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Experimental validation of reflectivity curve for a silicon carbide mirror in vacuum ultraviolet range and Prototype test of ITER divertor vacuum ultraviolet spectrometer

  • 김유관 (아주대학교 일반대학원)

초록/요약

As the global demand for sustainable and clean energy increases, nuclear fusion energy emerges as a promising solution, offering abundant fuel sources and minimal environmental impact. The ITER project stands at the forefront of nuclear fusion research, aiming to demonstrate the feasibility of large-scale nuclear fusion power. A critical component of ITER's diagnostic system is the Vacuum Ultraviolet (VUV) spectrometer system, which monitors impurity species and behavior within the reactor's divertor, core and edge regions to ensure optimal plasma performance and reactor safety. The prototype of the ITER divertor VUV spectrometer was installed in Korea Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR) fusion reactor and successfully measured high-Z impurities line emissions, tungsten (W). During the KSTAR campaign, it was also observed that the first mirror, made of Au, experienced surface degradation due to deposition from impurities and erosion from the high energy particles. Based on this results, we aimed to investigate the change in mirror reflectivity under the harsh environments predicted in ITER. This study focuses on the evaluation of components (specifically first mirror) for ITER VUV spectrometer systems, which must withstand the reactor's extreme environmental conditions, including high thermal loads, steam ingress, impurity deposition and erosion. Various mirror materials, gold-coated stainless steel 316L, nickel- phosphorus (Ni-P) plated stainless steel 316L, and silicon carbide (SiC), were subjected to rigorous thermal cycling and steam ingress tests. Results demonstrated that SiC mirrors exhibit superior thermal stability compared to gold-coated and Ni- P plated mirrors, making them the preferred choice for ITER's first mirror. Erosion resistance tests were conducted by exposing SiC mirror to high-energy hydrogen and deuterium plasmas, simulating the neutral particle flux expected in ITER. The SiC mirrors demonstrated excellent durability, with minimal surface damage and erosion. However, an upgraded device was developed to address issues such as the effect of the incidence angle of mirror and the need for precisely defined energy of particles. As a result, a deuterium arc plasma-based ion irradiation system was developed to simulate ion-induced damage, successfully maintaining stable long-term operation. Further investigation was conducted under impurity deposition conditions, using aluminum as a surrogate for beryllium (the main component of impurity in ITER). It was found that the reflectivity drops below the threshold value, causing degradation of reflectivity of mirror when only 10 nm thick impurity deposition layer forms on the SiC mirror. To address impurity deposition, a mock-up baffled duct structure and inclined angle mirror was experimentally evaluated, confirmed that the deposition on the mirror could be reduced by a mitigation factor value of 1.25E4. Finally, reflectivity validation of SiC sample mirror within the VUV wavelength range were performed using a spectrometer and charge coupled device (CCD) set-ups. Based on the evaluation of the mirror under various ITER conditions, it was determined that the SiC mirror could be used throughout the ITER lifetime without replacement, as the material for the first mirror of ITER VUV spectrometers.

