Диссертация (Создание физических моделей и разработка обращённых к плазме энергонапряжённых внутрикамерных элементов токамака на основе литиевых капиллярно-пористых систем), страница 19

Это связывается с взаимодействиемостаточных паров воды с захваченным литием. Данное предположение былоподтверждено серией экспериментов с калиброванным источником;3) установлено положительное влияние дополнительного нагрева стеноктокамака на эффективность сбора лития;4) был поставлен ряд экспериментов по сбору лития криомишенью вслучае тлеющего разряда на различных газах (водород, гелий, аргон и азот).Установлено, что максимальная скорость сбора имеет место в случае азотноготлеющего разряда (4,4 мг/ч), далее идёт водородный тлеющий разряд (2,2 мг/ч),аргоновый (1,5 мг/ч) и гелиевый (1,2 мг/ч). Преимущество азотного тлеющегоразряда заключается в том, что азот связывает литий, тем самым предотвращаяобратные потоки.

Низкая эффективность тлеющих разрядов на гелии и аргонеобъясняется высокой степенью распыления лития вследствие высокой массыбомбардирующих ионов;5) показано, что введение направленных электрических и магнитных полейможет заметно увеличить скорость сбора лития. Данный факт указывает на то,что литий находится в ионизированном состоянии, что позволяет создатьэффективный ионный насос;6) проведены эксперименты с криогенной мишенью в условиях штатногоразряда. Результаты показали целесообразность её использования в качествеколлектора лития в токамаках стационарного действия.1564.7. Выводы по главе 4Проведённые эксперименты с литиевыми устройствами на токамаке Т11М показали принципиальную возможность создания замкнутой литиевойциркуляционной петли для организации защиты стенок вакуумной камеры отвоздействия горячей плазмы.

Эксперименты с кольцевым лимитером показалималый расход лития (1,1 мг/с), что характеризует данный метод защитывнутрикамерных элементов как чрезвычайно экономный по отношению крабочему веществу (за 1000 рабочих импульсов расходуется  220 мг лития).Введение вертикального литиевого лимитера в дополнение к горизонтальномупозволило создать бадминтонную модель охлаждения периферийной плазмы. Вэтихэкспериментахбылиполученырадиальныераспределенияэмитированного лития, выявлено свойство мультипликативности литиевыхколлекторов, показано влияние начальной температуры коллектора нараспределение лития в SOL.

Последующие эксперименты с продольнымлимитером подтвердили полученные результаты и позволили выработатьоптимальную схему охлаждения периферийной плазмы с помощью литиевыхустройств в токамаках стационарного действия. Решение технологическихвопросовэвакуациипродемонстрированолития,восевшегоопытахснастенкахкриогеннойразрядноймишенью.камеры,Показанаэффективность этого метода (процесс очистки с помощью криогенной мишенизанимает 4 часа, без криогенной мишени — 1 месяц) и определены всепараметры, влияющие на неё, с целью максимизации скорости сбора лития.Проведённаяконструкторскаяиэкспериментальнаядеятельностьясноуказывает на перспективность литиевых капиллярно-пористых систем какматериала взаимодействующего с горячей плазмой токамака.157Глава5.Исследованиеивнедрениеновыхперспективныхконструкционных материалов для внутрикамерных литиевых устройствВ настоящее время всё больше внимания к себе привлекают сплавы наоснове ванадия.

Основным преимуществом этих сплавов является пониженныйуровень наведённой радиоактивности (т.н. «малоактивируемость») в сочетаниис высокой жаропрочностью, низким удельным весом, высокой стойкостью вжидких теплоносителях и высокой теплопроводностью [78]. Комплекс свойствванадиевых сплавов делает их незаменимыми в таких областях как космическаяядерная и термоядерная энергетика, в которых до недавнего времени в качествеосновного конструкционного материала использовалась сталь аустенитногокласса 12Х18Н10Т.

В частности, переход с нержавеющей стали на ванадиевыесплавы является целесообразным для внутрикамерных литиевых устройств сактивным охлаждением эвтектическим сплавом Na-K в ИТЕР-подобныхтокамаках с высокой нейтронной нагрузкой как, например, модуль литиевогодивертора казахстанского материаловедческого токамака КТМ [79, 80].Основной недостаток ванадиевых сплавов заключается в их чувствительности кнеметаллическимпримесям(азот,кислород,углерод),неизбежноприсутствующим в щелочных металлах. В данной главе будет рассказано обисследованиях коррозионной стойкости ванадия и ванадиевых сплавов (впервую очередь ванадиевых сплавов с добавками хрома и титана) при ихвзаимодействии с литием и эвтектическим сплавом натрия с калием.

Этиисследования подробно описаны в работах [49, 50, 51].5.1.Исследованиекоррозионноговзаимодействияванадияиванадиевых сплавов с жидким литиемЦель исследования — исследование коррозионной стойкости в литииванадиевых сплавов V – 1,86 Ga, V – 3,4 Ga – 0,62 Si и V – 4,8 Ti – 4,82 Cr в158сравнении с чистым ванадием. Исследовались необлученные и облучённыеионами аргона образцы. Исследование облучённых образцов обусловленонеобходимостью проверки гипотезы о влиянии имплантированных ионовинертных газов на коррозионную стойкость. В соответствие с ней вповерхностном слое облучённого материала образуется барьер из атомовинертного газа, снижающий скорость сорбции химически активных газов изжидкой среды поверхностью металла. Подробно это исследование описано вработах [49, 81].5.1.1. Постановка экспериментаИсследуемые образцы представляли собой холоднодеформированныепластины (на ~ 30 %) с размерами 20 х 10 х 2 мм.

