Автореферат (Создание физических моделей и разработка обращённых к плазме энергонапряжённых внутрикамерных элементов токамака на основе литиевых капиллярно-пористых систем), страница 3

1)абРисунок 6. Результаты теплового расчёта вертикального лимитера: а – взависимости от полоидального угла плазмы, б – от центрального угла лимитераВ заключительном разделе главы дан сравнительный анализ созданныхустройств и выработаны конкретные рекомендации для их проектирования.Проанализировано влияние формы принимающей поверхности, соотношениявеличин тороидальных, полоидальных и радиальных тепловых потоков,материала принимающей поверхности лимитеров на тепловое состояниеустройств.

В результате анализа выявлено, что использование лития какпереизлучателя, геометрическое профилирование принимающей поверхности и9оптимальный выбор материалов могут существенно снизить тепловую нагрузкуна принимающую поверхность.Четвёртая глава посвящена проделанной экспериментальной работе всотрудничестве с коллективом АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ» на токамаке Т-11М сразработанными литиевыми лимитерами и криогенной мишенью. Цельэкспериментов — подтверждение, развитие и оптимизация концепциизамкнутой литиевой петли на периферии плазменного шнура.Для определения изменения эмиссии лития из литиевого лимитера впроцессе работы стационарного термоядерного реактора токамак Т-11М былпреобразован в стенд с долгоживущей плазмой тлеющего разряда на основедейтерия.

Выявлено, что эмиссия лития в процессе стационарных разрядовбудет деградировать слабо, однако она очень чувствительна к воздействиюостаточной атмосферы токамака.Анализ миграции примесей в камере Т-11М показал, что примесныеэлементы (кроме примеси лития) не мигрируют и, поэтому, не будут искажатьанализируемые процессы транспорта лития в литиевых экспериментах.Важную часть главы занимаютэкспериментыскольцевымлимитером. В ходе исследованияметодом рекомбинационной мишениполучено распределение лития с ними без него (Рисунок 7), а такжеабсолютноеколичестволития,захваченного кольцевым лимитеромибоковымистенкамигоризонтального лимитера (120±10мг и 100±10 мг соответственно закампанию в 1000 разрядов). Долялития,вовлечённоговРисунок 7.

Радиальные распределенияциркуляционную петлю, составляетлитиевых потоков с кольцевымпримерно 80 % от всего количества,коллектором (II) и без него (I)литиевый поток на стенку камеры 10 % в случае обычной лимитернойгеометрии и  1 % с кольцевым лимитером. Доказано, что основной сбор литияпроисходит именно с лимитера, а не со стенок токамака.Для исследования вопросов транспортировки захваченного лития изколлектора в эмиттер были проведены эксперименты с вертикальным,продольным и горизонтальным лимитерами. Результаты выявили свойствомультипликативности коллекторов и влияние температуры лимитера нараспределение лития (вследствие изменения эмиссионных свойств), также былаполучена оптимальная величина смещения коллектора относительно эмиттера(3…4 см) и проведён тест «бадминтонной» модели, в соответствие с которойтранспортировка лития осуществляется в результате перемены эмиттерных и10коллекторных ролей литиевых устройств.

Некоторые результаты исследованийпоказаны на Рисунках 8 и 9.В экспериментах с продольным лимитером была определена наиболееоптимальная схема стационарного термоядерного реактора на основе литиевыхвнутрикамерных устройств: в роли эмиттера выступает вертикальный лимитер,в роли коллектора — продольный. Эта схема будет использована в качествепрототипа для дальнейших исследований.В заключительной части главы рассмотрены эксперименты с криогенноймишенью.

Устройство предполагается использовать в целях очистки стеноквакуумной камеры без её разгерметизации от осевшего в процессе работылития. Проведённые эксперименты подтвердили целесообразность метода ивыявили характер влияния внешних факторов на эффективность процессасбора.Рисунок 8. Распределение лития втени вертикального литиевоголимитера(1)иколичествоосаждённого лития на боковыхстенках горизонтального лимитераиз ранних экспериментов (2)Рисунок 9.

Распределение лития помалому радиусу в опытах с одиночнымвертикальнымикомбинациейвертикального(r=20см)игоризонтального (r=23 см) литиевыхлимитеровВ пятой главе рассмотрены коррозионная стойкость, структурныеизменения и изменения механических свойств ванадиевых сплавов в литии исплаве Na-K эвтектического состава.Испытания образцов из ванадия и ванадиевых сплавов (V – 1,86 Ga, V –3,4 Ga – 0,62 Si и V – 4,8 Ti – 4,82 Cr) в очищенном литии показали, чтопревалирующим процессом, происходящим при взаимодействии исследуемыхматериалов с жидким литием, является диффузия атомов кислорода изприповерхностных слоёв образцов (от 10 до 100 мкм) в жидкий литий, чтовыражается в понижении микротвёрдости образца в этой зоне (Рисунок 10). Вто же время поглощение азота и углерода ванадиевыми сплавами из литиядостаточно мало, поэтому на их поверхности не образуется сплошной защитнойоксинитридной плёнки, хотя эффект увеличения микротвёрдости в11приповерхностных слоях (до 10 мкм) присутствует.