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초록/요약

전 세계적으로 지속 가능하고 청정한 에너지에 대한 수요가 증대됨에 따라, 핵융합 에너지가 풍부한 연료 공급원과 친환경에너지로 유망한 해결책으로 부상하고 있습니다. ITER 프로젝트는 대규모 핵융합 발전의 실현 가능성을 입증하는 것을 목표로 핵융합 연구의 최전선에 서 있습니다. ITER 의 진단 시스템의 핵심 구성 요소 중 하나는 진공 자외선(VUV) 분광기 시스템으로, 플라즈마의 최적의 성능과 원자로 안전성을 보장하기 위해 원자로의 디버터, 코어, 엣지의 영역 내 불순물 종 및 거동을 모니터링합니다. ITER 디버터 VUV 분광기의 프로토타입은 한국 초전도 핵융합 연구장치(KSTAR) 핵융합 반응기에 설치되었으며, High-Z 불순물 방출선 (텅스텐)을 성공적으로 측정했습니다. KSTAR 실험 캠페인 기간 동안, 금 (Au)으로 제작된 일차 거울이 고에너지 입자에 의한 침식 및 불순물 증착에 의해 표면의 오염이 발생하는 것도 관찰되었습니다. 이러한 결과를 바탕으로, ITER 에서 예상되는 가혹한 환경에서의 일차 거울의 반사율 변화를 조사하는 것을 목표로 했습니다. 본 연구는 ITER 진공 자외선 분광기 시스템의 구성 요소 (특히 일차 거울)의 평가에 초점을 맞추었으며, 이는 높은 열 부하, 증기의 침투, 불순물 증착 및 침식 등 원자로의 극한 환경을 견뎌야 합니다. 다양한 거울의 소재 (금/스테인리스 스틸316L, 니켈-인(Ni-P)/스테인리스 스틸 316L, 실리콘 카바이드(SiC))가 반복되는 열 주기 실험 및 증기 침투 실험을 거쳤습니다. 그 결과, SiC 거울은 금 및 Ni-P 거울에 비해 우수한 안정성을 보였으며, ITER 디버터 진공자외선 분광기의 일차 거울의 재료로 결정되었습니다. 고에너지로 인한 거울 표면의 침식에 대한 저항성 테스트는 SiC 거울을 고에너지 수소 및 중수소 플라즈마에 노출시켜 ITER 에서 예상되는 중성 입자 플럭스를 시뮬레이션함으로써 수행되었습니다. SiC 거울은 최소한의 표면 손상과 침식으로 우수한 내구성을 보여주었습니다. 그러나 기존 설정에서 미러 각도의 영향 및 중성 입자의 에너지를 정확히 조정해야 하는 필요성과 같은 문제를 해결하기 위해 새로운 장치가 개발되었습니다. 이에 따라 중수소 아크 플라즈마 기반 이온 조사 시스템이 개발되어 이온에 의한 손상을 시뮬레이션하고 안정적인 장기 운용을 성공적으 로 유지했습니다. 이 장치를 통해 추후에 SiC 거울에 요구되는 에너지의 이 온이 방사되어 표면의 변화 및 반사율 변화를 확인할 수 있을 것으로 예상된다. 또한, 불순물 증착 조건에서, ITER 의 주요 불순물 성분인 베릴륨의 대체물로 알루미늄을 사용하여 추가 실험이 진행되었습니다. 실험 결과, SiC 거울 표면에 불순물이 10 nm 두께로 증착되었을 때 반사율이 임계값 아래로 떨어지며, 거울의 기능을 잃게 되는 것을 확인할 수 있었습니다. 불순물 증착 문제를 해결하기 위해, 배플 덕트 구조와 거울의 입사 각도에 따른 효과를 실험적으로 평가한 결과, 일차 거울로 유입되는 불순물의 총량의 완화효과 계수 1.25E4 를 가지게 되는 것을 확인할 수 있었다. 마지막으로, VUV 파장 범위 내에서 SiC 샘플 거울의 반사율 검증을 분광기 및 CCD 장치를 통한 장치 개발을 통해 진행되었습니다. ITER 환경에서 미러를 다양한 조건하에 평가한 결과, SiC 거울은 ITER 수명 기간 동안 교체 없이 사용할 수 있는 ITER 진공자외선 분광기의 일차 거울의 재료로 적합하다는 결론을 내렸습니다.

