Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 16
1.1. Импульсные плазменно-тепловые нагрузки на материалы защитных покрытий дивертора ИТЭР 18
1.2. Экспериментальное моделирование плазменно-тепловых нагрузок, характерных дляимпульсных плазменных процессов ИТЭР 26
1.3. Эрозия материалов при нагрузках, характерных для импульсных плазменных процессов ИТЭР 31
1.4. Заключение к главе 1 38
Глава 2. Экспериментальное моделирование импульсных плазменных тепловых нагрузок ИТЭР на квазистационарном плазменном ускорителе 40
2.1. Схема эксперимента по моделированию импульсных плазменно тепловых нагрузок 41
2.1.1. Квазистационарный сильноточный плазменный ускоритель с собственным магнитным полем КСПУ-Т 41
2.1.2. Макеты защитных покрытий дивертора ИТЭР 48 J
2.2. Тепловые нагрузки на поверхность материалов 56
2.3. Параметры потока плазмы
2.3.1. Расход газа и давление потока плазмы 68
2.3.2. Скорость и энергосодержание потока плазмы 75
2.4. Численный расчет динамики нагрева материалов тепловым импульсом 83
2.4.1. Методика расчета динамики нагрева 83
2.4.2. Исходные данные для расчетов. Влияние формы импульса. Сравнение с ИТЭР 87
2.4.3. Результаты расчетов 93
2.5. Заключение к главе 2 98
Глава 3. Эрозия макетов защитных покрытий дивертора ИТЭР 100
3.1. Условия эксперимента. Порядок облучения и обследования макетов. 100
3.2. Механизмы эрозии вольфрама 106
3.2.1. Эрозия вольфрама в результате плавления 109
3.2.2. Хрупкое разрушение вольфрама
3.3. Механизмы эрозии углеродно-волокнистого композита 122
3.4. Анализ экспериментальных данных и сопоставление с расчетно-теоретическими моделями 1 3.4.1. Порог плавления вольфрама 125
3.4.2. Движение расплавленного слоя 131
3.4.3. Хрупкое разрушение материалов 136
3.4.4. Скорость эрозии углеродно-волокнистого композита 144
3.5. Заключение к главе 3 146
Глава 4. Эрозия материалов, обусловленная движением расплавленного слоя 148
4.1. Условия эксперимента. Порядок облучения и обследования металлических мишеней 149
4.2. Эрозия, связанная с потерями материала 153
4.3. Эрозия, связанная с перемещением материала 156
4.4. Сопоставление с двумерными расчетами 160
4.5. Заключение к главе 4 165
Глава 5. Капельная эрозия материалов 166
5.1. Схема регистрации продуктов макроскопической эрозии 167
5.2. Интенсивность выброса капель 172
5.3. Количественные характеристики капель 175
5.4. Сопоставление с теоретическими моделями
5.4.1. Инерционный отрыв расплавленного слоя 179
5.4.2. Неустойчивость Рэлея-Тейлора 181
5.4.3. Неустойчивость Кельвина-Гельмгольца 185
5.5. Заключение к главе 5 188
Заключение 190
Список использованных источников
- Экспериментальное моделирование плазменно-тепловых нагрузок, характерных дляимпульсных плазменных процессов ИТЭР
- Квазистационарный сильноточный плазменный ускоритель с собственным магнитным полем КСПУ-Т
- Анализ экспериментальных данных и сопоставление с расчетно-теоретическими моделями
- Интенсивность выброса капель
Введение к работе
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 .
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 .
Для достижения данной цели предполагалось решить следующие задачи:
-
Осуществить экспериментальное моделирование плазменно-тепловых нагрузок, характерных для импульсных переходных плазменных процессов в токамаке с реакторными параметрами.
-
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.
-
Измерить количественные характеристики макроскопической эрозии материалов в зависимости от параметров плазменного воздействия. Оценить вклад макроскопических механизмов в общую эрозию материалов.
-
Измерить количественные характеристики продуктов макроскопической эрозии в зависимости от параметров плазменного воздействия.
