Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-4253
Droste, Stefan
Simulations von Erosions- und Depositionsprozessen mehrkomponentiger Oberflächenschichten in Fusionsanlagen
X, 91 S., 2007
Die derzeitige Wahl der Wandmaterialien in dem Tokamak-Experiment ITER, dem
nächsten großen Schritt auf dem Weg zur Energiegewinnung aus der kontrollierten Kernfusion,
wird zur unvermeidlichen Bildung mehrkomponentiger Oberflächenschichten aus
Wolfram, Kohlenstoff und Beryllium durch Erosion und Deposition führen. Der Einfluss
dieser Schichten auf die Lebensdauer der Wandkomponenten und auf die Tritiumrückhaltung
ist unklar. Daher sind Vorhersagen für die Erosionsprozesse, den Verunreinigungstransport
und die Depositionsprozesse mit Hilfe von Computersimulationen wichtig.
Dafür wird das 3D-Monte-Carlo-Programm ERO genutzt.
Bisher wurde die Oberfläche in ERO vereinfacht als homogene Mischung der Materialien
in einer Interaktionsschicht des Substratmaterials beschrieben. In dieser Arbeit wurde
ERO mit dem vorhandenen Monte-Carlo-Programm SDTrimSP zu dem Programm
ERO-SDTrimSP gekoppelt, um Mischprozesse in der Oberfläche korrekt zu beschreiben.
SDTrimSP beschreibt die Oberfläche, indem es den Transport von Ionen im Festkörper
berechnet und über die Implantationstiefe der Ionen die Veränderung des Festkörpers
tiefenaufgelöst verfolgt. In Abhängigkeit vom Konzentrationstiefenprofil ergeben
sich Reflexionskoeffizienten der Projektile und Zerstäubungsausbeuten für die Atome des
Festkörpers, die auf der Berechnung der Trajektorien in Bewegung gesetzter Festkörperatome
beruhen. Da SDTrimSP dabei keine chemischen Prozesse berücksichtigt, wurde
eine neue Methode entwickelt, die chemische Erosion von Kohlenstoff durch Wasserstoff
in SDTrimSP zu implementieren.
Das neue Programm ERO-SDTrimSP wurde mit Experimenten am Tokamak TEXTOR
verglichen, die dazu dienten, die Bildung mehrkomponentiger Oberflächenschichten
zu untersuchen. Dabei wurde Methan CH4 durch Testlimiter aus Graphit und Wolfram
über Bohrungen in Plasmaentladungen injiziert. Es zeigte sich eine sehr deutliche Substratabhängigkeit.
Die Depositionseffizienz, d. h. das Verhältnis aus lokal deponiertem
Kohlenstoff zur Menge des injizierten Kohlenstoffs, betrug für Graphit 4% und 0.3%
für Wolfram. Das depositionsdominierte Gebiet auf dem Graphitlimiter bedeckte eine
fünfmal größere Fläche als das auf dem Wolframlimiter.
Die Simulation dieser Experimente mit ERO-SDTrimSP zeigte ebenfalls einen klaren
Substratunterschied von 2% Depositionseffizienz für Graphit und weniger als 0.5% für
Wolfram in guter Übereinstimmung mit den Messungen. Der Grund für die Substratabhängigkeit
liegt im Wesentlichen in der höheren physikalischen Zerstäubungsausbeute
eines dünnen Kohlenstofffilms auf dem Wolframsubstrat im Vergleich zum Kohlenstoffsubstrat.
Im Gegensatz zu der früher verwendeten vereinfachten Annahme einer homogenen
Materialmischung kann das Phänomen der Substratabhängigkeit erst jetzt mit
ERO-SDTrimSP nachvollzogen werden.
Ein wichtiges Ergebnis des Vergleichs Experiment-Simulation war, dass die effektive
Haftwahrscheinlichkeit für auf die Oberfläche treffende Kohlenwasserstoffradikale praktisch
gleich Null ist. Weiterhin zeigte sich, dass der lokal redeponierte Kohlenstoff Schichten
bildet, deren Erosion um einen Faktor 10 höher ist als die des normalen Graphits. Dies
kann mit der Bildung amorpher wasserstoffreicher Kohlenstoffschichten erklärt werden,
die sich durch die Deposition mit niederenergetischen Kohlenstoffionen bilden.
