Helium Porosity Formation in Vanadium Alloys of V-Ti-Cr, V-W-Zr and V-W-Ta Systems in Comparison with Binary Alloys

Vanadium alloys are considered candidates for use as structural materials of fusion reactors. A large amount of helium will be accumulated in such materials. The presence of helium in the materials may result in gas swelling. This paper presents the results on helium porosity formation researches in V–Ti–Cr, V–W–Zr and V–W–Ta alloys obtained by means of TEM. Samples were irradiated by 40 keV Не+ ions up to dose of 5 ⋅ 1020m−2 at 923 K. Alloy V–4%Ti–4%Cr has a smallest helium swelling among the ternary alloys and its swelling is significantly lower than swelling of dual V–Ti and V–Cr alloys. The swelling of the ternary V–2%W–1%Zr alloy is more than 3 times less than the swelling of vanadium, several times less than that of V–W alloys and slightly lower than the swelling of V– Zr alloys. Swelling increases by a factor of 1.5 with increasing of Zr content to 2% in the ternary V–2%W–1%Zr alloy. Similarly, gas swelling of ternary V–2%W–1%Ta alloy is significantly lower than that for binary V–W and V–Ta alloys. Assumptions are made about the possible mechanisms of the effect of alloying elements in vanadium on helium porosity formation. Keywords: vanadium alloys, swelling, helium, radiation resistance

High-speed gas injector for powerful plasmadynamic systems

The paper describes the design features of gas injectors for the axial (parallel to the axis of the accelerator) and radial (perpendicular to the axis of the accelerator) working gas supply into the accelerator channel. The results of gas-dynamic studies of the injectors are presented. The amount of the working gas inlet was investigated as a function of gas pressure under the blocking valve element. A strong dependence of the amount of the injected working gas on the current value in the control coil was found.Описываются особенности конструкции газовых инжекторов для осевой (параллельной оси ускорителя) и радиальной (перпендикулярной оси ускорителя) подачи газа в ускорительный канал. Представлены результаты газодинамических исследований инжекторов. Исследована зависимость количества напускаемого рабочего газа в зависимости от давления газа под запирающим элементом клапана. Показана существенная зависимость количества инжектированного рабочего газа от величины тока в управляющей катушке.Описуються особливості конструкції газових інжекторів для вісьової (паралельної осі прискорювача) і радіальної (перпендикулярної осі прискорювача) подачі газу в прискорювальний канал. Представлені результати газодинамічних досліджень інжекторів. Досліджена залежність кількості робочого газу, що напускається, залежно від тиску газу під замикаючим елементом клапана. Показана істотна залежність кількості робочого газу, що напускається, від величини струму в котушці, що управляє

Pulsed electromagnetic gas valves for high-current plasma accelerators

The paper describes the design features of a gas valve for the axial (parallel to the axis of the accelerator) working gas supply into the accelerator channel. The results of gas-dynamic studies of the injectors are presented. The amount of the working gas inlet was investigated as a function of gas pressure under the blocking valve element. A strong dependence of the amount of the injected working gas on the electric current value in the control coil was found.Oписуються особливості конструкції клапана газу з електромагнітним приводом запираючого елемента для осьової (паралельної осі прискорювача) подачі газу в прискорювальний канал плазмодинамічних систем. Представлено результати газодинамічних досліджень клапана. Досліджена залежність кількості робочого газу, що напускається, залежно від тиску газу під запираючим елементом клапана. Показана істотна залежність кількості робочого газу, що напускається, від величини струму в електромагнітній котушці.Oписываются особенности конструкции клапана газа с электромагнитным приводом запирающего элемента для осевой (параллельной оси ускорителя) подачи рабочего газа в ускорительный канал плазмодинамических систем. Представлены результаты газодинамических исследований клапана. Исследована зависимость количества напускаемого рабочего газа в зависимости от давления газа под запирающим элементом клапана. Показана существенная зависимость количества инжектированного рабочего газа от величины тока в электромагнитной катушке

Parameters of hydrogen plasma streams in QSPA-M and their dependence on external magnetic field