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목차

Chapter 1. Introduction 1
1.1. Nuclear Fusion 1
1.2. ITER project 3
1.3. ITER Vacuum Ultraviolet (VUV) spectrometers 5
1.3.1. Role of the ITER VUV spectrometers 5
1.3.2. First mirror of ITER VUV spectrometers 7
1.4. Reference 10
Chapter 2. Prototype test of ITER divertor VUV spectrometer 12
2.1. Introduction 12
2.2. The design of the upgraded KSTAR divertor VUV spectrometer 14
2.3. Results of the KSTAR divertor VUV spectrometer experiment 19
2.3.1. 2024 KSTAR campaign with tungsten divertor 19
2.4. Reference 26
Chapter 3. Preliminary experiments for the selection of first mirror material and evaluation of impurity erosion effects 27
3.1. Material selection for the first mirror under thermal cycling and steam ingress test 27
3.1.1. Candidate materials for the first mirror 27
3.1.2. Fabrication of the candidate first mirror 29
3.1.3. Test conditions and procedures 31
3.1.4. Results and discussions 36
3.1.5. Conclusion 45
3.2. Erosion resistance test of SiC first mirror with AF-MPD thruster 47
3.2.1. Introduction 47
3.2.2. Reflectivity curves for various surface roughness of SiC mirror 48
3.2.3. Estimation of the neutral particle fluxes on the location of the first mirror 50
3.2.4. Experimental set-ups 51
3.2.5. Results and discussions 53
3.2.6. Conclusion 56
3.3. Development of an upgraded ion beam irradiation system 57
3.3.1. Requirements of an ion beam irradiation system 57
3.3.2. Experimental set-ups 59
3.3.3. Results and discussions 64
3.3.4. Conclusion 69
3.4. Reference 70
Chapter 4. Evaluation of the impurity deposition-induced changes on the first mirror 71
4.1. Introduction 71
4.2. Experimental details 72
4.2.1. Fabrication of candidate mirrors for the first mirror 72
4.2.2. Preparation of an Al thermal evaporation source 73
4.3. Changes in surface morphology and roughness of Al-deposited mirrors with varying Al thickness 74
4.3.1. Surface morphology changes of Al-deposited mirrors 74
4.3.2. Surface roughness changes of Al-deposited mirrors 78
4.4. Reflectivity calculation of the impurity-deposited first mirror in the ITER environment 79
4.4.1. The assumptions for the reflectivity calculation of impurities-deposited first mirror in ITER conditions 79
4.4.2. Calculation of the reflectivity of Be and BeO impurities-deposited first mirror in ITER conditions 81
4.5. The estimation of the required mitigation factor for the first mirror 83
4.6. Conclusion 86
4.7. Reference 87
Chapter 5. Experimental evaluation of mirror protection design of ITER divertor VUV spectrometer focusing on impurity deposition mitigation 88
5.1. Introduction 88
5.2. Experimental set-ups 90
5.2.1. The structure of the duct with the baffles for the evaluation on mitigation of impurity deposition 90
5.2.2. Structure set-ups for the evaluation of the effects of first mirror angle on impurity deposition 92
5.3. The effects of the passive mitigation strategy on the first mirror 93
5.3.1. Theoretical consideration and calculation on the screening effect of the duct 93
5.3.2. The experimental evaluation of the baffles in the duct on mitigating impurity deposition 97
5.3.3. The experimental evaluation of incident angle to the mirror on mitigating impurity deposition 100
5.4. Conclusion 102
5.5. Reference 104
Chapter 6. Reflectivity evaluation of SiC first mirror under VUV wavelength range 105
6.1. Introduction 105
6.2. Preparation of the SiC mirror sample 106
6.3. Light source 107
6.4. Reflectivity measurement device set-ups 110
6.4.1. Slit chamber 110
6.4.2. Grating chamber 112
6.4.3. Mirror chamber 113
6.5. Reflectivity of a SiC sample within ITER required condition 115
6.6. Possible factors influencing the reflectivity of SiC sample mirror 117
6.6.1. Inconsistency in sensitivity between two CCDs 117
6.6.2. Formation of oxidation layer on SiC mirror 118
6.6.3. VUV photon efficiency according to the incidence angle to BI-CCD chip (E2V) 123
6.7. Conclusion 123
6.8. Reference 124
Curriculum Vitae 125
Abstract in Korean 127

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