление W диверторной пластины внешнего дивертора токамака JET. Получено, что во время работы токамака с тритиевыми разрядами распыление лимитеров увеличится на 25% по сравнению с дейтериевой плазмой, что приведет к увеличению распыления вольфрамовой пластины внешнего дивертора в течение ELM на 44% по сравнению с дейтериевыми разрядами. Увеличение распыления происходит благодаря зависимости коэффициента эрозии от массы налетающего иона, а также уменьшении порога распыления вольфрама и бериллия при увеличении массы налетающих ионов. Проведен расчет потоков распыления Be с лимитеров и W с диверторной пластины внешнего дивертора во время ELM для ИТЭР. Получено, что поток распыления Be с поверхности лимитеров в ИТЭР в течение ELM увеличивается на 4% по сравнению со стационарным режимом. Однако, распыление W диверторных пластин в ИТЭР в основном будет происходить в течение ELM (66%), как и в случае JET при подобных параметрах плазмы в диверторе. Проведена оценка распыления вольфрамовых пластин при дугообразовании на поверхностях с развитой структурой, нановолокнами W-fuzz. Рассчитаны поток ионов вольфрама с поверхности при горении дуги на слоях нановолокон в H плазме, а также средняя плотность ионов вольфрама, покидающих поверхность из-за горения пятна вакуумной дуги на W-fuzz с энергией порядка 100 эВ. Время, за которое весь слой нановолокон со средней толщиной 50 нм и плотностью ~1021 см-3 будет распылен при дуговом разряде, составило 0.5 – 5 мс, что согласуется со временем и периодичностью воздействия плазмы ELM. Сделан вывод, что дуговые процессы приводят к интенсивному выгоранию волокон, которые успевают вырасти между ELM.