Present experimental studies are aimed at analysis of hydrogen plasma stream parameters in various working regimes of QSPA-M operation. Temporal distributions of plasma electron density are reconstructed with optical emission spectroscopy. The magnetic field influence on plasma streams parameters is analyzed. It is shown that in regimes with additional magnetic field the plasma electron density increases by an order of magnitude in comparison with a density value without magnetic field. The plasma velocity and energy density parameters as well as their temporal behaviors were estimatedin different operating regimes of QSPA-M facility. Features of plasma visible radiation were analyzed. This information is important for QSPA-M applications in experiments on interaction of powerful plasma streams with material surfaces.Проведені експериментальні дослідження спрямовані на аналіз параметрів водневої плазми у вільному потоці для різних робочих режимів роботи КСПП-M. За допомогою оптичної емісійної спектроскопії реконструйовано часові розподіли електронної густини плазми. Проаналізовано вплив магнітного поля на параметри плазмових потоків та показано, що густина плазми при роботі з додатковим магнітним полем зростає на порядок величини в порівнянні з густиною, виміряною без магнітного поля. Оцінено параметри швидкості та густини енергії плазми, а також їх поведінку під час розряду в різних режимах роботи установки КСПП-М. Проаналізовано особливості випромінювання плазми. Ця інформація дуже важлива для застосування КСПП-М у експериментах по взаємодії потужних плазмових потоків з поверхнями матеріалів.Проведенные экспериментальные исследования направлены на анализ параметров водородной плазмы в свободном потоке для различных рабочих режимов работы КСПУ-М. С помощью оптической эмиссионной спектроскопии восстановлены временные распределения плазменной электронной плотности. Проанализировано влияние магнитного поля на параметры плазменных потоков, и показано, что плотность при работе в дополнительном магнитном поле возрастает на порядок величины по сравнению с плотностью, измеренной без магнитного поля. Оценены параметры скорости и густоты энергии плазмы, а также их временное поведение в различных режимах работы установки КСПУ-М. Проанализированы особенности излучения плазмы. Данная информация очень важна для применения КСПУ-M в экспериментах по взаимодействию мощных плазменных потоков с поверхностями материалов

Exposures of EU W-CFC combined targets with QSPA Kh-50 plasma streams simulating ITER ELMs

Repeated load tests of special combined W-CFC samples were performed with QSPA plasma streams either resulting in strong melting of W surface layer or below the melting, but above the cracking threshold. Experiments show that in result of target exposures with heat load of 0.4 MJ/m2 (no melting) only cracks formation was found on both tungsten and CFC surfaces. It is obtained that enhanced evaporation of CFC results in additional shielding of tungsten surface by C cloud and protects W surface from evaporation even for essentially increased energy density in impacting plasma. Exposures of combined target with heat loads of 0.82 MJ/m2 resulted in strong melting of tungsten. Meshes of macro-cracks and micro-cracks as well as ripple structures are appeared on the resolidified surface.Проведено циклічні іспити спеціальних комбінованих зразків W-CFC з використанням плазмових потоків КСПП з варійованими енергетичними навантаженнями, які приводять до розвитого плавлення поверхневого шару W, або знаходяться нижче порога плавлення, але вище порога розтріскування. Експериментально показано, що в результаті опромінення мішеней з густиною енергії 0,4 MДж/м2 (відсутність плавлення) було зареєстровано тільки розтріскування поверхонь CFC і вольфраму. Зі збільшенням густини енергії розвинуте паротворення CFC приводить до додаткового екранування поверхні вольфраму шаром вуглецевої плазми і захищає поверхню W від паротворення навіть при істотно збільшеній густині енергії в плазмі, що налітає. Опромінення мішеней з тепловими навантаженнями 0,82 MДж/м2 приводить до інтенсивного плавлення вольфраму. Сітки макро-тріщин і мікро-тріщин, а також хвильова структура з'являються на повторно затверділій поверхні.Проведены циклические испытания специальных комбинированных образцов W-CFC с использованием плазменных потоков КСПУ с варьируемыми энергетическими нагрузками, которые приводят к развитому плавлению поверхностного слоя W, либо находятся ниже порога плавления, но выше порога растрескивания. Экспериментально показано, что в результате облучения мишеней плазменными потоками с плотностью энергии 0,4 MДж/м2 (отсутствие плавления) было зарегистрировано лишь растрескивание поверхностей CFC и вольфрама. С увеличением плотности энергии в плазменном потоке развитое парообразование CFC приводит к дополнительной экранировке поверхности вольфрама облаком углеродной плазмы и предохраняет поверхность W от испарения даже при существенно возросшей плотности энергии налетающей плазмы. Облучение мишеней с тепловыми нагрузками 0,82 MДж/м2 приводит к интенсивному плавлению вольфрама. Сетки макро-трещин и микро-трещин, а также волновые структуры появляются на повторно затвердевающей поверхности