-
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
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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 , характеризующихся другими механизмами передачи энергии на поверхность, так и от работ по исследованию эрозии на плазменных ускорителях с меньшей длительностью импульса , . В экспериментах использовались макеты фрагментированных защитных покрытий дивертора, изготовленные в соответствии с новейшими требованиями, принятыми для проекта ИТЭР. В данной работе, в частности:
-
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 , 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.
-
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.
-
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 , MEMOS , PHEMOBRID . 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», «», «», «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.
Экспериментальное моделирование плазменно-тепловых нагрузок, характерных дляимпульсных плазменных процессов ИТЭР
При такой энергии глубина проникновения электронов в материал металлических мишеней равняется десяткам микрометров [72]. Это сопоставимо с эффективной глубиной проникновения тепла в материал, имеющей место при параметрах импульсных переходных процессов в условиях отсутствия объемного энерговыделения. Следовательно, в экспериментах на электронных пучках в материале формируются отличные от ожидаемых в токамаке распределения температуры и механических напряжений. Во-вторых, из-за высокой проникающей способности пучка электронов слабым оказывается эффект экранировки поверхности облучаемого материала испаренным веществом. В-третьих, при имитации ЭЛМ-ов и срывов сам пучок, как правило, имеет диаметр порядка нескольких -миллиметров, а облучение больших площадей достигается за счет сканирования поверхности. При таком способе также оказываются неизбежными большие неоднородности температуры и напряжений в материале. Указанные недостатки накладывают серьезные ограничения на использование электронных пучков для моделирования импульсных нагрузок токамака.
Основными преимуществами методов основанных на использовании импульсных плазменных ускорителей являются: - адекватные механизмы передачи энергии материалу; - достаточно большие площади облучения; - возможность проводить эксперименты с магнитным полем и без него.
К недостаткам следует отнести небольшие длительности плазменного воздействия ( 50 мкс) по сравнению с условиями, ожидаемыми в ИТЭР. Вследствие этого при одинаковом энерговкладе в экспериментах на импульсных ускорителях достигаются существенно более высокие значения температуры на поверхности материала. Режимы, в которых на поверхности материала достигаются такие же температуры, что и ожидаемые в токамаке ИТЭР, в свою очередь, характеризуются более высокими значениями градиента температуры и механических напряжений в материале, а также меньшей толщиной и длительностью существования расплавленного (нагретого) слоя. Указанных недостатков лишены методы, основанные на применении квазистационарных плазменных ускорителей, которые позволяют обеспечивать тепловые нагрузки по длительности ( 500 мкс) сопоставимые с импульсными переходными плазменными процессами в токамаке ИТЭР. Однако, ускорители данного типа характеризуются меньшей скоростью и, соответственно, меньшей направленной энергией частиц, а также большей плотностью потока плазмы по сравнению с импульсными ускорителями и условиями, ожидаемыми в ИТЭР. Вследствие этого присутствует эффект значительной «экранировки» мишеней плазмой, затрудняющий передачу энергии на поверхность мишени [58]. Давления на поверхность мишени также оказываются выше по сравнению с условиями в токамаке во время ЭЛМ-событий.
