Автореферат (Создание физических моделей и разработка обращённых к плазме энергонапряжённых внутрикамерных элементов токамака на основе литиевых капиллярно-пористых систем), страница 2

Достоверность тепловыхрасчётов созданных устройств, подтвердилась измерением в ходеэкспериментов температуры контактирующей с плазмой поверхности икорреляцией полученных зависимостей с характером механическихразрушений материала-основы КПС вышедших из эксплуатации устройств.Апробация результатов. Результаты работы докладывались наследующих конференциях: 25th IAEA Fusion Energy Conference (СанктПетербург, 2014 г.); XLI и XLII Международных (Звенигородских)конференциях по физике плазмы и УТС (Звенигород, 2014, 2015 гг.); The 11thInternational Symposium on Fusion Nuclear Technology-11 (Барселона, 2013 г.);XXII, XXIII, XXIV и XV Международных конференциях «Радиационнаяфизика твёрдого тела» (Севастополь, 2012, 2013, 2014 и 2015 гг.); XV, XVI,XVII и XVIII Всероссийских конференциях «Взаимодействие плазмы споверхностью» (НИЯУ МИФИ, Москва, 2012, 2013, 2014 и 2015 гг.); XIII и XVМежвузовских научных школах молодых специалистов «Концентрированныепотоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине»(НИИЯФ МГУ, Москва, 2012 и 2014 гг.); X Международном уральскомсеминаре «Радиационная физика металлов и сплавов» (Кыштым, 2013);Всероссийской конференции «Теплофизика реакторов на быстрых нейтронах»(Обнинск, 2013 г.).4Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 30 печатныхработ, в т.ч. 8 статей в рецензируемых научных журналах, входящих в переченьВАК РФ, 1 статья в зарубежном журнале, а также 21 публикация в сборникахтезисов докладов и материалах конференций.Структура и объём диссертации. Вся диссертация изложена на 188страницах, включая 110 рисунков, 17 таблиц и 90 наименований в спискелитературы.

Структурно диссертация состоит из введения, пяти глав, основныхвыводов и списка литературы.Личный вклад автора. Являясь ведущим конструктором АО «Краснаязвезда», автор диссертации лично разработал литиевые внутрикамерныеустройства токамака Т-11М, контролировал процесс их изготовления ииспытаний. Вся экспериментальная часть выполнялась им на токамаке Т-11М всотрудничестве с коллективом АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ». В ходеэкспериментальных кампаний автор занимался обработкой полученных данныхв целях рационализации конструкции созданных устройств.

В ходематериаловедческих исследований перспективных материалов на основеванадия автор разработал испытательные стенды, провёл расчётыконвективных потоков рассматриваемой коррозионно-агрессивной среды,непосредственно контролировал ход эксперимента, а также лично провёлиспытания механических свойств образцов с последующей обработкойрезультатов.Автор выражает глубокую благодарность к.т.н. Люблинскому И.Е. ик.т.н. Верткову А.В. (АО «Красная звезда», г. Москва) за консультации впроцессе расчёта и создания внутрикамерных элементов токамака Т-11М,д.т.н. профессору Мирнову С.В. (АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ», г. Москва) запомощь в экспериментальных исследованиях литиевых устройств на токамакеТ-11М и своему научному руководителю д.ф.–м.н.

профессору Бондаренко Г.Г.(МИЭМ НИУ ВШЭ, г. Москва) за всестороннюю помощь и поддержку в ходедиссертационного исследования.Основное содержание работыВ диссертации изложено новое научно-обоснованное техническое итехнологическое решение проблемы защиты внутрикамерных элементовтокамаков (в первую очередь лимитеров и дивертора) от экстремальныхтепловых нагрузок с конкретными разработками для его реализации.Во введении кратко сформулирована актуальность темы, степень еёразработанности, поставлены цели и задачи, обозначены практическая итеоретическая ценности работы, научная новизна, методы исследований,достоверность полученных результатов и положения, выносимые на защиту.

Всилу того, что диссертация выполнялась в рамках коллективной научноисследовательской работы, был указан личный вклад автора. В заключениипредставлен список научных работ и конференций, на которых фигурировалиосновные результаты настоящего диссертационного исследования.5В первой главе рассмотрено развитие концепции использования лития втокамаках, описаны эксперименты, проведённые различными авторами,подтверждающие возможности лития как внутрикамерного материалатокамака: эксперименты по распылению лития атомами дейтерия, удержаниюдейтерия жидким литием и др.

Описаны эксперименты с первыми образцамилитиевых лимитеров на токамаках Т-11М и FTU. В конце главы рассмотренаконцепция замкнутой литиевой петли, позволяющая осуществитьстационарную защиту внутрикамерных элементов токамака.Во второй главе описываются экспериментальная установка и методикипроведения экспериментов.

Литиевые лимитеры, созданные в ходедиссертационного исследования, были испытаны на токамаке Т-11М.Характеристики токамака даны в Таблице 1. Внутрикамерные элементытокамака: горизонтальный, вертикальный, кольцевой и продольный литиевыелимитеры, графитовый лимитер, криогенная мишень.Таблица 1.Характеристики токамака Т-11МХарактеристикаЗначениеБольшой радиус тора, м0,7Малый радиус тора, м0,25Тороидальное магнитное поле на оси тора, Тл1,2Длительность разряда, с0,1…0,3Ток в плазме, кА7…1002Тепловой поток на поверхность лимитера, МВт/м4…12Рабочее веществоH2, D2, HeИзмерения распределения лития в SOL токамака проводились методомрекомбинационной мишени.