Control of the compression zone position in plasma streams generated by MPC

This paper is devoted to the investigation of magnetohydrodynamic characteristics of plasma streams generated by a magnetoplasma compressor (MPC) and control mechanisms of a compression zone position. Nitrogen, helium, and argon were used as working gases. The measurement results of electric currents spatial distributions in the plasma streams identified that for helium (P = 10 Torr) both toroidal vortices and magnetic field displacement from the near-axis region are observed, then, the electric current direction reverses. Similar spatial structure of the electric currents was observed for helium with the initial pressure of 2 Torr. However, in this case, the electric current direction changes much earlier. The electric currents flow from 20 cm to 30 cm from the central electrode of MPC accelerating channel in the modes with nitrogen (P = 0.6 and P = 0.3 Torr). There are current vortices and a sizable magnetic field displacement at a distance of a 6 cm to 18 cm from the MPC output. The duration of a plasma stream generation is about two times less for helium than for the modes of operation with other gases.Метою статті є дослідження магнітогідродинамічних характеристик плазмових потоків, що генеруються магнітоплазмовим компресором (МПК), та механізмів керування положенням зони компресії. У якості робочих газів було використано азот, аргон та гелій. Результати вимірювання просторового розподілу електричних струмів у плазмовому потоці продемонстрували, що для гелію (Р = 10 Торр) спостерігаються як тороїдальні вихори струму, так і витіснення магнітного поля із приосьової області, з подальшою зміною напрямку протікання струму. Подібну просторову структуру електричних струмів було отримано і для гелію з початковим тиском 2 Торр. Проте, у цьому випадку, напрямок протікання струму змінюється значно раніше. У режимах роботи з азотом на залишковому газі (P = 0.6 та P = 0.3 Toрр) струми розповсюджується на відстані від 20 см до 30 см від центрального електроду прискорювального каналу МПК. Розвиваються вихори струму із подальшим витісненням магнітного із приосьової області на відстані від 6 см до 18 см від виходу МПК. Також виявлено, що для режимів роботи з гелієм час генерації плазмового потоку майже у два рази менше, порівняно з режимами роботи на інших газах.Целью этой статьи является исследование магнитогидродинамических характеристик плазменных потоков, генерируемых магнитоплазменным компрессором (МПК), и механизмов управления положением зоны компрессии. В качестве рабочих газов использовались азот, аргон и гелий. Было обнаружено, что для гелия (Р = 10 Торр) наблюдаются как тороидальные токовые вихри, так и вытеснение магнитного поля из приосевой области, с дальнейшей сменой направления протекания тока. Подобная пространственная структура электрических токов была получена и для гелия с начальным давлением 2 Торр. Однако, в этом случае, направление протекания тока меняется значительно раньше. В режимах работы с азотом при остаточном давлении (Р = 0.6 и Р = 0.3 Торр) токи распространяются на расстояния от 20 см до 30 см от центрального электрода ускорительного канала МПК. Происходит развитие токовых вихрей, с дальнейшим вытеснением магнитного поля из приосевой области на расстоянии от 6 см до 18 см от выхода МПК. Также было установлено, что для режимов работы с гелием время генерации плазменного потока почти в два раза меньше, в сравнении с режимами работы на других газах

Compression zone formation in magnetoplasma compressor operating with heavy gases

