Макроскопическая эрозия материалов при их облучении интенсивными потоками плазмы

• Автор: Климов, Николай Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Троицк
• Количество страниц: 209 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1. Обзор литературы
1.1. Импульсные плазменно-тепловые нагрузки на материалы защитных покрытий дивертора ИТЭР
1.2. Экспериментальное моделирование плазменно-тепловых нагрузок, характерных для импульсных плазменных процессов ИТЭР
1.3. Эрозия материалов при нагрузках, характерных для импульсных плазменных процессов ИТЭР
1.4. Заключение к главе
Глава 2. Экспериментальное моделирование импульсных плазменных тепловых нагрузок ИТЭР на квазистационарном плазменном ускорителе
2.1. Схема эксперимента по моделированию импульсных плазменнотепловых нагрузок
2.1.1. Квазистационарный сильноточный плазменный ускоритель с
собственным магнитным полем КСПУ-Т
2.1.2. Макеты защитных покрытий дивертора ИТЭР
2.2. Тепловые нагрузки на поверхность материалов
2.3. Параметры потока плазмы
2.3.1. Расход газа и давление потока плазмы
2.3.2. Скорость и энергосодержание потока плазмы
2.4. Численный расчет динамики нагрева материалов тепловым импульсом
2.4.1. Методика расчета динамики нагрева
2.4.2. Исходные данные для расчетов. Влияние формы импульса.
Сравнение с ИТЭР
2.4.3. Результаты расчетов
2.5. Заключение к главе
Г лава 3. Эрозия макетов защитных покрытий дивертора ИТЭР
3.1. Условия эксперимента. Порядок облучения и обследования макетов

3.2. Механизмы эрозии вольфрама
3.2.1. Эрозия вольфрама в результате плавления
3.2.2. Хрупкое разрушение вольфрама
3.3. Механизмы эрозии углеродно-волокнистого композита
3.4. Анализ экспериментальных данных и сопоставление с расчетнотеоретическими моделями
3.4.1. Порог плавления вольфрама
3.4.2. Движение расплавленного слоя
3.4.3. Хрупкое разрушение материалов
3.4.4. Скорость эрозии углеродно-волокнистого композита
3.5. Заключение к главе
Г лава 4. Эрозия материалов, обусловленная движением
расплавленного слоя
4.1. Условия эксперимента. Порядок облучения и обследования
металлических мишеней
4.2. Эрозия, связанная с потерями материала
4.3. Эрозия, связанная с перемещением материала
4.4. Сопоставление с двумерными расчетами
4.5. Заключение к главе
Глава 5. Капельная эрозия материалов
5.1. Схема регистрации продуктов макроскопической эрозии
5.2. Интенсивность выброса капель
5.3. Количественные характеристики капель
5.4. Сопоставление с теоретическими моделями
5.4.1. Инерционный отрыв расплавленного слоя
5.4.2. Неустойчивость Рэлея-Тейлора
5.4.3. Неустойчивость Кельвина-Г ельмгольца
5.5. Заключение к главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Список использованных источников
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность выбранной 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 материалов защитных покрытий вакуумной камеры токамака при таких нагрузках является, в частности, одной из нерешенных проблем проекта ИТЭР (Международный термоядерный экспериментальный реактор) [1 — 3]. Такие материалы как вольфрам и углеродно-волокнистый композит выбраны для защиты дивертора, а бериллий — для защиты первой стенки ИТЭР. Однако экспериментальных данных недостаточно для того, чтобы определить скорость эрозии данных материалов и оценить ресурс защитных покрытий.
При импульсных тепловых нагрузках наибольшую опасность представляет эрозия, обусловленная макроскопическими механизмами [4-6], 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, перераспределению материала при движении расплава, так и косвенно, в результате накопления трещин в материале, его фрагментации, изменению 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

реальный вклад хрупкого разрушения более 10%, так как существенная часть кристаллических частиц испаряется и присутствует в продуктах эрозии в виде аморфного углерода. Эксперименты по изучению продуктов хрупкого разрушения углеродно-волокнистого композита также представлены в работе [87]. Отличительной особенностью композита является то, что он эродирует не только в виде частиц микронных размеров, но и в виде крупных осколков с размерами от нескольких десятков до более сотни микрон. Крупные частицы не испаряются полностью вблизи поверхности мишени и значительная, часть материала не принимает участие в экранировке поверхности. Описанные экспериментальные данные были использованы для разработки еще более совершенных расчетных кодов, которые учитывали уже процессы макроскопической эрозии графита [88], в частности код PHEMOBRID [10, 83] и код PEGASUS [89-91].
Необходимо отметить, что импульсные плазменные ускорители, на которых были получены данные по хрупкому разрушению, имеют длительность импульса более чем на порядок короче по сравнению с ожидаемыми в термоядерном реакторе ИТЭР. В этих условиях, из-за высокой скорости нагрева и охлаждения материала мишени, в поверхностном слое возникают большие механические напряжения. Данные напряжения могут являться причиной хрупкого разрушения материала.
В экспериментах на электронных пучках и плазменных ускорителях наблюдались также процессы макроскопической эрозии металлических защитных покрытий: течение расплавленного слоя, образование трещин в материале, выброс капель с поверхности [12, 53, 92 - 94]. Детальный анализ данных по указанным процессам, полученных в экспериментах на электронных пучках, представлен в обзорной работе [51]. Согласно этой работе, интенсивное движение расплавленного слоя на вольфраме наблюдается только в режимах по имитации срывов, когда с поверхности происходит интенсивное испарение. Основными силами, определяющими движение расплавленного слоя в экспериментах на электронных пучках, является реактивное давление пара при