Автореферат (Создание физических моделей и разработка обращённых к плазме энергонапряжённых внутрикамерных элементов токамака на основе литиевых капиллярно-пористых систем)

УДК 538.97На правах рукописиЖарков Михаил ЮрьевичСОЗДАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ И РАЗРАБОТКАОБРАЩЁННЫХ К ПЛАЗМЕ ЭНЕРГОНАПРЯЖЁННЫХВНУТРИКАМЕРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТОКАМАКА НА ОСНОВЕЛИТИЕВЫХ КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТЫХ СИСТЕМСпециальность 01.04.07 — Физика конденсированного состоянияАвторефератдиссертации на соискание ученойстепени кандидата технических наукМосква — 2015Работа выполнена в федеральном государственном автономномобразовательном учреждении высшего профессионального образования«Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики"»Научныйруководитель:доктор физико-математических наук,заслуженный деятель науки РФБондаренко Геннадий Германовичпрофессор,Официальныеоппоненты:Пименов Валерий Николаевич,доктор физико-математических наук,ФГБУнаукиИнститутметаллургиииматериаловедения им.

А.А. Байкова Российскойакадемии наук, заведующий лабораториейВолков Николай Викторович,кандидат технических наук, доцент,ФГАОУ ВПО Национальный исследовательскийядерный университет «Московский инженернофизический институт», доцент кафедры физическихпроблем материаловеденияВедущаяорганизация:НИЦ«Курчатовскийинститут»ФГБУ«ГосударственныйнаучныйцентрРоссийскойФедерации—ИнститутТеоретическойиЭкспериментальной физики»Защита состоится «17» февраля 2016 г. в 14 ч. 30 мин. на заседаниидиссертационного совета Д212.141.17, созданного на базе ФГБОУ ВПО«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана»по адресу: 248000, г.

Калуга, ул. Баженова, д. 2, МГТУ имени Н.Э. Баумана,Калужский филиал.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московскийгосударственный технический университет имени Н.Э. Баумана» и на сайтахwww.bmstu.ru, www.bmstu-kaluga.ru.Автореферат разослан «_____» ________________2015 г.Ученый секретарьдиссертационного совета,кандидат технических наук, доцентЛоскутов СергейАлександровичОбщая характеристика работыАктуальность темы. Освоение термоядерного источника энергии наоснове дейтериево-тритиевой реакции привело к идее созданияИнтернационального термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР) смощностью до 500 МВт.

Как известно, всевнутрикамерныеэнергонапряжённые элементы этого реактора предполагается выполнять избериллия, вольфрама и углеволокнистого композита. Однако уже сейчаспонятно, что эти материалы в твёрдой фазе при расчётных нагрузках будутработать на пределе своих возможностей. Доказано, что будут иметь месторастрескивание и распыление материалов.

В связи с этим переход от ИТЭР кДемонстрационномутермоядерномуреактору(ДЕМО)всветематериаловедческой проблемы представляется затруднённым. Возможнымрешением этой задачи представляется использование лития в жидкой фазесовместно с капиллярно-пористыми системами (КПС) для стабилизациижидкой поверхности.Эксперименты на токамаке Т11-М продемонстрировали, чтоэффективным механизмом охлаждения периферии плазмы, а, следовательно, изащитыконтактирующихсплазмойповерхностейвусловияхквазистационарного разряда, может служить некорональное излучениепостоянно циркулирующих между плазмой и защищаемой поверхностьюатомов и ионов лития.

Эффект «экранирования» позволяет рассеять почти 80%всей энергии омического нагрева на стенки вакуумной камеры посредствомультрафиолетового излучения и может послужить основой концепциизамкнутой литиевой петли в стационарно работающих токамаках с литиевымиэмиттером и коллектором (Рисунок 1). Она предполагает создание замкнутойпетли циркуляции лития на границе плазменного шнура с предварительнонагретым (до 400-700°С) лимитером, выступающим в роли эмиттера, и вторымболее холодным лимитером в его тени — литиевым коллектором. К моментуначала настоящего диссертационного исследования были проведены испытаниярельсового горизонтального лимитера на основе литиевых капиллярнопористых систем, получены эмиссионные характеристики литиевых КПС,данные об удержании ими дейтерия, подтверждена их совместимость с плазмойтокамака, подтверждено полное удержание жидкого лития твёрдой матрицейКПС и проведены первые эксперименты по исследованию закономерностейосаждения лития.

Реализация этой концепции защиты в настоящей работепотребовала создание различных вариантов литиевых устройств.В процессе работы некоторая часть лития будет неизбежно оседать навнутренних стенках вакуумной камеры, что может привести к аварийнымситуациям. К моменту начала настоящего диссертационного исследования всетехнологические операции по очистке вакуумной камеры от плёнок литиясводились к трудоёмкой работе с разгерметизацией камеры и последующимсмыванием лития обычной водой. По мере развития концепции замкнутойлитиевой петли этот вопрос будет требовать более технологичного решения.1В настоящее время вкачествеосновногоконструкционного материалавсёбольшеевниманиепривлекают сплавы на основеванадия.Основнымпреимуществом этих сплавовявляется пониженный уровеньнаведённой радиоактивности всочетаниисвысокимижаропрочностью, стойкостьюв жидких теплоносителях,теплопроводностью и низкимРисунок 1.