Present work is devoted to experimental investigations of the plasma compression zone dynamics and its influence on radiation characteristics. The construction of magneto-plasma compressor (MPC) of compact geometry with conical copper electrodes is described. Comprehensive information about dynamics of compression zone formation, it position, plasma parameters and geometric dimensions was obtained using spectral diagnostics. Plasma stream density ~ 10^18cm^-3 was measured by Stark broadening of Xe spectral lines. Electron temperature 5...7 eV was estimated using the ratio of Xe lines intensities. EUV radiation intensity was detected by registration system consisting on absolutely calibrated AXUV diodes with integrated thin-films filter for different wavelength ranges and multi-layered MoSi mirrors. Spatial distributions of electrical currents has been performed also.В центре внимания экспериментальные исследования динамики формирования плазменного пинча и его влияния на излучательные характеристики плазмы. Обсуждается конструкция магнито-плазменного компрессора (МПК) компактной геометрии с коническими медными электродами. Исчерпывающая информация о динамике формирования зоны сжатия, ее локализации, плазменных параметрах и геометрических размерах получена с помощью спектральной диагностики. Электронная плотность плазмы (~10^18 см^-3) измерена по штарковскому уширению спектральных линий Xe. Электронная температура (5...7 эВ) оценивалась по отношению интенсивностей спектральных линий Xe. Регистрирующая система, состоящая из абсолютно калиброванных AXUV диодов с покрытием для различных диапазонов длин волн и многослойного MoSi-зеркала, использовалась для регистрации ВУФ-излучения плазмы. Также представлены пространственные распределения электрических токов выноса.В центрі уваги експериментальні дослідження динаміки формування плазмового пінча і його впливу на випромінювальні характеристики плазми. Обговорюється конструкція магніто-плазмового компресора (МПК) компактної геометрії з конічними мідними електродами. Вичерпна інформація про динаміку формування компресійної зони, її локалізацію, плазмові параметри та геометричні розміри отримана за допомогою спектральної діагностики. Електронна густина плазми (~10^18 см^-3) виміряна із штарківського розширення спектральних ліній Xe. Електронна температура (5...7 еВ) визначалась по відношенню інтенсивностей спектральних ліній Xe. Реєструюча система, яка складається із абсолютно каліброваних AXUV діодів з покриттям для різних діапазонів довжин хвиль та багатошарового MoSi-дзеркала, використовувалась для реєстрації ВУФ-випромінювання плазми. Також представлено просторові розподіли електричних струмів

Diagnostic system for EUV radiation measurements from dense xenon plasma generated by MPC

Magnetoplasma compressor (MPC) of compact geometry has been designed and tested as a source of EUV radiation. In present paper diagnostic system for registration of EUV radiation is described. It was applied for radiation measurements in different operation modes of MPC. The registration system was designed on the base of combination of different types of AXUV photodiodes. Possibility to minimize the influence of electrons and ions flows from dense plasma stream on AXUV detector performance and results of the measurements has been discussed.Магнітоплазмовий компресор (МПК) компактної геометрії було розроблено і випробувано у якості джерела випромінювання ВУФ. У цій роботі описана діагностична система для реєстрації ВУФ-випромінювання. Проведено вимірювання ВУФ- випромінювання в різних режимах роботи МПК. Система реєстрації побудована на основі поєднання різних типів фотодіодів AXUV. Було досліджено вплив потоку електронів та іонів з плазми на поверхню детектора, а також видимого випромінювання на результати вимірювань.Магнитоплазменный компрессор (МПК) компактной геометрии был разработан и испытан в качестве источника излучения ВУФ. В настоящей работе описана диагностическая система для регистрации излучения ВУФ. Проведены измерения ВУФ-излучения в различных режимах работы МПК. Система регистрации построена на основе сочетания различных типов фотодиодов AXUV. Было исследовано влияние потока электронов и ионов из плазмы на поверхность детектора, а также видимого излучения на результаты измерений