Суть метода состоит в регистрациирекомбинационного излучения ионов лития, приходящих на специальнуюмишень (графитовый лимитер), которая имеет возможность перемещенияотносительно центра плазмы для «сканирования» всего SOL токамака.Абсолютное количество лития в экспериментах определялось путёмпогружения образцов сетки с захваченным литием в кипящую воду ипоследующим химическим титриметрическим анализом. Анализ миграциипримесей в камере Т-11М осуществлялся путём экспонирования образцов сеткииз нержавеющей стали в плазме с последующим анализом на растровомэлектронном микроскопе с энергодисперсионным рентгеновским анализатором.В конце главы рассмотрена методология экспериментов по определениюкоррозионной стойкости, структурных изменений и изменений механическихсвойств ванадия и ванадиевых сплавов в жидком литии и расплаве Na-Kэвтектического состава.

Исследования проводились путём выдержки образцов вкоррозионно-агрессивной среде («ампульные испытания»). Схемы проведенияэкспериментов представлены на Рисунках 2 и 3. После вскрытия ампулизмерялись микротвёрдость (на приборах 401/402 MVD, ПМТ-3М и Nanotest),6масса образцов (на аналитических лабораторных весах ВЛР-200 и АДВ-200),проводился микрорентгеноспектральный анализ на растровом электронноммикроскопе ZEISS EVO 50XV с приставкой INCA X-act и рентгеновскийфазовый анализ на дифрактометре ДРОН-7. Полученные данные сравнивалисьс показателями образцов до эксперимента.Топографияповерхностиобразцов исследовалась до и после выдержки в среде на оптическомметаллографическом микроскопе Neophot и сканирующем электронноммикроскопе JSM-35CF.ВоздушноеохлаждениеАмпулаЧехолОбразцыЭлектронагревательТочки замератемпературыКоррозионноактивная средаРисунок 2.

Схема проведенияэкспериментов по исследованиюкоррозионноговзаимодействияванадиевых сплавов в статичныхусловиях(метод«переворота»ампулы)Рисунок 3. Схема проведенияэкспериментов по исследованиюкоррозионноговзаимодействияванадиевых сплавов в конвективномпотокеТретья глава посвящена созданию внутрикамерных литиевых устройств.Перечислены требования к ним, рассмотрены вопросы выбора материалаосновы КПС устройств. В созданных устройствах были применены: сеткатканая из нержавеющей стали аустенитного класса с эффективным радиусомпор 30 мкм и элементы из прессованной вольфрамовой проволоки (Рисунок 4).Внутрикамерные устройства токамаков подвергаются значительным тепловымнагрузкам (до 10 – 20 МВт/м2).

Воздействие таких тепловых потоков можетпривести к перегреву литиевой поверхности, что в свою очередь приведёт кинтенсивному испарению лития и срыву разряда. В диссертационной работеприведена методика оценочного расчёта теплового состояния устройств.7абРисунок 4. Материал-основа КПС: сетка тканая из нержавеющей стали (а) иэлементы из прессованной вольфрамовой проволоки (б)Рассмотрены следующие устройства токамака Т-11М: кольцевой,вертикальный, продольный лимитеры и криогенная мишень (Рисунок 5).

Длякаждого из них было дано подробное описание конструкции и проведёнтепловой расчёт в два этапа: расчёт теплового состояния в ходепредварительного нагрева до температуры плавления лития и расчёт тепловогосостояния в ходе плазменного разряда. На первом этапе решалось уравнениетеплопроводности с учётом излучения (1) численными методами:( ∙) + н − (изл + теплопр ) = 0;(1)где Qн — мощность электрического нагревателя, Qизл и Qтеплопров — тепловыепотери в результате излучения и теплопроводности в стенки конструкции.

Врезультате было получено распределение температуры,гарантирующееплавление лития во всех точках устройства. Второй этап расчёта предполагалрасчёт распределения тепловой нагрузки по принимающей поверхности,выявление самых теплонапряжённых точек и расчёт увеличения температуры вних за время плазменного разряда. Расчёт распределения тепловой нагрузки отвоздействия плазмы выполнялся на основе работы [1] с некоторымипоправками (учтено различие температур ионной и электронной компонент).

Воснову расчёта положена экспоненциальная зависимость теплового потока,переносимого частицами в SOL токамака, от расстояния между последнейзамкнутой магнитной поверхностью и рассматриваемой точкой на поверхностилитиевого устройства.Результаты теплового расчёта на примеревертикального лимитера представлены на Рисунке 6. Тепловой расчёт вусловиях плазменного разряда проводился в предположении штатной работытокамака (омический режим без срывов), поэтому была проведена оценкатеплового состояния устройств в режиме с релятивистскими электронами.812543Рисунок 5. Внутрикамерные элементы токамака Т-11М: 1 – вертикальныйлимитер, 2 – криогенная мишень, 3 – графитовый лимитер, 4 – продольныйлимитер. 5 – кольцевой лимитер (располагается в антенном патрубке, заменяявертикальный лимитер поз.