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 проекта 21-72-10097
НазваниеИсследование осаждения металлических слоёв из плазмы и накопления изотопов водорода в них
Руководитель Крат Степан Андреевич, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" , г Москва
Конкурс №61 - Конкурс 2021 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» 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 слова Управляемый термоядерный синтез, тонкие плёнки, накопители водорода, распылительные системы, полый катод, транспорт частиц,
Код ГРНТИ29.19.16
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
В данном проекте проводится теоретическое и экспериментальное комплексное исследование накопления изотопов водорода в осаждённых из плазмы металлических слоях. Актуальность проекта заключается в необходимости предсказания скорости накопления радиоактивного изотопа водорода трития в различных областях термоядерных установок, а также в актуальности создания новых типов накопителей водорода для нужд промышленности, в частности подборе оптимальных параметров осаждения металлических плёночных накопителей из плазмы, обеспечивающих максимальное содержание водорода в них.
Работа состоит из двух основных частей: развития теоретической модели, предсказывающей содержание и распределение изотопов водорода в осаждённых из плазмы металлических слоях в зависимости от условий осаждения, а также создания и исследования свойств распылительной системы на основе эффекта полого катода с дополнительным смещением мишени, необходимой для получения осаждённых из плазмы смешанных слоёв и экспериментальной верификации предсказаний теоретической модели для материалов, осаждение которых с использованием более традиционных распылительных систем затруднено.
Заделом первой части работы является разработанная ранее при поддержке РНФ теоретическая модель, основанная на модфицированном одномерном уравнении диффузии с ловушками и подвижной границей, описывающая распределение содержания водорода в квазистатически растущих металлических слоях с малым, по сравнению с количеством атомов металла, количеством дефектов, служащих ловушками для водорода. Разработанная модель [1–4] была успешно верифицирована на экспериментальных данных для осаждённых слоёв вольфрама [1], молибдена, алюминия [2] и, в ограниченном по сравнению с доступным в литературе, диапазоне параметров осаждения для бериллия [4].
В ходе проекта область применимости модели будет расширена на гидридообразующие металлы, такие как бериллий, применяемый в качестве облицовки первой стенки международного экспериментального токамака ИТЭР, и титан, являющегося эффективным накопителем водорода. Также, будет достигнута возможность предсказания содержания отдельных изотопов водорода в осаждённом из плазмы слое. Данная информация критически важна с точки зрения оценки скорости накопления трития в термоядерных установках, в которых рабочей газовой смесью будет D-T, а в остаточном газе будет присутствовать H, а также при определении необходимых вакуумных параметров осаждения плёночных накопителей тяжёлых изотопов водорода, например при транспортировке трития. Полученные теоретические расчёты будут верифицированы на основе экспериментальных данных, полученных при помощи разрабатываемой и исследуемой во второй части данной работы распылительной системы.
При изучении накопления изотопов водорода в соосажденных из плазмы металлических пленках будет использована ионно-плазменная распылительная система (ИПРС) на базе тлеющего разряда с полым катодом (РПК) оригинальной конструкции. В отличие от магнетронных распылительных (МР) систем в РПК не используется магнитное поле, что позволяет распылять ферромагнитные материалы (например, железо и никель) [5-7]. Также отсутствие магнитного поля исключает возникновение магнитогидродинамических неустойчивостей поверхности жидких материалов мишени, их расплёскивание. Предлагаемая ИПРС обладает схожими с МР скоростями осаждения металлических пленок (до 1 мкм/ч для железа) за счет подачи дополнительного высоковольтного смещения на мишень, при котором происходит значительное увеличение плотности плазмы (более 3 раз), а эффект полого катода между электродами РПК сохраняется. Значительным отличием РПК от МР является большее рабочее давление (до 40 Па), однако при схожих скоростях осаждения повышенное давление приводит к изотропии потока распыленного материала, а плоская геометрия хорошо масштабируется.
Список использованной литературы:
1. Krat S. et al. Tungsten-deuterium co-deposition: Experiment and analytical description // Vacuum. 2018. Vol. 149. P. 23–28.
2. Gasparyan Y. et al. Temperature dependence of hydrogen co-deposition with metals // Fusion Eng. Des., 2019. Vol. 146. P. 1043–1046.
3. Krat S.A. et al. Model for hydrogen accumulation in co-deposited layers // Nucl. Mater. Energy. 2020. Vol. 24. P. 100763.
4. Krat S.A. et al. … Nuclear materials and engineering, 2021, in print.
5. Delahoy A.E., Jansen K., Robinson C. et al. // Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 2012. V. 1323. P. 35.
6. Muhl S., Pérez A. // Thin Solid Films. 2015. V. 579. P. 174.
7. Kolobov V.I., Metel A.S. // J. Phys. D. Appl. Phys. 2015. V. 48. № 23. P. 233001.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