авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Макроскопическая эрозия материалов при их облучении интенсивными потоками плазмы

-- [ Страница 1 ] --


На правах рукописи

КЛИМОВ НИКОЛАЙ СЕРГЕЕВИЧ

Макроскопическая эрозия материалов при их облучении интенсивными потоками плазмы

Специальность 01.04.08 — «Физика плазмы»

Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук

Троицк – 2011

Работа выполнена в ФГУП «Государственный научный центр Российской Федерации Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований».

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук
В. М. Сафронов
(ГНЦ РФ ТРИНИТИ)
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук
В. П. Будаев
(НИЦ «Курчатовский институт»)
доктор физико-математических наук,
профессор Д. Д. Малюта
(ГНЦ РФ ТРИНИТИ)
Ведущая организация: Национальный исследовательский ядерный университет «Московский инженерно-физический институт»

Защита состоится «____» _____________ 2011 г. в _____ час. _____ мин. на заседании диссертационного совета ДС 201.004.01 в Государственном научном центре Российской Федерации Троицком институте инновационных и термоядерных исследований (ГНЦ РФ ТРИНИТИ) по адресу: 142190, Московская область, г. Троицк, ул. Пушковых, владение 12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ ТРИНИТИ.

Ученый секретарь
диссертационного совета
кандидат физико-математических наук


А. А. Ежов

Автореферат разослан «____» _______________ 2011 г.

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Одной из ключевых задач в создании термоядерного реактора на основе токамака является выбор обращенных к плазме материалов, которые должны противостоять как стационарному плазменно-тепловому воздействию, мощностью до 20 МВт/м2, так и интенсивному импульсному, длительностью 0,1 – 10 мс и мощностью 1 – 10 ГВт/м2. Эрозия защитных покрытий дивертора и первой стенки при таких нагрузках является, в частности, одной из нерешенных проблем проекта ИТЭР 1.

При импульсных тепловых нагрузках наибольшую опасность представляет эрозия, обусловленная макроскопическими механизмами, характеризующимися существенно более низким значением удельной энергии, расходуемой на эрозию материала, по сравнению с испарением и распылением. Под макроскопическими механизмами понимается движение расплавленного слоя, которое может приводить к выбросу капель, а также хрупкое разрушение, которое, в свою очередь, может сопровождаться выбросом осколков.

Макроскопические механизмы приводят к эрозии материала как напрямую, в результате уноса вещества осколками и каплями, переносу материала при движении расплава, так и косвенно, в результате накопления трещин в материале, его фрагментации, изменения рельефа поверхности и, как следствие, увеличению скорости испарения и распыления. Указанные процессы не только ограничивают ресурс защитных покрытий вакуумной камеры токамака, но и являются причиной образования мелкодисперсных продуктов эрозии, накопление которых представляет самостоятельную проблему.



В настоящее время опытных данных о макроскопической эрозии материалов недостаточно для построения расчетных моделей, позволяющих прогнозировать скорость эрозии, а также количество и состав продуктов эрозии в токамаке с реакторными параметрами. Таким образом, тема диссертационной работы является актуальной и представляет практический интерес.

Объект и предмет исследования

Под эрозией покрытия понимается как уменьшение его толщины, так и ухудшение эксплуатационных характеристик. Можно различать микроскопическую и макроскопическую эрозию. В случае микроскопической эрозии удаление вещества с облучаемой поверхности происходит в виде атомарных частиц (ионов, атомов, молекул и молекулярных кластеров), а в случае макроскопической эрозии — в виде макроскопических частиц (капель и осколков), а также за счет перемещения расплавленного слоя. Макроскопическая эрозия характеризуется удельными потерями массы, скоростью утончения покрытия, а также параметрами микрорельефа поверхности, образующихся дефектов (трещин) и продуктов эрозии.

Объектом исследования в данной работе является макроскопическая эрозия материалов при их облучении интенсивными потоками плазмы, а предметом — характеристики макроскопической эрозии в зависимости от параметров плазменного воздействия. Первоочередное внимание уделено вольфраму и углеродно-волокнистому композиту, являющимися основными материалами для защиты наиболее теплонапряженных участков вакуумной камеры токамака ИТЭР.