Необходимость в оценке ресурса обращенных к плазме элементов токамака, количества и состава продуктов их эрозии в виде примесей, поступающих в плазму во время-разряда, и пыли, накапливаемой в вакуумной камере, возникла на стадии проектирования ИТЭР. На начальном этапе работы над указанной проблемой основной интерес был сосредоточен на изучении поведения материалов при нагрузках характерных для срывов в ИТЭР. Ключевые моменты этого этапа работы рассмотрены в работе [73]. Согласно этой работе, первые данные об эрозии были получены с использованием простейших кодов, учитывающих только микроскопическую эрозию (испарение). Численные коды позволяли рассчитать динамику температуры в материале мишени и оценить толщину переплавленного слоя и количество испаренного вещества. Согласно подобным расчетам в случае если бы вся энергия потока плазмы доходила до поверхности защитного покрытия, то при каждом срыве с поверхности испарялся бы достаточно большой слой материала толщиной порядка 100 - 200 мкм [20]. Необходимо отметить, что сопоставимые значения эрозии материалов наблюдались в экспериментах с электронными пучками [ЗО, 74, 75], в которых энергия электронов составляла более 100 кэВ, т. е. существенно превышала энергию частиц в плазме токамака. Позднее в ряде работ [32, 76, 77], выполненных на импульсном плазменном ускорителе МК-200 было показано, что электронные пучки не воспроизводят ряд специфических особенностей взаимодействия плазмы с материалами. Как уже отмечалось в разделе 1.2, высокоэнергичные электроны, в отличие от плазмы, свободно проходя- через слой испаренного вещества, непосредственно бомбардируют поверхность, и внедряются достаточно глубоко в материал, вызывая тем самым сильную- эрозию. В экспериментах на плазменных ускорителях эрозия материалов за счет испарения оказывается на порядки ниже вследствие эффекта экранировки поверхности испаренным материалом [32]. Сущность эффекта экранировки заключается в том, что в результате испарения и ионизации материала мишени перед облучаемой поверхностью формируется плотный слой плазмы, который играет роль экрана, защищая поверхность от прямого воздействия плазменного потока [76]. Детальное исследование эффекта экранировки показывает, что значительная часть энергии потока плазмы, затрачиваемая- на нагрев и ионизацию экранирующего слоя; рассеивается в виде излучения, не доходя до поверхности [77]. Вфезультате существенно снижается тепловая нагрузка на поверхность и, соответственно, уменьшается скорость испарения. Так в экспериментах на МК-200 при длительности воздействия 50 мкс и плотности энергии 15МДж/м скорость эрозии графита Mill-8 составляла 0,4 мкм/импульс [32]. Согласно расчетам, если бы вся энергия доходила до поверхности (при отсутствии экранировки), то за один импульс с поверхности материала должен был бы испариться слой толщиной 200 мкм. В случае аналогичных экспериментов с вольфрамом доля энергия, затрачиваемая на испарение, была еще меньше, и составляла не более 0,1% от энергии плазменного потока, а основная энергия при этом преобразовывалась в излучение и рассеивалась в окружающее пространство [78].
На основании экспериментального исследования эффекта экранировки были разработаны более совершенные расчетные коды, которые предсказывали скорость эрозии диверторных материалов ИТЭР не более 10 мкм за один срыв [79, 80], что находилось уже на приемлемом для экспериментального термоядерного реактора уровне. На рисунке 5 представлены расчеты без учета экранировки, выполненные автором диссертации, а на рисунке 6 аналогичный расчет, взятый из работы [7, С. 2015; 81], учитывающий экранировку.
Квазистационарный сильноточный плазменный ускоритель с собственным магнитным полем КСПУ-Т
Подобный импульс допускает аппроксимацию импульсом прямоугольным формы (с неизменной во времени амплитудой), что делает его удобным для сопоставления полученных в эксперименте данных с результатами аналитических и численных оценок.
Все эксперименты в работе были проведены при коммутации разрядников в соответствии с таблицей 3. Фиксированными также являлись тип плазмообразующего газа — водород, и его расход, равный т = 20 г/с. Варьировалось только напряжение зарядки батареи, которое в данном случае, однозначно определяет разрядный ток, разрядное напряжение и, соответственно, параметры потока плазмы. Его значение было выбрано в качестве опорной величины, в зависимости от которой измерялись другие характеристики выбранных для работы режимов.
Вакуумная система установки КСПУ-Т состоит из мишенной камеры, ресивера, вакуумопроводов, соединяющих ресивер с насосами. Мишенная камера отделяется от ресивера вакуумным затвором, состоит из двух частей диаметром 40 см и длиной 60 см каждая, оборудована устройством для крепления облучаемых образцов, имеет 18 диагностических окон для ввода контрольного и диагностического оборудования. Ресивер имеет объем около 3 м3 значительно превышающий объем мишенной камеры, что позволяет ограничить рост давления в вакуумной системе непосредственно после пуска плазменного ускорителя. Система откачки КСПУ-Т — двухступенчатая: форвакуумные насосы позволяют за короткое время понизить давление до 10" тор, а диффузионный насос обеспечивает вакуум до 6 10" тор.
