The paper presents experimental studies of a shielding plasma layer formation in front of a tungsten surface exposed with hydrogen plasma in the QSPA-M test-bed facility under the conditions of additional seeding of argon (Ar) along the target surface into the zone of plasma-surface interaction. A pulsed gas injector on the base of a fast electromagnetic valve has been developed for the local injection of Ar. The injector is capable of generating a homogeneous argon gas flow with a maximum concentration above nAr = 6 × 1023 m−3 and a pulse duration of 0.5 ms. It is shown that the increase in the argon gas density in front of the surface leads to an essential decrease (in 1.5–2 times) in the energy load delivered to the target surface. In the presence of a strong magnetic field (up to 1 T), both the thickness of the shielding layer and the fraction of energy dissipated by the shield increase further. Even for moderate energy densities of the QSPA plasma streams in the experiments with Ar gas injection, less than 40% of the impacting plasma load is absorbed by the tungsten surface. The results demonstrate that this additional shielding attributed to the formation of a dense Ar plasma layer in front of the exposed W surface would be favourable for the divertor armour performance, causing the decreasing erosion of plasma-facing components in the course of transient events in a fusion reactor.
本論文は、QSPA-M試験設備において、ターゲット表面に沿ってプラズマ・表面相互作用領域へアルゴン(Ar)を追加シーディングした条件下で、水素プラズマに曝露されたタングステン表面の前方におけるシールドプラズマ層の形成に関する実験的研究を提示する。高速電磁弁に基づくパルスガスインジェクタが、Arの局所注入のために開発された。このインジェクタは、最大濃度がnAr = 6 × 1023 m−3を超え、パルス持続時間が0.5 msの均一なアルゴンガス流を生成することができる。表面の前方におけるアルゴンガス密度の増加は、ターゲット表面に到達するエネルギー負荷を本質的に(1.5〜2倍)減少させることが示される。強い磁場(最大1T)の存在下では、シールド層の厚さとシールドによって散逸されるエネルギーの割合の両方がさらに増加する。Arガス注入を用いた実験におけるQSPAプラズマ流の穏やかなエネルギー密度であっても、入射するプラズマ負荷の40%未満しかタングステン表面に吸収されない。これらの結果は、曝露されたW表面の前方に形成される高密度Arプラズマ層に起因する追加のシールドが、ダイバータアーマーの性能にとって有利であり、核融合炉における過渡事象の過程でのプラズマ対向部品の侵食を低減させることを示している。