КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 18-72-00213

НазваниеРазработка количественных методов анализа литиевых слоев, формируемых в термоядерных установках

РуководительКрат Степан Андреевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2018 - 06.2020 

Конкурс№29 - Конкурс 2018 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-501 - Физика высокотемпературной плазмы и УТС

Ключевые словалитий, тонкие плёнки, управляемый термоядерный синтез, анализ ионным пучком, термодесорбционная спектроскопия,

Код ГРНТИ29.19.16

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Создание и развитие экономически эффективных, экологически чистых долгосрочно стабильных источников энергии является важной стратегической задачей, стоящей перед Российской Федерацией и человечеством в целом. Управляемый термоядерный синтез (УТС) – перспективное решение этой задачи, как сам по себе, так и в связке с атомной энергетикой, для создания гибридных энергетических систем и источников быстрых нейтронов для различного применения, в том числе для переработки радиоактивных отходов Необходимым шагом для использования УТС в коммерческих целях является реализация реактора со стационарным горением плазмы. Перспективным подходом для решения этой задачи является использование жидкометаллических элементов, обращённых к плазме, (ЭОП) в которых за счёт течения жидкости будет происходить самовосстановление поверхности. Такой подход потенциально позволит решить все проблемы долговременного взаимодействия с плазмой, способные потенциально разрушить твердотельные ЭОП с течением времени. Из всех материалов, рассматриваемых для использования в жидкометаллических элементах (ЖМЭ), литий является наиболее привлекательным. В экспериментах на токамаках TFTR, Т11-М, NSTX, EAST показано положительное влияние лития на горячую плазму: наблюдалось увеличение времени удержание, подавление неустойчивостей, уменьшение содержания примесей. Большой проблемой является анализ состава, свойств, скорости формирования литиевых слоёв, образующихся в плазменных установках с литиевыми ЖМЭ в результате переосаждения лития, удалённого с поверхности ЖМЭ плазмой. Из-за высокой химической активности лития и его соединений, ex-situ анализ таких свойств литиевых слоёв, как содержание газов в них, практически невозможен, требуется in-situ и in-vacuo диагностика. Ex-situ анализ литиевых слоёв, применяющийся для определения количества самого лития, сохраняющегося неизменным при контакте с атмосферным воздухом, также требуют адаптации существующих методов, в силу малого атомного номера лития и других его физических свойств. В данной работе будут проведены работы по разработке новых и улучшению, адаптации существующих методов анализа поверхности к изучению литиевых слоёв, осаждающихся в плазменных установках.

