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

Федеральное государственное автономное образовательноеучреждение высшего профессионального образования«Национальный исследовательский университет"Высшая школа экономики"»На правах рукописиЖарков Михаил ЮрьевичСОЗДАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ И РАЗРАБОТКАОБРАЩЁННЫХ К ПЛАЗМЕ ЭНЕРГОНАПРЯЖЁННЫХВНУТРИКАМЕРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТОКАМАКА НА ОСНОВЕЛИТИЕВЫХ КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТЫХ СИСТЕМСпециальность 01.04.07 — Физика конденсированного состоянияДиссертацияна соискание ученой степени кандидата технических наукНаучный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор Бондаренко Г.Г.Москва — 20152ОглавлениеСтр.Введение………………………………………………………….....................7Глава 1.

Литературный обзор. Анализ перспектив использования литияв качестве материала для внутрикамерных элементов токамака…………..1.1.Материаловедческаяпроблемавнутрикамерныхэлементовтокамаков и предполагаемые методы её решения……………………..…1.2.Использованиежидкоголитиявкачестве1515материала,контактирующего с плазмой. Литиевые капиллярно-пористые системы(КПС)…………………………………………………………………..…….171.3. Экспериментальное подтверждение целесообразности применениялиитиевых КПС в качестве материала, контактирующего с плазмойтокамака……………………………………………………………………..181.3.1.

Исследования динамики эмиссии и распыления лития вусловиях плазмы токамака……………………........................................191.3.2. Исследования по удержанию дейтерия жидким литием……….231.3.3. Исследования влияния лития на параметры плазмы…………...251.3.4. Концепция замкнутой литиевой петли в токамаке………….…..321.4.

Выводы по главе 1………………………………………………….….37Глава 2. Экспериментальные методы исследования………….....................392.1. Токамак Т-11М. Описание экспериментальной установки…………392.2. Подготовка литиевых КПС к экспериментам……….….....................422.3. Экспериментальные методы, используемые в экспериментах слитиевыми устройствами…………………………………………………..422.4. Материалы на основе ванадия и их подготовка к экспериментампо исследованию коррозионного взаимодействия с литием и сплавомнатрия с калием эвтектического состава………………………………….442.5. Экспериментальные методы определения коррозионной стойкостиванадиевых сплавов………………………………………………………...463Стр.2.6.

Выводы по главе 2……………………………………………………..48Глава 3. Внутрикамерные устройства токамаков на основе литиевыхкапиллярно-пористых систем………………………………………………...3.1.Основныетребования,предъявляемыек49литиевымвнутрикамерным устройствам……………………………………………..503.2. Вопросы выбора материала-основы КПС…………………...……….523.3. Тепловое состояние литиевых лимитеров. Обобщённая методикатеплового расчёта литиевых лимитеров…………………………….…….553.3.1. Методика расчёта начального теплового состояния лимитера553.3.2. Методика расчёта теплового состояния лимитера при еговзаимодействии с плазмой………………………………………..……..583.5.

Кольцевой лимитер Т-11М……….……………………………..…….643.5.1. Тепловой расчёт кольцевого лимитера…………………………..673.6. Вертикальный лимитер Т-11М………………….……….....................743.6.1. Тепловой расчёт вертикального лимитера…................................783.6.1.1. Расчёт начального теплового состояния лимитера………...783.6.1.2.Расчёттепловогосостояниялимитераприеговзаимодействии с плазмой……………………………………………803.7.

Продольный лимитер Т-11М………………………….………….…...883.7.1. Тепловой расчёт продольного лимитера…...................................923.7.1.1. Расчёт начального теплового состояния лимитера………...923.7.1.2.Расчёттепловогосостояниялимитераприеговзаимодействии с плазмой……………………………………………943.8.

Оценка работоспособности лимитеров при нештатных режимахтокамака……………………………………………………………………..1043.9. Технологические аспекты реализации концепции замкнутойлитиевой петли на стационарных токамаках. Создание собирающейкриогенной мишени…………………………………………………..……. 1054Стр.3.9.1. Тепловой расчёт криомишени………………................................1083.10.

Выводы по главе 3……………………………………………………110Глава 4. Исследование литиевых капиллярно-пористых систем какматериала, непосредственно контактирующего с горячей плазмойтокамака…………………………………………………………………..……1164.1. Исследование поведения эмиссии лития из литиевого лимитерапод воздействием длительной бомбардировки дейтерием…………….... 1174.1.1. Методика проведения эксперимента……………….....................1174.1.2. Результаты тестовой кампании…………………………………..1174.2.

Исследование захвата примесей литиевыми КПС в условияхтокамака……………………………………………………………………..1194.2.1. Постановка эксперимента…………………………………….…..1194.2.2. Результаты химического анализа поверхности образца………..1214.3. Исследования транспортировки лития в экспериментах скольцевым лимитером……………….………………………………….…. 1244.3.1. Размещение лимитеров и методика проведения экспериментов1254.3.2. Определение циркуляционной части литиевого потока……..… 1254.3.3.