Цель и задачи исследования

Целью данной работы является экспериментальное исследование макроскопической эрозии материалов при воздействии потоков плазмы с параметрами, характерными для импульсных переходных плазменных процессов в токамаке-реакторе 2.

Для достижения данной цели предполагалось решить следующие задачи:

  1. Осуществить экспериментальное моделирование плазменно-тепловых нагрузок, характерных для импульсных переходных плазменных процессов в токамаке с реакторными параметрами.
  2. Выявить доминирующие механизмы разрушения материалов в зависимости от параметров плазменного воздействия. Определить условия, при которых наблюдается макроскопическая эрозия, и исследовать ее свойства на качественном уровне.
  3. Измерить количественные характеристики макроскопической эрозии материалов в зависимости от параметров плазменного воздействия. Оценить вклад макроскопических механизмов в общую эрозию материалов.
  4. Измерить количественные характеристики продуктов макроскопической эрозии в зависимости от параметров плазменного воздействия.
  5. Провести сопоставление полученных экспериментальных данных с расчетно-теоретическими моделями.

Методы исследования

На существующих токамаках не достигаются импульсные плазменно-тепловые нагрузки, ожидаемые в токамаке-реакторе. Экспериментальное моделирование таких нагрузок осуществляется на установках другого типа. В данной работе для подобного моделирования использовался плазменный ускоритель, а в качестве основных параметров моделирования выбраны плотность энергии, приходящая на поверхность материала, и длительность воздействия. Эти параметры определяют динамику температуры в материале, а вместе с ней и ряд характеристик, влияющих на процессы макроскопической эрозии (толщина и время существования расплавленного слоя, механические напряжения и др.). Для контроля основных параметров разрабатывались средства диагностики, с использованием которых выбирались режимы работы плазменного ускорителя. В этих режимах измерялись характеристики эрозии в зависимости от величины тепловой нагрузки и числа воздействий, а также параметры плазмы, необходимые для корректной интерпретации экспериментальных данных. Определялись условия, при которых те или иные макроскопические процессы играют доминирующую роль.

Выносимые на защиту положения

  1. На защиту выносятся результаты измерения характеристик потока водородной плазмы КСПУ и параметров плазменного воздействия, свидетельствующие о том, что предложенная в работе схема эксперимента обеспечивает плазменно-тепловые нагрузки на материалы 0,2   2,5 МДж/м2, длительностью 0,5 мс, характерные для импульсных переходных плазменных процессов токамака ИТЭР.
  2. Основным механизмом эрозии углеродно-волокнистого композита, приводящим к потерям массы при его облучении потоком плазмы, является разрушение участков с волокнами, ориентированными вдоль поверхности. Отношение измеренной скорости эрозии этих волокон к расчетной скорости их испарения уменьшается с 20 до 0,2 с ростом тепловой нагрузки в интервале 0,6  1,5 МДж/м2, что объясняется деградацией теплопроводности поверхностного слоя вследствие формирования трещин и эффектом экранировки поверхности испаренным углеродом.
  3. Основным механизмом эрозии фрагментированных защитных покрытий из вольфрама при их облучении потоком плазмы является движение расплавленного слоя по поверхности, которое имеет место даже при нагрузках ниже порога плавления основной поверхности фрагментов вследствие плавления их кромок. Движение расплава приводит к выбросу капель, определяющему потери массы. Потери массы лантанированного вольфрама существенно превосходят потери массы чистого вольфрама.
  4. При плазменном облучении сплошных металлических мишеней (сталь, ниобий, вольфрам), скорость утончения мишеней за счет перемещения расплава по поверхности существенно превосходит скорость эрозии, обусловленную выбросом капель и испарением.
  5. Выброс капель с поверхности вольфрама начинается при плазменной нагрузке выше порога плавления, но ниже порога кипения. Капли имеют компоненту скорости перпендикулярную к облучаемой поверхности, сопоставимую с модулем скорости капель, лежащем в интервале 1  20 м/с. Результаты измерения распределений капель вольфрама по скорости и размерам свидетельствуют о том, что формирование капель обусловлено развитием гидродинамических неустойчивостей в жидкометаллическом слое.
  6. Образование трещин на поверхности вольфрама начинается при плазменной нагрузке ниже порога плавления. На поверхности образуются трещины двух типов — первичные и вторичные, которые формируют сетку с характерным размером ячеек соответственно 1  2 мм и 100  300 мкм, и характерным значением глубины проникновения в материал соответственно 500 мкм и 50 мкм, причем глубина первичных трещин существенно превышает толщину рекристаллизованного слоя.