С целью экспериментального моделирования воздействия импульсных плазменных нагрузок на приемные пластины дивертора с параметрами, характерными для ЭЛМ-событий и срывов плазмы в ИТЭР, и получения количественных данных по эрозии материалов в условиях таких нагрузок, были разработаны и изготовлены макеты облицовки дивертора ИТЭР с покрытием из вольфрама и углеродно-волокнистого композита. Устройство макетов, материалы защитного покрытия, а также технология их изготовления соответствовали новейшим требованиям, принятым для дивертора ИТЭР, а геометрия макетов была адаптирована для их облучения на плазменном ускорителе КСПУ-Т.
Макет облицовки дивертора составлен из следующих элементов, необходимых для его испытания на плазменном ускорителе и обеспечения требуемых условий облучения: - защитное покрытие макета, разработанное в соответствии с принятой на сегодняшний день конструкцией элементов дивертора ИТЭР; - нагреватель макета, необходимый для поддержания температуры поверхности макета перед облучением на уровне, соответствующем условиям в ИТЭР; - устройство для размещения макета в камере КСПУ, позволяющее крепить макет вместе с нагревателем в мишенной камере плазменного ускорителя и позиционировать его относительно оси плазменного потока. Защитное покрытие макета представляет собой фрагментированную плоскую пластину с размером лицевой (обращенной к плазме) поверхности 150x60 мм (площадь 90 см ), которая набрана из 42 фрагментов с размером лицевой поверхности 9,5x9,5 мм и 12 фрагментов размером лицевой поверхности 19,5x19,5 мм, припаянных медным припоем к общему основанию, изготовленному из нержавеющей стали (рисунок 12). Толщина фрагментов из вольфрама равнялась 3 мм, а из углеродно-волокнистого композита — 7 мм. Зазор между фрагментами составляет 0,5 мм. Размеры макета выбраны таким образом, чтобы избежать краевых эффектов при наклонном падении плазменного потока на рабочую поверхность макета. Все фрагменты макета выполнены из одного материала: чистого вольфрама, лантанированного вольфрама или углеродно-волокнистого композита. Общее количество макетов изготовленных для данных экспериментов составляло 15 штук, из них 3 макета с покрытием из чистого вольфрама, 6 — с покрытием из лантанированного вольфрама, и 6 — с покрытием из углеродно-волокнистого композита.
Фрагменты чистого вольфрама выполнены из поликристаллического вольфрама чистоты 99,96% с ориентацией зерен перпендикулярно обращенной к плазме поверхности элемента (рисунок 13 а). Основным недостатком защитных покрытий из чистого вольфрама, ограничивающим возможности его применения в ИТЭР, является растрескивание под действием тепловых напряжений вследствие его хрупкости при температуре ниже температуры перехода из хрупкого в пластичное состояние 7ЬВтт= 400 С. Таким образом, температурный режим для вольфрама в ИТЭР ограничен снизу температурой 7Ъвтъ а сверху — температурой рекристаллизации Ттсс= 1300 С [114]. В экспериментах на плазменном ускорителе, также как и предполагается в ИТЭР, температура поверхности защитного покрытия из вольфрама поддерживалась при температуре выше Гпвтт
Анализ экспериментальных данных и сопоставление с расчетно-теоретическими моделями
Для измерения .давления? потока плазмы? использовался датчик с; аналогичным;чувствительными элементом; но имеющий иную конструкцию. В этом: случае: чувствительный: элемент располагался между двумя стержнями: диаметром 8 мм, сделанными; из волокна, пропитанного эпоксидным? компаундом. Діїинашереднего стрежнябыла такой . чтобьіівремя прохожденияї звукового сигнала: по стержню до чувствительного элемента было больше длительности: разрядного тока; ускорителя. Такая задержка позволяла; избавиться от электрических помех, связанных с коммутациейітока ускорителя; Длина? второго; стержня была? такощ чтобы; звуковаж волнам отраженная от заднего-торца стержня; не искажала; измеряемый; сигнал- Эти условия можно записать в виде следующих соотношений:: где/,/ и L2 — длина, соответственно переднего и заднего стержней;датчика, (? — скорость звука в стержнях датчика, т— длительность генерации потока-плазмы;
Датчик располагался в камере плазменного ускорителя; (рисунок 27) по оси" плазменного потока, а чувствительная поверхность датчика; — открытый торец первого стержня, размещался в отверстии мишени (сплошной пластины) так, что его поверхность находилась на уровне поверхности мишени. Мишень, в свою очередь, устанавливалась в камере плазменного: ускорителя нормально по отношению к потоку плазмы таким образом, чтобы центр пластины