Концепция замкнутой литиевойудельным весом. Переход спетлинержавеющейсталинаванадиевые сплавы являетсяцелесообразным для внутрикамерных литиевых устройств с активнымохлаждением эвтектическим сплавом Na-K в ИТЭР-подобных токамаках свысокой нейтронной нагрузкой. Основной недостаток ванадиевых сплавовзаключается в их чувствительности к неметаллическим примесям (азот,кислород, углерод), неизбежно присутствующим в щелочных металлах.

Кмоменту начала настоящего диссертационного исследования экспериментальноне была подтверждена совместимость этих материалов с жидким литием иэвтектическим сплавом Na-K, поэтому исследования в этом направлении —важная составляющая представленной диссертации.Цель работы и задачи исследований.Цель работы —– развитие технического и технологического решенияпроблемы защиты энергонапряжённых внутрикамерных элементов токамаков спомощью капиллярно-пористых систем.Задачи исследований:1.

Создание различных моделей внутрикамерных литиевых устройствтокамака на основе капиллярно-пористых систем.2. Экспериментальное подтверждение функциональности и эффективностиустройств.3. Решение проблемы удаления тонких плёнок лития со стенок вакуумнойкамеры без её разгерметизации.4. Исследование сплавов на основе ванадия в качестве конструкционныхматериалов для литиевых устройств, в частности, исследованиекоррозионной стойкости материалов с жидким литием и эвтектическимсплавом Na-K.Научная новизна работы:1. Впервые созданы модели внутрикамерных энергопринимающих устройствтокамака Т-11М различной конфигурации на основе литиевых капиллярно2пористых систем: кольцевой, вертикальный, продольный литиевыелимитеры.2.

Апробирована оригинальная методика удаления тонких плёнок лития состенок вакуумной камеры токамака без её разгерметизации. Разработанакриогенная мишень и установлены зависимости эффективности сбора литияот различных факторов.3. В результате исследований динамики переноса лития в разрядах слитиевыми лимитерами экспериментально получены распределения лития вSOL (scrape-off-layer, область разомкнутых силовых линий магнитногополя) токамака. В соответствии с полученными результатами выработанасхема прототипа стационарного токамака-реактора с внутрикамернымиэлементами на основе литиевых капиллярно-пористых систем.4. Исследована и экспериментально доказана возможность применения вкачестве конструкционных материалов литиевых внутрикамерныхэлементов токамаков сплавов на основе ванадия.Теоретическая значимость работы:В работе построена модель теплового взаимодействия принимающейповерхности разработанных устройств с потоками заряженных частиц токамакаи излучения плазмы в течение разряда.

Получены распределения тепловыхпотоков по обращённой к плазме поверхности внутрикамерных устройствтокамака. В экспериментах на токамаке Т-11М получены распределенияэмитированного лития в SOL токамака. В экспериментах с криогенноймишенью для сбора лития получены конкретные зависимости эффективностисбора лития от различных факторов (остаточный вакуум, наличиедополнительных электрических и магнитных полей, вид рабочего газатлеющего разряда, подогрев стенок камеры токамака и др.).

Результатыэкспериментов на токамаке Т-11М с литиевыми устройствами могут бытьположены в основу разработок внутрикамерных элементов для таких установоккак термоядерный источник нейтронов (ТИН-0), ИТЭР и ДЕМО.В экспериментах по взаимодействию сплавов ванадия с жидким литием исплавом Na-K эвтектического состава выявлен основной механизм коррозии —диффузия неметаллических примесей (в первую очередь кислорода). Показано,что предварительное облучение ионами аргона не влияет на коррозионнуюстойкость образцов (в основном из-за процесса отжига на первом этапеисследования), но повышает интенсивность диффузии атомов кислорода.Продемонстрировано прямое влияние температуры на коррозионные процессы.Практическая значимость работы:Разработанные устройства установлены на токамак Т-11М и успешноиспытаны. Результаты проведённых испытаний подтвердили принципиальнуювозможность достижения стационарных режимов токамака-реактора свнутрикамерными элементами на основе литиевых капиллярно-пористыхсистем.

Результаты материаловедческих исследований на совместимость литиясо сплавами на основе ванадия могут быть использованы в конструкторских3работах по созданию внутрикамерных элементов токамаков и компонентовядерных реакторов с жидкометаллическим охлаждением. Подтверждениемпрактической ценности работы является справка о внедрении созданныхустройств, выданная в АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ».Методология и методы исследования. Для решения поставленных задачв работе были использованы экспериментальные и расчетные методыисследований. Экспериментальные данные распределения лития в SOLтокамака получены методами рекомбинационной мишени и химическоготитриметрического анализа. Материаловедческие исследования сплавов наоснове ванадия проводились микрорентгеноспектральным, рентгеновскимфазовым, металлографическим, гравиметрическим методами анализа, методамирастровой и просвечивающей электронной микроскопии, методами измерениямикротвёрдости Виккерса и кинетической твёрдости.Основные положения, выносимые на защиту:1.

Обоснование и выбор конкретных конструкций внутрикамерных устройствтокамака на основе литиевых капиллярно-пористых систем.2. Результаты исследований эффективности работы созданных устройств.3. Результатыисследованийкоррозионнойстойкости,изменениямеханических свойств и морфологии поверхности сплавов на основеванадия в жидком литии и расплаве Na-K эвтектического состава.Достоверность полученных результатов. Результаты получены сприменением современного, высокоточного и метрологически аттестованногооборудования по стандартным методикам и ГОСТам.