Die Simulation des Verunreinigungstransports im Plasma wurde durch den Vergleich
mit spektroskopischen Daten, d. h. der zweidimensionalen Verteilung der CH- und CIIILinienemission
über dem Testlimiter, überprüft. Für die noch verbleibende Abweichung
der Simulation vom Experiment wird insbesondere im Fall der Graphitoberfläche vermutet,
dass die Oberflächenrauigkeit, die in den Simulationen noch nicht berücksichtigt
wird, eine wesentliche Rolle spielen könnte.
Mit ERO-SDTrimSP steht nun ein Werkzeug zur Simulation mehrkomponentiger
Oberflächenschichten in Fusionsanlagen und damit auch für eine bessere Vorhersage der
Erosions- und Depositionsprozesse in ITER zur Verfügung.
The next big step on the way to energy production by means of magnetic confinement
fusion will be the Tokamak experiment ITER. The present choice of first wall materials
in ITER will unavoidably lead to the formation of mixed carbon, tungsten and Beryllium
layers. The impact of these layers on life time of wall components and tritium retention in
ITER is unclear. Therefore predictive modelling of erosion processes, impurity transport
and deposition processes is important. For this the 3D Monte-Carlo code ERO can be
used.
Until now, the surface in ERO was described simply as a homogeneous material mixture
in a given interaction layer of wall components. In this thesis ERO has been coupled
to the existing Monte-Carlo code SDTrimSP to describe material mixing processes in wall
components correctly.
SDTrimSP describes the surface by calculating the transport of ions in solids. It
keeps Crack of the depth dependent material concentration caused by the implantation
of projectiles in the solid. The calculation of movements of the recoil atoms within the
solid gives reflection coefficients and sputtering yields. Since SDTrimSP does not consider
chemical processes a new method has been developed to implement chemical erosion of
carbon by the impact of hydrogen projectiles.
The new code ERO-SDTrimSP was compared to TEXTOR experiments which were
carried out to study the formation of mixed surface layers. In these experiments methane
CH4 was injected through drillings in graphite and tungsten spherical limiters into the
plasma. A pronounced substrate dependence was observed. The deposition efficiency, i.e.
the ratio of the locally deposited to the injected amount of carbon, was 4% for graphite
and 0.3% for tungsten. The deposition-dominated area on the graphite limiter covers a
five times larger area than on the tungsten limiter.
Modelling of this experiment with ERO-SDTrimSP also showed a clear substrate
dependence with 2% deposition efficiency for graphite and less than 0.5% for tungsten in
good agreement with the experiment. The reason for the substrate dependence is mainly
explained by the higher physical sputtering yield of a thin carbon film on top of tungsten
substrate compared to graphite substrate. In contrast to the simplifying assumption of
homogeneous material mixing in the past, the phenomena of substrate dependence can
now be understood with ERO-SDTrimSP.
An important result of the comparison between experiment and simulation was that
the effective sticking of hydrocarbon radicals hitting the surface must be negligible. Furthermore,
it was shown that local re-deposited carbon layers are 10 times more effectively
eroded than ordinary graphite. This is explained by the formation of hydrogen-rich carbon
layers which are formed by carbon ions with low impact energy.
Simulation of the impurity transport in the plasma was checked by comparison with
two dimensional light emission distributions of CH and CIII lines in front of the limiters.
For explaining the remaining discrepancy in the simulation of deposition on graphite the
surface roughness, which is not yet included in the model, might be a key parameter.
Now that the simulation Cool ERO-SDTrimSP has been supplied it can be used to
model mixed surface layers in fusion facilities and, in particular, it will be used to improve
the quality of predictions of erosion and deposition processes in ITER.
Neuerscheinungen
Schriften des Forschungszentrums Jülich
Ihre Ansprechperson
Heike Lexis
+49 2461 61-5367
zb-publikation@fz-juelich.de