Данная схема размещения датчика позволяет проводить измерения давления, которое возникает на поверхности мишени при воздействии потока плазмы. Необходимо отметить, что в общем случае величина этого давления будет определяться не только параметрами плазмы и геометрией мишени, но и материалом мишени. Поскольку для легкоиспаряющихся материалов реактивное давление паров, возникающее при испарении материала под воздействием плазмы, может быть сопоставимо с давлением торможения потока плазмы. Применительно к рассматриваемому случаю это означает, что датчик давления на основе текстолитовых стержней регистрирует более высокое давление чем то, которое имеет место при облучении мишеней на основе металла и графита. Таким образом, использованная методика позволяет оценить давление потока плазмы сверху. Типичная форма импульса давления для двух различных пусков при одинаковых параметрах, представлена на рисунке 28. 10
Согласно измерениям импульс давления, как и импульс разрядного тока, характеризуется наличием резкого переднего фронта, более пологого заднего фронта и области плато. Характерная длительность переднего фронта (время нарастания сигнала от 10% до 100%) лежит в интервале 0,07-0,09 мс, а заднего (время спада сигнала со 100% до 10%) — в интервале 0,2-0,3 мс. Длительность импульса на полувысоте равна 0,5 мс. Измерения были проведены в зависимости от величины зарядки батареи ускорителя. Регистрируемые импульсы давления плазмы можно характеризовать средним и пиковым значения. На рисунке 29 представлены зависимости данных величин от напряжения зарядки батареи. Погрешности, отложенные на графике, представляют собой среднеквадратичное отклонение давления от среднего значения.
Согласно проведенным измерениям, при изменении напряжения зарядки батареи от 2,3 до 3,5 кВ, среднее значение давления плазмы растет от 0,2 до 0,6 МПа, а соответствующее пиковое значение от 0,4 до 1,4 МПа. Применяя формулу ( 17 ), и используя в качестве S — эффективную площадь облучения (Sn!l 30 см), найденную из калориметрии (раздел 2.2), можно оценить направленную скорость потока плазмы из полученных значений давления
Для измерения скорости плазмы использовалась две методики, основанные на регистрации излучения свободного потока плазмы. Схема первого метода представлена на рисунке 30. В данной схеме излучение потока плазмы регистрировалось посредством двух датчиков, расположенных на известном расстоянии L друг от друга вдоль направления плазменного потока. Каждый датчик состоял из коллиматора, оптического волокна и регистратора, в качестве которого использовался фотоэлектронный умножитель (ФЭУ).
На рисунке 31а представлены участки типичных сигналов датчиков. Сигнал датчика характеризуется следующими особенностями: наличием задержки сигнала относительно запуска разряда равной времени, за которое передний фронт потока плазмы достигает места расположения датчика; наличие первого пика, яркость которого заметно (в 1,5-3 раза) превосходит средний уровень сигнала, соответствующего головной части потока (данная особенность, вероятно, обусловлена переходными процессами в канале ускорителя на стадии нарастания тока); наличием флуктуации с частотой от 0,1 до 1 МГц на протяжении всей длительности импульса, амплитуда которых лежит в интервале от 5% до 50% процентов от среднего уровня сигнала.
Интенсивность выброса капель
Необходимо отметить, что рассмотренные в данном разделе процессы хрупкого разрушения могут не только приводить к ухудшению эксплуатационных характеристик материала в результате накопления и углубления трещин с ростом число импульсов, но, кроме этого, сопровождаются образованием осколков — мелких кусочков вещества, что наблюдалось в рассматриваемых экспериментах. Осколки первого типа присутствуют на внутренней поверхности первичных трещин (рисунок 58 г) и характеризуются размерами от долей до единиц микрон. Осколки второго типа с размерами от долей микрона до 100 микрон образуются на поверхности лантанированного вольфрам (рисунок 61 а). Формирование таких осколков будет приводить к накоплению мелкой пыли в вакуумной камере, что может накладывать ограничение на ресурс токамака, с точки зрения его безопасности.