Научная новизна работы состоит в том, что представленные экспериментальные исследования эрозии материалов относятся к интервалу плазменно-тепловой нагрузки 0,2-5 МДж/м2 при длительности воздействия 0,5 мс, что отличает ее как от аналогичных работ с использованием электронных пучков 3, характеризующихся другими механизмами передачи энергии на поверхность, так и от работ по исследованию эрозии на плазменных ускорителях с меньшей длительностью импульса 4, 5. В экспериментах использовались макеты фрагментированных защитных покрытий дивертора, изготовленные в соответствии с новейшими требованиями, принятыми для проекта ИТЭР. В данной работе, в частности:

  1. Зарегистрирован разлет капель с поверхности вольфрама, образующихся под воздействием потока плазмы, в реальном масштабе времени. Разработанная методика, в отличие от работ по сбору капель на специальные коллектора 6, позволила не только определить условия выброса капель, но и измерить интенсивность их выброса, а также изучить характеристики капель, такие как размер, скорость и угол вылета, время и место образования. Полученные данные, в свою очередь, позволили провести количественное сравнение с предсказаниями аналитических моделей и сделать выводы о механизмах образования капель.
  2. В рамках одного эксперимента, за счет достаточно большого числа импульсов (до 1000), измерена скорость эрозии углеродно-волокнистого композита для диапазона тепловой нагрузки 0,2-2,3 МДж/м2, что позволило осуществить количественное сопоставление экспериментальных и расчетных данных, в результате которого, в частности, было установлено, что существенная эрозия наблюдается при нагрузке в 3,5 раза ниже расчетной.
  3. На макетах фрагментированных защитных покрытий из чистого и лантанированного вольфрама зарегистрирована многоуровневая структура трещин, формирующаяся в результате плазменного облучения, измерены пороги образования и характеристики трещин, что позволило провести количественное сопоставление экспериментальных и расчетных данных и сделать выводы о механизме образования трещин.

Достоверность полученных результатов проверялась путем сопоставления с результатами численного моделирования и, в тех случаях, когда это допустимо, с результатами, полученными в экспериментах на электронных пучках, импульсных и квазистационарных плазменных ускорителях.





Теоретическая значимость и практическая ценность работы

Работа представляет практический интерес для разработки термоядерного реактора на основе токамака и других устройств, в которых присутствует интенсивное плазменно-тепловое воздействие на элементы конструкций, в частности, для международного проекта ИТЭР и национальной программы по УТС. Полученные данные позволяют оценить ресурс защитных покрытий и количество образующихся продуктов эрозии (пыли). Результаты работы могут быть использованы для выбора материалов защитных покрытий и приемлемых режимов работы токамака.

Экспериментальные данные, полученные в работе, были использованы для разработки расчетно-теоретических моделей макроскопической эрозии материалов и верификации численных кодов, которые применяются для прогнозирования величины эрозии и количества ее продуктов в ИТЭР: PEGASUS 7, MEMOS 8, PHEMOBRID 9. Результаты работы использовались также для обоснования улучшенных модификаций защитных покрытий дивертора ИТЭР на основе вольфрама и углеродно-волокнистого композита.

Апробация работы и публикации

Результаты работы были представлены на следующих международных конференциях: 16-я, 17-я, 18-я и 19-я Конференции по взаимодействию плазмы с поверхностью в термоядерных установках (Plasma-Surface Interaction in Controlled Fusion Devices, 2004, 2006, 2008, 2010 гг.), 21-я Конференция МАГАТЭ по УТС (2006 г.), 33-я Конференция Европейского физического общества по физике плазмы (2006 г.), 26-й Симпозиум по технологии УТС (Symposium on Fusion Technology, 2010 г.), 37-я и 38-я Звенигородские конференции по физике плазмы и УТС (2010 и 2011 гг.). Докладывались на научной сессии МИФИ в 2005 – 2010 гг., обсуждались на семинарах в ГНЦ РФ ТРИНИТИ, РНЦ «Курчатовский институт», НИИЭФА, МИФИ. Опубликованы в виде статей в журналах «Вопросы атомной науки и техники», «Journal of Nuclear Materials», «Fusion Engineering and Design», «Physica Scripta», «Ядерная физика и инжиниринг», а также в трудах упомянутых конференций.

