Экспериментальные исследования и разработка углеродосодержащих материалов для компонент термоядерных установок, обращенных к плазме Бурцева, Татьяна Анатольевна

Введение к работе

Актуальность темы диссертации. Разрушение материалов энергонапряженных конструкций термоядерных установок (ТЯУ) в результате распыления, нейтронного облучения, термоциклических нагрузок, срывов тока плазмы приводит к уменьшению срока их службы и вызывает загрязнение плазмы. Это ставит проблему поиска новых материалов на одно из первоочередных мест в разработке внутрикамерных элементов реакторов-токамаков.

Особое место здесь занимают углеродосодержащие материалы. Низкий атомный номер, благоприятные теплофизические свойства и стойкость к термоудару, присущие углеродосодержащим материалам, определяют их преимущества перед другими кандидатными материалами, работающими в контакте с высокотемпературной плазмой. Дивертор реактора-токамака является элементом конструкции, работающим в наиболее жестких условиях. В диверторе проектируемого международного термоядерного реактора ИТЭР на наиболее энергонапряженных участках предусматривается установка углеграфитовых облицовочных плиток, припаянных к охлаждаемой подложке. Условия эксплуатации этих плиток определяются: -высокими тепловыми нагрузками на поверхность (в квазистационарном режиме до 5 МВт/м², что приводит к повышению температуры поверхности до ~ 1200С; в режиме срыва тока плазмы энерговыделение в течение ~ 10 мс достигает 100 МДж/м² и приводит к сублимации углеродного материала);

-значительными потоками частиц (до 10²³ DT/m²c), что вызывает эрозию материалов в результате физического и химического распыления со скоростью ~10 нм/с;

-циклическим режимом работы (~10⁴ циклов, продолжительность- 10³с); -наличием нейтронной нагрузки (~10^и н/см^с, флюенс до 10²¹ н/см²).

Для отбора материалов, обеспечивающих достаточную эксплуатационную надежность и ресурс энергонапряженных элементов, в этих условиях существенны следующие критерии:

1. Высокая теплопроводность. Увеличение теплопроводности материала пропорционально увеличивает допустимую толщину облицовки (максимально допустимая температура поверхности углеродной мишени не должна превышать 1200С в связи с резко растущей радиационно-индуцированной сублимацией) и, следовательно, увеличивает срок службы элемента.

2. Комплекс термомеханических характеристик. Стойкость материала к термомеханическим нагрузкам под воздействием

термоциклических напряжений в квазистационарном режиме и в режиме срыва тока плазмы, как правило, повышается с увеличением теплопроводности и прочности материала и падает с ростом коэффициента термического расширения и модуля упругости.

3. Стойкость материала к тепловой и ионной эрозии. Как ожидается, ее увеличения можно достичь введением легирующих добавок в исходный материал и повышением на микроуровне его структурной однородности.

4. Стойкость материала к нейтронному облучению. Нейтронное облучение приводит к значительным формоизменениям в графите, резкому снижению теплопроводности, деградации кристаллической структуры, росту коэффициента термического расширения и модуля упругости, что существенно снижает термопрочность материала. Как показывает опыт эксплуатации графитов в ядерных реакторах, радиационную стойкость можно увеличить, формируя в материале характерные микроструктурные образования.

5. Минимальные значения скорости поглощения и предельной концентрации поглощенного трития. Разработка принципиальных подходов к решению этой задачи находится лишь в начальной стадии.

Целью работы явилось комплексное исследование существовавших к ее началу углеродосодержащих материалов под влиянием характерных для термоядерных реакторов (ТЯР) радиационных воздействий, выявление критических факторов, формирование на этой основе физико-технологических принципов создания модифицированных материалов и экспериментальное подтверждение их эффективности путем изучения разработанных материалов на имитационных электрофизических установках, в ядерных реакторах и на действующих токамаках.

Научная новизна

1. Показано, что теплопроводность рекристаллизованных графитов типа РГ-Т может быть существенно увеличена путем подбора оптимальной температуры, давления и длительности технологического процесса. На этой основе разработана новая модификация рекристаллизованного графита марки РГ-Т-91 с рекордной для данного класса материалов теплопроводностью (Я,2ос^:>600 Вт/м К) и получены ее теплофизические и физико-механические характеристики, в том числе после нейтронного облучения при флюенсах до 10²² н/см² и температурах 400-1000 С.

2. Показано, что снижению коэффициентов распыления графита и накопления в нем изотопов водорода способствует введение малых

количеств бора преимущественно в кристаллическую решетку. Исходя из этого, разработаны рекристаллизованные графиты с концентрацией титана ~2_ет% и фиксированными малыми количествами бора (0.1-1.0„%).

3. Показана технологическая возможность получения высокотеплопроводного (?.20йс>400 Вт/ыК), высокопрочного (ст_сж < 150 ?ЛПа) углеродного армированного материала, и разработаны углерод-углеродные композиты типа УАМ на основе ПАН-волокон и пироуглеродной матрицы с 3-5 направленным плетением каркаса, мелкоячеистой структурой (до 1.5x1.5x0.75 мм³) и дополнительными добавками титана (~0.15_ат%) и бора (~0.2„%).

4. Исследованы коэффициенты распыления разработанных материалов ионами дейтерия и гелия (~ЗО0эВ) при дозах 10²⁰-10²² ион/см² и температурах 150-800С. Показано, что для графита РГ-Т-91 в области максимального химического распыления скорость эрозии снижается более чем в три раза, а для графита РГ-ТБ - почти в пять раз, по сравнению с другими материалами.