Механизмы коррозии дляоблучённых и необлучённых образцов идентичны. Коррозионное воздействиелития на морфологию поверхности выражается в проявлении границ зёрен(Рисунок 11). Гравиметрический анализ показал, что скорость убыли массыобразцов варьируется от 6 до 16 мг/(м2∙ч). Таким образом, имеет местонезначительное растворение материалов в литии.Испытания образцов из ванадиевого сплава V – 4 Ti – 4 Cr в статичнойсреде сплава Na-K эвтектического состава показали высокую коррозионнуюстойкость (имели место незначительные изменения характеристик образцовпосле выдержки в коррозионно-активной среде), но полученный результатможет быть следствием пониженного содержания кислорода в расплаве Na-K.Для проверки этой гипотезы были проведены испытания ванадиевого сплава V– 4 Ti – 4 Cr в конвективном потоке сплава Na-K с повышенным содержаниемкислорода.

На Рисунках 12 – 14 представлены результаты. Имеет место сильнаязависимость скорости коррозии от температуры. Рентгеновский фазовыйанализ поверхности образцов показал, что во всём температурном диапазонеиспытаний на поверхности фиксируются оксиды ванадия VO, V2O3.Обнаружено, что в определенной подповерхностной зоне образцов имеет местообразование оксида титана TiO. Оксидных фаз, содержащих хром, незафиксировано. Таким образом, механизм коррозии сплава V – 4Ti – 4Cr врасплаве Na-K эвтектике связан с миграцией примесных атомов кислорода израсплава в сплав с образованием оксидов ванадия и титана.а12бвгРисунок 10.

Распределение микротвёрдости по поперечному сечениюисследуемых образцов после выдержки в Li (600ºC, 400 ч): V (а); V – 1,86Ga(б); V – 3,4Ga – 0,62Si (в); V – 5Ti – 5Cr (г); 1 – необлучённые; 2 – облучённыеРисунок 11. Топографии поверхности Рисунок 12. Зависимость скоростинеоблучённых (а, б) и предварительно растворения образца от температурыоблучённых аргоном (в, г) материаловдо (а, в) и после (б, г) выдержки в Li(600ºC, 400 ч)Рисунок 13. Распределение титана, хрома и кислорода по глубине образцапосле испытаний в Na-K эвтектики при температурах: 520С (а) и 640С (б)13Рисунок 14.

Распределение микротвердости по сечению образцов, прошедшихиспытания при температурах: 520С (а) и 640С (б), в конвекционном потокеэвтектики Na – K с исходным содержанием примеси кислорода 4·10–2 %Основные результаты диссертационного исследования1. Создан ряд внутрикамерных элементов токамака Т-11М на основелитиевых капиллярно-пористых систем: кольцевой, вертикальный, продольныйлимитеры и криогенная мишень. Аналитически и экспериментально показано,что устройства работоспособны в условиях данного токамака: температураповерхности литиевой КПС лежит в диапазоне рабочих температур от 180°С до550°С, собирающей поверхности криогенной мишени лежит в областикриогенных температур от -195°С до -180°С.2. В опытах с кольцевым лимитером определено абсолютное количествособранного лития за экспериментальную кампанию в 1000 разрядов: 100±10 мгкольцевым лимитером и 120±10 мг боковыми стенками горизонтальногорельсового лимитера, что соответствует расходу лития 1,1 мг/с.

Дана оценкадоле лития участвующего в процессе циркуляции (80 %). Полученныерезультаты свидетельствуют о чрезвычайной экономичности защитывнутрикамерных элементов с помощью переизлучения по сравнению,например, с методом текущей жидкометаллической плёнки, в котором расходвещества составляет  10…100 г/с. Выявлен двухэкспоненциальный характерраспределения эмитированного лития в SOL токамака (1=1 см, 2 = 0,75 см),что свидетельствует о непосредственном улавливании лития кольцевымлимитером.3.

Обнаружены эффекты мультипликативности коллекторов и влиянияначальной температуры на распределение лития, выражающиеся в уменьшениихарактерной длины спада потоков с =3,5 см до =2,5 см при введениигоризонтального лимитера в дополнение к вертикальному и до =2,2 см припонижении температуры вертикального лимитера с 230°С до 60°С. Данныеэффекты позволяют изменять распределение лития в SOL токамака, изменяячисло работающих лимитеров и их температуру. Показана принципиальнаявозможность создания замкнутой литиевой циркуляционной петли на основе14«бадминтонной» модели. Установлено, что оптимальное смещение коллектораотносительно эмиттера составляет 3…4 см.4.

Выработана оптимальная схема защиты компонентов токамакастационарного действия от воздействия плазмы: в роли эмиттера —вертикальный лимитер, в роли коллектора – продольный (распределение литиядвухэкспоненциальное с 1=1,5 см, 2 = 3,7 см). Уменьшение характернойдлины спада потоков до 1=1 см, планируется осуществить с помощью вводадополнительных коллекторов (используя эффект мультипликативности).5.