Analyses of Tungsten Dust Generation by Heat fluxes and Radiative Cooling by Nitrogen in DiPS-2

Abstract

Ion acceleration and electron repel are caused by the potential difference of pre-sheath and sheath which is generated on boundary layer of plasma-materials. The particles which are ions, electrons and neutrons, have been related to damage of plasma facing components (PFCs) of fusion devices. The damage is due to deformation of surface and inner structure because of plasma-materials interaction. Dusts could be generated from the surface of PFCs due to various deformations, which are mainly caused by either edge localized modes (ELMs) or disruptions. Plasma-materials interactions (PMIs) between tungsten and simulated fusion edge plasmas were studied as the following: (1) The dust generation were analyzed by injecting of edge localized modes (ELM) like transient heat flux which was used an Nd:YAG pulsed laser from tungsten surface. The generation rate of dust was suggested in terms of the transient heat flux factor (FHF) and it was presented a linear function as C[mg/min] = C(FEX - F0); (2) Deformations of tungsten (blister formation, fuzzy, recrystallization of the structure, etc.) were analyzed by plasma variables (electron temperature, density, nuclide) using Divertor Plasma Simulator – 2 (DiPS-2), which is the linear plasma device; (3) Mechanism of dusts generation was analyzed by the transition heat flux (ion acceleration, electron beam, etc.) and steady-state plasma due to deformations of tungsten surface (cracking, etching, recrystallization of structure); (4) Radiative cooling effect was evaluated by injection of the nitrogen impurity. It was confirmed that the radiative cooling effect is occurred at more 20 % of impurity ratio; (5) In the process of plasma-impurity interaction, the mechanism of negative ion generation was analyzed in terms of energy consumption such as electron affinity energy and dissociation energy using electron energy distribution function (EEDF).|핵융합에서 플라즈마-대면재료의 경계면에서 발생하는 전외장 (pre-sheath) 및 외장 (sheath)의 전위로 인하여 이온의 가속 (ion-acceleration), 전자의 되돌림 (electron-repel) 현상등이 발생한다. 이때의 이온, 전자등을 포함한 다양한 입자들이 플라즈마 대면 재료의 손상을 발생시킨다. 표면 손상 및 내부구조의 변형은 플라즈마-재료 상호작용 때문에 발생한다. 이로 인한 대면 재료의 강도 (strength) 변화등은 대면재료로부터의 더스트의 발생을 초래할 수 있다. 그로 인해 플라즈마의 상태 변화, 플라자마의 성능 저하등 다양한 문제를 발생시킨다. 이러한 현상으로부터 플라즈마의 비대칭현상, 경계면 불안정 현상 (ELM: edge localized mode)를 발생시킬 수 있으며 심각한 경우 플라즈마 붕괴 (Disruption)에 이를 수 있다. 이러한 과정들은 핵융합로의 안전과도 연관되어 있으므로 대면 재료의 특성 연구, 플라즈마의 불안정이나 붕괴 현상을 막기 위하여 대면 재료 근처에서의 방사 냉각 (radiative cooling) 연구, 초전도체 (superconducting) 연구를 포함한 자기 현상(magnetic phenomena) 연구와 대면 신재료 (advanced materials)의 연구 등 다양한 연구들이 행해지고 있다. 본 연구에서 핵융합로에서 가장 적합한 대면재료 후보로 제시되고 있는 텅스텐 샘플을 이용하여 하기의 실험을 하였다. (1) 레이저 빔을 이용한 ELM 모사 실험을 통하여 텅스텐의 표면으로 방출된 텅스텐 더스트를 관찰하고 더스트 발생량을 측정함으로써 천이 열속 요소 (FHF: Transient heat flux factor)에 따른 더스트 발생량을 G[mg/min]=C(FEX-F0)의 선형 함수로 제시하였다. (2) 선형장치인 디버터 플라즈마 모사장치 – 2 (DiPS-2: Divertor Plasma Simulator – 2)의 플라즈마 발생 특성을 이용하여 정상상태의 플라즈마로 변수 (전자온도, 밀도, 핵종 (수소, 헬륨, 아르곤))에 따른 텅스텐 대면 재료의 표면 현상 변화 (블리스터 형성, 섬유화, 구조의 재결정 등)의 발생 현상을 분석을 하였다. (3) 입자소스의 천이 열속 (Ion acceleration, electron beam 등)과 정상상태 플라즈마를 복합 조사 (Irradiation) 함으로써 텅스텐 표면에서 발생되는 표면 변화 (균열, 식각, 재결정화)로부터 더스트 발생 기작을 분석하였다. (4) 플라즈마에 불순물 주입 비율에 따른 방사냉각효과를 계산하여 불순물 주입 비율이 20 % 이상 주입 할 경우 방사 냉각 효과를 입증하였다. (5) 저온 플라즈마 배경에서 플라즈마-불순물 반응을 통하여 생성되는 음이온의 발생 기작을 전자 에너지 분포 함수를 통하여 에너지 소모에 관해 분석하여 유추하였다.