Четыре макета с покрытием из углеродно-волокнистого композита типа NB 31 были облучены в порядке полностью идентичном тому, который описан в разделе 3.1 для макетов с покрытием из вольфрама, при тех же самых условиях. В результате исследований облученной поверхности материала методами оптической и электронной микроскопии, выявлен ряд характерных особенностей в разрушении углеродно-волокнистого композита: 1) сглаживание обращенных к плазме ребер элементов макета вследствие более высокой скорости их эрозии по сравнению с основной поверхностью элемента; 2) образование углублений на участках поверхности, состоящих из PAN-волокон, вследствие более высокой скорости их эрозии по сравнению с участками выхода на поверхность пучков pitch-волокон; 3) образование трещин на облученной поверхности материала; 4) рост, как с числом импульсов, так и с увеличением тепловой нагрузки, радиуса скруглення ребер, разницы между уровнями PAN- и pitch-волокон.
Следует отметить, что в интервале тепловой нагрузки 0 = 0,2 - 1,5 МДж/м при общем количестве воздействий до 100 и в интервале тепловой нагрузки Q = 1,5 - 2,3 МДж/м при общем количестве воздействий до 10 импульсов, эрозия макета в местах выхода на поверхность пучка pitch-волокон была незначительна везде кроме обращенных к плазме кромок элементов макета и границ участка pitch-волокон с эродированными участками PAN-волокон (рисунок 62). Количественные измерения разницы между уровнями PAN- и pitch-волокон были выполнены двумя методами: с использованием оптического микроскопа и при помощи лазерного профилометра. Результаты измерения представлены на рисунках 63 и 64.
Внешний вид участка поверхности углеродно-волокнистого композита после различного числа импульсов при нагрузке 1,4 МДж/м Установлено, что в исследуемом диапазоне тепловой нагрузки и числа импульсов распределение эрозии участков PAN-волокон по поверхности макета находится в соответствии с распределением тепловой нагрузки (рисунок 63), а величина эрозии растет линейно с числом импульсов (рисунок 64). Это позволило получить зависимость скорости эрозии участков PAN-волокон от величины тепловой нагрузки в широком интервале тепловой нагрузки. При тепловой нагрузке меньше 0,5 МДж/м величина эрозии PAN-волокон после 100 импульсов оказалась сравнима с исходной неровностью рельефа поверхности макета, что не позволило определить скорость эрозии с достаточной точностью. В результате увеличения полного числа импульсов до 500 удалось измерить скорость эрозии PAN-волокон вплоть до 0,2 МДж/м (рисунок 63 в).
Расстояние от оси потока плазмы вдоль поверхности макета X, см Рисунок 63 - Эрозия «РА1Ч»-волокон углеродно-волокнистого композита в зависимости от местоположения на поверхности макета: а — N = 5 импульсов, Qo = 2,3 МДж/м2 (белыми кружками обозначены точки, в которых производилось измерение эрозии); б — профили эрозии и плотности энергии для макета на рисунке а; в — профили эрозии и плотности энергии для макета, облученном при нагрузке ниже 0,5 МДж/м (после 450 импульсов) 125 Величина эрозии PAN-волокон на макете, облученном при Qo = 0,5 МДж/м , после 450 импульсов была сопоставима со значениями, полученными при тепловой нагрузке Qo = 2,3 МДж/м всего лишь после 5 импульсов (рисунки 63 и 64). Данный факт указывает на сильную зависимость скорости эрозии от тепловой нагрузки: при увеличении величины тепловой нагрузки в 4 раза скорость эрозии возросла более чем в 200 раз. Результаты измерения зависимости скорости эрозии от величины тепловой нагрузки, а также сопоставление экспериментальных данных с результатами расчетов представлено в подразделе 3.4.4.
