Fyzika a chemie nízkoteplotního plazmatu pro čištění reaktoru tokamaku od tekutých kovů

• Název práce v češtině: Fyzika a chemie nízkoteplotního plazmatu pro čištění reaktoru tokamaku od tekutých kovů
• Název v anglickém jazyce: Low-temperature plasma physics and chemistry for cleaning tokamak vessel from liquid metals
• Akademický rok vypsání: 2024/2025
• Typ práce: diplomová práce
• Ústav: Katedra fyziky povrchů a plazmatu (32-KFPP)
• Vedoucí / školitel: prof. RNDr. Milan Tichý, DrSc.
• Konzultanti: doc. Mgr. Pavel Kudrna, Dr.

Zásady pro vypracování

1) Seznámení se s experimentální aparaturou.
2) Vytvoření vzorků s vrstvou cínu různými depozičními metodami.
3) Aplikace proudícího plazmatu na vzorky za různých experimentálních podmínek.
4) Studium vzorků před a po interakci pomocí dostupných metod analýzy povrchů.
5) Vypracování písemné zprávy.

Seznam odborné literatury

[1] J. Čečrdle, Simulation of behavior of liquid metal divertor heat shield on tokamak COMPASS Upgrade, Czech Technical University, Master thesis 2021.
[2] J. Horacek et al. Phys. Scr. 96 (2021) 124013.
[3] A. Manhard et al., Nucl. Fusion 60 106007 (2020).
[4] W. Ou et al., Nucl. Fusion 61 (2021) 066030.
[5] Lieberman M.A., Lichtenberg A.J., Principles of Plasma Discharges and Material Processing, John Wiley and Sons, Inc., 2005, ISBN 0-471-72001-1.
Další časopisecká literatura podle dohody s vedoucím práce.

Předběžná náplň práce

Součásti první stěny z tekutých kovů v zařízeních typu tokamak jsou vysoce odolné a současně působí jako chladicí médium. Pro ITER a DEMO tokamaky jsou plánovány divertory tokamaků z tekutých kovů využívající lithium nebo cín. Cín (Sn) je dobrým kandidátem díky svému nízkému tlaku par, nízké reaktivitě s vodíkem a dobré odolnosti vůči interakci s neutrony. Nevýhodou je vyšší přítok nečistot do plazmatu a kondenzace par kovu na stěně tokamaku. Čištění usazenin ze stěn nádoby představuje problém, který musí být vyřešen v systémech využívajících tokamakový divertor tokamaku s tekutým kovem.
Cílem navrhované práce je systematické studium chování pevného vzorku Sn vystaveného nízkoteplotnímu proudícímu výbojovému plazmatu ve vzácných a molekulárních plynech, např. Ar, Kr, H2, N2, se zaměřením na erozi a/nebo opětovné ukládání cínu. Vzorky budou připraveny odpařováním nebo magnetronovým naprašováním Sn na nerezové substráty ve vysokovakuovém systému odděleném od výbojové vakuové nádoby a poté vystaveny proudícímu hustému výbojovému plazmatu. Připravené i zpracované vzorky budou studovány pomocí metod povrchové analýzy.
Pro studium bude použit UHV systém s generováním nízkoteplotního plazmatu plazmovou tryskou, magnetronem a termionickou katodou. Potřebné experimentální zařízení v naší laboratoři je plně funkční. Téma bylo navrženo k financování Grantové agentuře ČR.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

Liquid metals plasma facing components in tokamak devices are highly resistant and simultaneously act as a cooling medium. Liquid metal tokamak divertors using lithium or tin are planned for ITER as well as for DEMO tokamaks. Tin (Sn) is a good candidate due to its low vapor pressure, low reactivity with hydrogen and good resilience to neutron impact. A disadvantage is higher impurity influx into the plasma and condensation of the metal vapors on the tokamak wall. Cleaning the deposit off the vessel walls presents a problem that must be solved in systems using a liquid metal tokamak divertor.
The goal of the proposed work is a systematic study of the behavior of the solid Sn sample exposed to the low-temperature flowing discharge plasma in rare and molecular gases, e.g. Ar, N2, with a focus on tin erosion and/or re-deposition. Samples will be prepared by evaporation or magnetron sputtering of Sn on stainless-steel substrates in a high vacuum system separated from the discharge vacuum vessel and then exposed to the flowing high density discharge plasma. The prepared as well as the processed samples will be studied using the surface analysis methods.
For the study will be used the UHV system with generation of low-temperature plasma by a plasma-jet, magnetron and a thermionic cathode; see figure. The needed experimental equipment in our laboratory is fully functional. The topic was proposed for financing to the Czech Science Foundation.

Instructions:
1) Getting to know the experimental apparatus.
2) Creation of samples with a layer of tin by various deposition methods.
3) Application of flowing plasma to the samples at different experimental conditions.
4) Study of samples before and after interaction using available surface analysis methods.
5) Elaboration of a written report.