Ожидаемые результаты
1) Будет создана принципиально новый метод диагностики накопления изотопов водорода в соосаждённых слоях в плазменных установках на основе измерения их электрофизических свойств, определены границы его применимости. Данные исследования представляют интерес для всех токамаков, в которых используется или планируется использование ЖМЭ. Такие токамаки работают во многих странах мира, таких как США (NSTX-U, DIIID), Китай (EAST), Италия (FTU). Работы с литиевыми ЖМЭ планируются на ряде токамаков, включая разрабатываемые или готовящиеся к запуску установки, такие как Т-15 (Россия, НИЦ «Курчатовский Институт»), HYDRA (США, Университет Иллинойса в Урбана Шампани), КТМ (Казахстан, Национальный ядерный центр Республики Казахстан), COMPASS-Upgrade (Чехия). Во всех токамаках с литиевыми ЖМЭ будет происходить распыление и испарение лития с поверхности ЖМЭ и, как следствие, будет происходить образование переосаждённых слоёв, приводящее к изменению свойств поверхности, накоплению изотопов водорода, включая радиоактивный тритий. In-vacuo диагностика состава, толщин таких слоёв необходима для обеспечения работоспособности реакторов, корректной интерпретации полученных на них экспериментальных результатов. Проведение работ по данному направлению в рамках проекта РНФ позволит создать новую диагностическую методику, позволяющую судить о транспорте материала ЖМЭ в токамаках, о накоплении изотопов водорода в них. 2) Будет создана новая комплексная методика диагностики состава переосаждённых слоёв на основе термодесорбционной спектроскопии, что позволит определять содержание лития в ходе ТДС анализа. Проблема накопления изотопов водорода в приповерхностных и переосаждённых слоях материалов элементов, обращённых к плазме (ЭОП) крайне важна как с точки зрения радиационной безопасности, так и с точки зрения контроля рециклинга изотопов водорода. В токамаке Т-11М, на котором ведутся уникальные работы по изучению сбора лития из плазмы и накопления водорода в собранных слоях, при участии руководителя проекта, реализован in-vacuo узел ТДС-анализа для измерения количества накопленного в литиевых переосаждённых слоях водорода. При этом как в Т-11М, так и во многих лабораторных установках, на которых проводятся подобные исследования, отсутствует возможность измерения потоков лития одновременно с потоками водорода при ТДС-анализе, являющемся наиболее распространённой и надёжной методикой измерения содержания водорода в соосаждённых слоях. Определение количества лития методом ТДС практически невозможно из-за его высокой химической активности, из-за которой контакт паров лития с электродами масс-спектрометров быстро приводит к их разрушению. В результате, для определения количества лития используются косвенные методы анализа, что приводит к низкой точности результатов. Непосредственный анализ возможен только для сверхтонких слоёв, толщины которых измеряются единицами атомных слоёв. Работы по расширению возможностей традиционного ТДС анализа позволят преодолеть сложности по определению количества лития в толстых соосаждённых слоях, образующихся в токамаках, и, как следствие, позволят с гораздо большей точностью определять содержание изотопов водорода в них, что сделает возможным предсказание скорости их накопления в установках УТС. 3) Методы анализа ионным пучком, такие как обратное рассеяние Резерфорда и метод ядерных реакций, будут адаптированы для исследования литиевых осаждённых слоёв. Методы анализа ионным пучком, такие как метод Обратного рассеяния Резерфорда (ОРР) и метод ядерных реакций (ЯР) являются широко используемыми неразрушающими количественными диагностическими методами, позволяющими определять состав соосаждённых слоёв и распределение элементов по их толщине. Несмотря на то, что методы ОРР и ЯР активно применяются для анализа осаждённых слоёв, образующихся в токамаках, для анализа литиевых соосаждённых слоёв они практически не применяются. Для того, чтобы возможно было исследовать литиевые осаждённые слои методами ОРР и ЯР, необходима их адаптация к данной задачи – определение каналов ядерных реакций, типов и энергий ионов, использующихся в анализе, позволяющих обеспечить приемлемую чувствительность. Высокая химическая активность литиевых соединений, приводящая к изменениям в составе и микроскопическом строении литиевых слоёв при контакте с атмосферным воздухом, также затрудняет применение методов ОРР и ЯР для анализа литиевых слоёв. Работы по адаптации методов ОРР и ЯР к анализу литиевых слоёв, осаждённых на различные поверхности, откроет возможность проведения быстрого количественного неразрушающего анализа осаждения лития в токамаках, необходимого для таких задач, как оценка переноса лития в них.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Для изучения состава и толщины литий-содержащих слоёв методами ионного анализа наиболее подходящим является метод обратного рассеяния Резерфорда (ОРР). При помощи численного моделирования в коде SIMNRA установлено, что в качестве диагностических ионов лучше всего подходят протоны с энергиями 4 МэВ для литиевых слоёв на нержавеющих сталях, молибдене, вольфраме; для литиевых слоёв на углероде оптимальная энергия протонов – 2 МэВ. ОРР позволяет проводить анализ литиевых слоёв с толщинами от ~ 100 нм до толщин ~ 600 мкм. Для анализа сверхтонких слоёв толщиной единиц атомных монослоёв подходит метод гамма детекции при облучении литий-содержащих слоёв протонами. Этот метод даёт только информацию об общем содержании лития в слое, в отличии от ОРР, который также позволяет изучать распределение лития по глубине литий-содержащего слоя. Методы ОРР и метод детектирования гамма квантов были апробированы экспериментально на ускорительном оборудовании института физики плазмы имени Макса Планка (Гархинг, Германия) и физико-энергетического института (Обнинск, Россия). Апробация проводилась на литиевых плёнках, специально подготовленных в экспериментальной установке МР-2 (НИЯУ МИФИ) и осаждённых на мишень-коллектор в токамаке Т-11М (ТРИНИТИ). Установлено, что возможно определение содержания лития в плёнке с толщиной от ~ 50 нм. На базе установки МР-2 разработана и апробирована новая комплексная диагностика литиевых плёнок, сочетающая в себе термодесорбционную спектроскопию (ТДС) и in-situ анализ скорости испарения плёнки во время ТДС при помощи кварцевых микровесов, установленных в непосредственной видимости к поверхности плёнки. При помощи новой диагностики установлено, что испарение большей части лития из соосаждённой из плазмы литий-дейтериевой плёнки происходит при более низкой температуре, чем десорбция подавляющего большинства дейтерия из неё.