5. Исследовано поведение разработанных углеродосодержащих материалов под воздействием интенсивных электронных и плазменных потоков малой длительности (50-300 мке, до 3 кДж/см²), имитирующих режим срыва тока плазмы в токамаках. Показана их повышенная стойкость к тепловой эрозии и термомеханическим нагрузкам.

6. Проведено экспонирование разработанного графита РГ-Т-91 на токамаке ASDEX-Upgrade с последующим исследованием распыления, перенапыления и накопления водорода и дейтерия в материале. Показано, что рост температуры поверхности облицовочных диверторных плиток из графита РГ-Т-91 в два раза меньше, чем для изотропного графита ЕК-98. Поступление титана в плазму токамака в результате эрозии не зафиксировано.

7. Проведено облучение разработанных углеродосодержащих материалов в ядерных реакторах ИР-8 и БОР-60 в широком диапазоне флюенсов (10^,8-10²² н/см²) и температур (200-1000С), и исследовано влияние облучения на радиационное формоизменение, а также на теплофизические и физико-механические свойства. Показана высокая радиационная стабильность графита РГ-Т-91 в сравнении с другими высокотеплопроводными углеродосодержащими материалами.

Научная и практическая ценность работы. Разработаны модифицированные рекристаллизованные графиты и углерод-углеродные композиционные материалы с высокой теплопроводностью, ранее не зафиксированной на аналогичных типах материалов. Проведенные имитационные эксперименты и испытания (распыление

легкими ионами, перенапыление, срывы тока плазмы, нейтронное облучение) продемонстрировали высокую стойкость разработанных материалов к воздействию деструктивных факторов ТЯР. Результаты могут быть применены при разработке новых радиационно стойких материалов для установок термоядерного синтеза, а также при проектной разработке реактора ИТЭР.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Физико-технологические принципы создания и разработка рекристаллизованных графитов с высокой теплопроводностью, повышенной стойкостью к ионной и тепловой эрозии, нейтронному облучению.

2. Способ уменьшения скорости распыления и накопления изотопов водорода путем введения в рекристаллизованный графит малых добавок бора.

3. Технологические принципы создания и разработка высокопрочных углерод-углеродных армированных композиционных материалов с высокой теплопроводностью.

4. Результаты определения дозовых и температурных зависимостей коэффициентов распыления базовых и разработанных углеродосодержащих материалов, а также закономерностей изменения морфологии поверхности, фазового и элементного составов под ионными и плазменными воздействиями.

5. Результаты исследования поведения базовых и модифицированных углеродосодержащих материалов под действием короткоимпульсных электронных и плазменных потоков, имитирующих режимы срыва тока плазмы.

6. Результаты исследования влияния нейтронного облучения на теплопроводность, коэффициент термического расширения и радиационное формоизменение разработанных углеродосодержащих материалов.

Апробация работы. Основные результаты работ были доложены на международных конференциях по материалам для реакторов термоядерного синтеза (США, 1991; Италия, 1993; Россия, 1995), рабочих совещаниях ИТЭР по дивертору и первой стенке (Германия, 1990-1995), всесоюзных конференциях по радиационному воздействию на материалы термоядерных реакторов (Россия, 1990, 1992, 1994), международных симпозиумах по термоядерной и ядерной технологии (Германия, 1991; Германия, 1994; Япония 1997), международных рабочих группах по углеродным материалам (Германия, 1993; Швеция, 1995), рабочих семинарах по исследованию углеродных материалов для

термоядерных реакторов (США, 1993; Германия, 1994), международной конференции по углероду (США, 1995), международной конференции по взаимодействию плазмы с поверхностью в термоядерных установках (Франция, 1996).

Разработанные рекристаллизованные графиты и углерод-углеродные армированные композиционные материалы прошли испытания на экспериментальных имитационных установках в НИИЭФА (Санкт-Петербург), РНЦ "Курчатовский институт" (Москва), ИФХ РАН (Москва), СПбГУ (Санкт-Петербург), IPP (Германия), KFA (Германия), SNLA (США), ORNL (США), Osaka University (Япония), CENS (Франция) и на действующих токамаках ASDEX-Upgrade и TEXTOR (Германия).

Публикации. Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 35 печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и приложений. Объем работы составляет 185 страниц, в том числе 66 рисунков, 25 таблиц, список литературы из 184 работ.

Похожие диссертации на Экспериментальные исследования и разработка углеродосодержащих материалов для компонент термоядерных установок, обращенных к плазме

Разработка и исследования энергонагруженных компонентов термоядерного реактора, контактирующих с плазмой Мазуль Игорь Всеволодович

Разработка и создание автоматизированных спектрофотометрических систем для исследований низкотемпературной плазмыЖелезнов, Юрий Анатольевич

Исследование, разработка и создание систем плазменной газификации твердых органических отходов на основе мощных электродуговых генераторов плазмыПопов Виктор Евгеньевич

Исследование многофазных генераторов плазмы переменного тока, работающих на окислительных средах в диапазоне мощности от 100 до 300 кВтСуров Александр Викторович

Экспериментальное исследование потоков заряженных частиц из плазмы импульсных вакуумных разрядовМузюкин Илья Львович

Исследование режимов систем энергопитания и генераторов плазмы переменного тока в диапазоне мощностей от 5 до 500 кВтПопов Сергей Дмитриевич

Исследование и создание трехфазных генераторов азотной и воздушной плазмы с электродами стержневого и рельсового типаСафронов, Алексей Анатольевич

Исследование мощных импульсных разрядов в плотных газовых средах для создания аппаратуры на базе импульсных генераторов плазмы Савватеев Александр Федорович

Разработка, исследование и создание мощных электромагнитных насосов Огородников Анатолий Петрович

Разработка и исследование источников мощных наносекундных потоков заряженных частиц и рентгеновского излученияРатахин Николай Александрович