Определение литиевого потока со стенки камеры вплазменный шнур………………………………….……….....................1284.3.4. Определение азимутального распределения осаждённоголития на кольцевой лимитер……….………............................................ 1284.3.5. Основные результаты экспериментальной кампании………….. 1294.4. Исследование транспортировки лития в экспериментах слитиевыми вертикальным, горизонтальным и графитовым лимитерами 1304.4.1. Размещение лимитеров, диагностических устройств в камеретокамака Т-11М……………..………........................................................

1314.4.2.Определениеоптимальногорадиальногосмещенияколлектора относительно эмиттера…………………………………….. 1325Стр.4.4.3.Эксперименты по определению радиального распределениялития в SOL при использовании вертикального литиевого лимитерана токамаке Т-11…....................................................................................4.4.4.Экспериментыспеременным135использованиемгоризонтального и вертикального лимитеров в роли «эмиттера» и«коллектора»……………………………………………………………..1364.4.5. Результаты экспериментальной кампании……..………………..

1384.5. Первые эксперименты с продольным литиевым лимитером……….1414.5.1. Размещение лимитеров, диагностических устройств в камеретокамака Т-11М………………………………………………………….. 1414.5.2. Эксперименты по определению радиального распределениялития в SOL при использовании продольного и вертикальноголитиевых лимитеров на токамаке Т-11М………………………………4.5.3.Схемастационарноготермоядерногореактора141сиспользованием литиевых лимитеров………………………….………1434.6. Эксперименты по сбору лития криогенной мишенью………...…….1454.6.1. Схема экспериментов……………………………..……..………..1454.6.2.

Эксперименты по определению эффективности сбора литиякриогенной мишенью в зависимости от вакуумных условий….……..1454.6.3. Исследование влияния температуры стенок разрядной камерына эффективность сбора лития………………………………………….1494.6.4. Исследование влияния рабочего газа тлеющего разряда наэффективность сбора лития……………..……........................................1504.6.5.

Исследование влияния электрических и магнитных полей наэффективность сбора лития……………………......................................1524.6.6. Эксперименты с криогенной мишенью в режиме штатнойработы токамака…………………………………………………………. 1534.6.7. Результаты экспериментальной кампании……………………… 1556Стр.4.7. Выводы по главе 4……………………………………..………………Глава5.Исследованиеивнедрениеновыхперспективныхконструкционных материалов для внутрикамерных литиевых устройств..5.1.Исследованиекоррозионного156взаимодействияванадия157иванадиевых сплавов с жидким литием……………..………......................1575.1.1.

Постановка эксперимента………………….……………………..1585.1.2. Результаты эксперимента..………………..…………………..….. 1595.2.Исследованиекоррозионноговзаимодействияванадияиванадиевого сплава V–4Ti –4Cr с эвтектическим расплавом Na-K..……1655.2.1. Постановка эксперимента…………………………………….…..1665.2.2. Результаты эксперимента………………..……………………..… 1675.3.

Исследование коррозионной стойкости сплава V–4Ti–4Cr вконвекционном потоке эвтектического сплава Na – K……………..……1695.3.1. Постановка эксперимента………….………………………….….1695.3.2. Результаты эксперимента....…………….………………………... 1725.4. Выводы по главе 5…………………………………………………..…1766. Общие выводы и результаты работы…………………..……………… 177Список использованной литературы…………………………...………… 180Приложение………………………………………………………………….1897ВведениеАктуальность темыОсвоение термоядерного источника энергии на основе дейтериевотритиевойреакциипривелокидеесозданияИнтернациональногоТермоядерного Экспериментального Реактора (ИТЭР) с мощностью до 500МВт. Как известно, все внутрикамерные энергонапряжённые элементы этогореакторапредполагаетсявыполнятьизбериллия,вольфрамаиуглеволокнистого композита [1, 2].

Однако уже сейчас понятно, что этиматериалы в твёрдой фазе при расчётных нагрузках будут работать на пределесвоих возможностей. Доказано, что будут иметь место растрескивание ираспылениематериаловДемонстрационномуВ[3].связитермоядерномусэтимреакторупереходот(ДЕМО)ИТЭРвксветематериаловедческой проблемы представляется затруднённым. Возможнымрешением этой задачи представляется использования лития в жидкой фазесовместно с капиллярно-пористыми системами (КПС)для стабилизациижидкой поверхности.ЭкспериментынатокамакеТ11-Мпродемонстрировали,чтоэффективным механизмом охлаждения периферии плазмы, а, следовательно, изащитыконтактирующихквазистационарногоразряда,сплазмойможетповерхностейслужитьвусловияхнекорональноеизлучениепостоянно 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. Она предполагает создание замкнутой петлициркуляции лития на границе плазменного шнура с предварительно нагретым(до 400 – 700°С) лимитером, выступающим в роли эмиттера, и вторым более8холодным лимитером в его тени — литиевым коллектором. К моменту началанастоящего 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.В настоящее время в качестве основного конструкционного материала всёбольшее вниманиепривлекают сплавы на основе ванадия.