 

Публикации

1. Крат С.А., Майер М.,Васина Я.А.,Пришвицын А.С., Гаспарян Ю.М., Писарев А.А, Elastic backscattering as a method for the measurement of the integral lithium content in thin films on fusion-relevant substrates Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, DOI: 10.1016/j.nimb.2019.06.025 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1016/j.nimb.2019.06.025

2. Пришвицын А.С., Крат С.А,, Харина А.П., Писарев А.А, ЗАВИСИМОСТЬ СТЕПЕНИ ЧЕРНОТЫ ЛИТИЯ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ В ВАКУУМЕ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. СЕРИЯ: ЯДЕРНЫЕ КОНСТАНТЫ, DOI: 10.21517/0202-3822-2019-42-2-89-95 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.21517/0202-3822-2019-42-2-89-95

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Получены теоретические зависимости удельного сопротивления от содержания водорода в литиевых слоях для случая малого и большого содержания водорода в них. Разработана методика, на установке МР-2 проведены подготовительные работы и предварительные эксперименты по измерению удельного сопротивления тонких литиевых слоёв. Получены и исследованы устойчивые к литию защитные диэлектрические покрытия. Разработана конструкция материаловедческого зонда, позволяющая с достаточной точностью проводить in-situ измерения поверхностного сопротивления, импеданса соосаждённых литий-водородных слоёв, осаждаемых в условиях токамаков Т-11, COMPASS, а также проводить их анализ по комплексной методике на основе ТДС, разработанной на предыдущем году работ. Установлены длины волн излучения под воздействием которых происходит окрашивание слоёв, содержащих гидриды лития в синий цвет. На основе данного эффекта предложена методика детектирования областей формирования слоёв гидридов лития в токамаках.

 

Публикации

1. С.А. Крат, А.С. Попков, Ю.М. Гаспарян, Я.А. Васина, А.С. Пришвицын, А.А. Писарев A setup for study of co-deposited films Journal of Instrumentation, Volume 15, Issue 1, P01011 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1088/1748-0221/15/01/P01011

2. С.А. Крат, Я.А. Васина, А.С, Пришвицын, Ю.М, Гаспарян, А.А, Писарев Isotope exchange in Li-D co-deposited layers at temperatures below 200 °C Journal of Nuclear Materials, Journal of Nuclear Materials 532 (2020) 152064 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2020.152064

Возможность практического использования результатов
Полученные результаты могут быть использованы для диагностики тонких литий-содержащих покрытий, в том числе применимых в технологических приложениях, таких как источники питания. Разработанные диагностические методики создают научный и технологический задел для развития управляемого термоядерного синтеза с магнитным удержанием (токамаки с жидкометаллическими обращёнными к плазме элементами)