Личный вклад автора

Все экспериментальные результаты, представленные в диссертации, были получены при непосредственном участии автора, его вклад в этой части работы являлся определяющим и заключался в постановке задач, разработке методик, подготовке диагностик, проведении экспериментов, обработке и анализе данных. Автор принимал участие в разработке расчетно-теоретических моделей, а ряд одномерных и двумерных расчетов выполнены им лично. На основании полученных данных автором сформулированы и обоснованы выводы диссертации.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованных источников. Работа содержит 209 страниц текста, в том числе 97 рисунков, 11 таблиц и ссылки на 158 источников.

II. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведено обоснование актуальности темы, цели и задач исследования, а также выбранных методов исследования. Сформулированы объект и предмет исследования, обозначены научная новизна, теоретическая значимость, практическая ценность, личный вклад автора, представлены положения, выносимые на защиту, приведена информация об апробации работы, публикациях, структуре диссертационной работы.

Первая глава представляет собой обзор литературы, который включает в себя три раздела. В первом разделе приведен анализ современных данных о параметрах импульсных переходных плазменных процессов токамака, в частности, о тепловых нагрузках на обращенные к плазме материалы. Во втором — анализ различных методов экспериментального моделирования таких нагрузок, наиболее эффективные из которых основаны на использовании электронных пучков, импульсных и квазистационарных плазменных ускорителей. В третьем разделе — анализ информации об эрозии материалов, полученной в результате экспериментального и численного моделирования.

Согласно анализу, типичная для токамаков с дивертором форма теплового импульса во время ЭЛМ-событий 1 или тепловой стадии срыва имеет начальный участок интенсивного роста и последующий более длительный участок спада. Отношение энергии первого к полной энергии импульса варьируется от 15 до 40%. Ожидается, что в токамаке реакторного масштаба ИТЭР во время ЭЛМ-событий 1-го типа характерная ширина (на полувысоте) распределения энергии по поверхности диверторных пластин в полоидальном направлении будет порядка нескольких сантиметров, а тепловая нагрузка будет лежать в интервале 0,5 – 3 МДж/м2 при длительности воздействия 0,1 – 1 мс. Во время тепловой стадии срыва будет происходить значительное (более чем в пять раз) увеличение ширины распределения, а тепловая нагрузка будет лежать в интервале 1 – 30 МДж/м2 при длительности 1 – 10 мс 10.

Во второй главе рассмотрена предложенная в работе схема эксперимента по моделированию импульсных плазменно-тепловых нагрузок на обращенные к плазме материалы токамака, в которой (рисунок 1 а) поток водородной плазмы, сформированный квазистационарным сильноточным плазменным ускорителем (КСПУ) 11, падает на поверхность мишени, расположенную на известном расстоянии от ускорителя. Мишени представляют собой макеты защитных покрытий токамака с фрагментированным покрытием из вольфрама или углеродно-волокнистого композита, изготовленные в соответствии с требованиями, принятыми для экспериментального термоядерного реактора ИТЭР. Размер обращенной к плазме поверхности покрытия 60Х150 мм, а его фрагментов 10Х10 и 20Х20 мм. Плотность энергии на поверхности мишени и длительность воздействия выбраны в качестве основных параметров экспериментального моделирования.

  Схема эксперимента (а) и-0

Рисунок 1 – Схема эксперимента (а) и характеристики плазменного воздействия (б – типичные профили тепловой нагрузки, в – плотность энергии на оси при разных углах падения потока плазмы, г – характерный импульс давления)

Для измерения локального значения тепловой нагрузки были разработаны и применены многоканальные термопарные калориметры с пространственным разрешением, а для определения длительности воздействия использовались датчики давления на основе пьезокерамики. Подобные датчики использовалась также для контроля расхода газа. Скорость потока плазмы измерялась по времяпролетной методике, основанной на регистрации излучения плазмы. Информация о расходе газа, давлении и скорости потока плазмы, в свою очередь, использовалась для оценки плотности плазмы, энергосодержания, а также направленной энергии ионов потока плазмы.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:









 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.