Damage of 3D tungsten targets in the course of ITER ELM-like heat loads

The damage of tungsten target under repetitive plasma loads have been studied with a quasi-stationary plasma accelerator QSPA Kh-50. The target construction was close to the ITER divertor reference design. The plasma stream parameters were relevant to ITER ELMs (surface heat load of 0.9 MJ/m² and pulse duration of 0.25 ms). The features of surface erosion and particle emission have been investigated in the course of increasing number of plasma pulses. The number of solid/droplet particles separated from the exposed target and their dynamics depend on the applied exposition dose. The contribution of different erosion mechanisms to the tungsten target destruction was evaluated.Изучены повреждения вольфрамовой мишени при многократном облучении плазмой в квазистационарном плазменном ускорителе КСПУ Х-50. Мишень имела конструкцию, близкую к строению компонентов дивертора ИТЭР. Параметры потоков плазмы выбраны близкими к ELM в ИТЭР (тепловая нагрузка на поверхность составляла 0,9 МДж/м², длительность импульса – 0,25 мс). Исследованы особенности эрозии поверхности и эжекции капель при увеличении количества плазменных импульсов. Показано, что количество пыли/капель и динамика частиц, отделившихся от облучаемой мишени, зависят от дозы облучения. Анализируется вклад разных механизмов эрозии в разрушение вольфрамовой мишени.Вивчено пошкодження вольфрамової мішені під час багаторазового опромінення плазмою в квазістаціонарному плазмовому прискорювачі КСПП Х-50. Мішень мала конструкцію близьку до будови компонентів дивертора ІТЕР. Параметри потоків плазми обрані близькими до ELM в ІТЕР (теплове навантаження на поверхню становило 0,9 МДж/м², тривалість імпульсу – 0,25 мс). Досліджено особливості ерозії поверхні та ежекції крапель зі збільшенням кількості плазмових імпульсів. Показано, що число та динаміка пилу/крапель, які відокремилися від опромінюваної мішені, залежать від дози опромінення. Визначено внесок різних механізмів ерозії в руйнування вольфрамової мішені

Discharge parameters of magnetoplasma compressor: effect of external axial magnetic field

This paper reports the findings of our recent experiments on the evaluation of the external axial magnetic field effect on the discharge parameters of a magnetoplasma compressor (MPC). The discharge-voltage characteristics were obtained for varied magnitudes of an external axial magnetic field produced by a solenoid installed on the accelerating channel. Present experiments were carried out with helium (at the initial pressures of 2 and 10 Torr) and argon (at the initial pressure of 1 Torr) as working gases at different initial voltages. The external magnetic field varied up to 0.4 T. The discharge-voltage characteristics can be altered by the magnitude of the external magnetic field, as well as by the geometrical properties of an accelerating channel.Наведено результати експериментів з вивчення впливу зовнішнього поздовжнього магнітного поля на параметри розряду магнітоплазмового компресора (МПК). Вольт-амперні характеристики було отримано для різних значень зовнішнього поздовжнього магнітного поля, що створюється соленоїдом, який встановлено на прискорювальному каналі МПК. Експерименти було проведено з використанням гелію (за початкового тиску від 2 до 10 Торр) та аргону (за початкового тиску 1 Торр) у якості робочих газів за різних значень початкової напруги. Зовнішнє магнітне поле змінювалося до 0,4 Тл. Вольт-амперні характеристики можуть змінюватися залежно від величини зовнішнього поздовжнього магнітного поля, а також від геометричних параметрів прискорювального каналу.Представлены результаты экспериментов по изучению влияния внешнего продольного магнитного поля на параметры разряда магнитоплазменного компрессора (МПК). Вольт-амперные характеристики были получены для разных значений внешнего продольного магнитного поля, которое создаётся соленоидом, установленным на ускорительный канал МПК. Эксперименты проводились с использованием гелия (при начальном давлении от 2 до 10 Торр) и аргона (при начальном давлении 1 Торр) в качестве рабочих газов при разных начальных напряжениях. Внешнее магнитное поле менялось до 0,4 Тл. Вольт-амперные характеристики могут меняться в зависимости от величины внешнего продольного магнитного поля, а также от геометрических параметров ускорительного канала