Образцы отжигались притемпературе 1000°С в течение 1 часа с последующей полировкой в реактиве20% Н2SO4 + 80% этилового спирта.Судя по составу всех сплавов можно сказать, что наибольшее числопримесей находится в сплаве V – Ti – Cr ( 10%). Несмотря на то, что этотсплав является самым исследованным и апробированным, данный фактявляется недостатком по сравнению с другими рассмотренными сплавами, таккакувеличениечислапримесейвлечётзасобойувеличениечислатрансмутантов и, как следствие, увеличение активности сплава и увеличенияпериода её спада. Также по прочности сплав V – Ga – Si находится наравне сосплавом V – Ti – Cr. Эти соображения являются причиной исследованиякоррозионной стойкости всех трёх сплавов.Образцы сплавов облучали с двух сторон в ускорителе ИЛУ [48] ионамиаргона с энергией 20 кэВ до дозы 1022 м–2 при плотности потока ионов 6·1018м–2·с–1. Температура мишеней в процессе облучения составляла ~ 400ºС.Испытания на коррозионную стойкость проводили в статическихизотермических условиях в ампулах из сплава V – 9 Cr, которые заправляли159литием марки ЛЭ-1 с исходным содержанием примесей азота, кислорода иуглерода на уровне 0,02 – 0,03 масс.

% с последующей герметизацией сваркой ватмосфере аргона. Ампулы помещали в защитные контейнеры из нержавеющейстали, которые герметизировали сваркой в атмосфере аргона и помещали впечь.Эксперимент проводился методом «переворота» ампулы (Рисунок 2.3)[52]. Сначала ампулы с образцами выдерживали в позиции 1 при температуре800°С в течение 40 ч. В таком положении образцы находились в атмосфереаргона, литий же контактировал с геттером (циркониевая трубка). В результатеэтого этапа содержание неметаллических примесей (в первую очередь азота иуглерода) в литии уменьшалось до уровня < 1·10–3 масс.

%. Второй этаппредполагал переворот ампулы и её выдержку при температуре 600°С в течение400 часов. В таком положении образцы погружались в литий, очищенный отпримесей в ходе первого этапа.После вскрытия ампул измерялись твёрдость и масса образцов.Полученные данные сравнивались с показателями образцов до эксперимента.Твёрдость определялась двумя методами: методом Виккерса и методомкинетической твёрдости (непрерывного индентирования). В первом случаеизмерялась микротвёрдость (Hμ) на приборе 401/402 MVD, во втором — наприборе NanotestТопография поверхности образцов исследовалась до и после выдержки влитиинаоптическомметаллографическоммикроскопеNeophotивсканирующем электронном микроскопе JSM-35CF. Взвешивание образцовпроводилось на аналитических лабораторных весах ВЛР-200, точностьизмерения на которых составляет 5·10–5 г.5.1.2. Результаты экспериментаРезультаты экспериментов сведены в Таблицу 14.160Таблица 14.Результаты экспериментовИсследуемый материалVV – 1,86 GaСкорость измененияМикротвёрдость,массы, мг/(м2·ч)МПа/мм2Необлуч.Облуч.Необлуч.Облуч.до--10104530после-7-67701040до--12303860+4-1611301200--18603820-12,5-9,515801770--17304500-11-10,518101690послеV – 3,4 Ga – 0,62 доSiпослеV – 4,81 Ti –До4,82 CrпослеКак видно из Таблицы 14 в подавляющем большинстве случаев скоростьубыли массы образцов варьируется от 6 до 16 мг/(м2∙ч), что свидетельствует онезначительном растворении материалов в литии [78, 82].

Исключением стоитнеоблучённый образец сплава V – 1,86Ga, который незначительно набралмассу. Анализ изменения микротвёрдости образцов выявил интереснуюзакономерность — микротвёрдость всех облучённых образцов до испытанийвыше в 3 – 4 раза микротвёрдости необлучённых, и после испытаний она падаетдо исходных значений. Данный факт можно объяснить тем, что завышеннаямикротвёрдостьобуславливаетсяналичиемрадиационныхдефектов,появляющихся вследствие действия пучков ионов аргона. В процессе очисткилития от примесей с помощью геттера (выдержка ампулы при температуре800°С) происходит отжиг радиационных дефектов и, соответственно, снижениемикротвёрдости.

Для всех необлучённых образцов кроме сплава V – Ti – Crхарактерно незначительное падение микротвёрдости поверхности. Увеличение161этого параметра для сплава V – Ti – Cr можно связать с образованием наповерхности образца упрочнённого слоя нитрида титана, как это наблюдалось вранних экспериментах [78].Анализ полученных результатов проводился на основе работ [78, 82 – 84].В соответствии с этими источниками в ходе экспериментов имели местоследующие процессы:1) поглощение сплавами из лития примеси азота и углерода;2) поглощение литием примеси кислорода из сплавов;3) растворения компонентов сплава в жидком литии.Таккакрастворимостьпренебрежимомала,токомпонентовпревалирующеесплавоввзначениежидкомлитииимеетобменнеметаллическими примесями между сплавами и жидким литием. Из [78]следует, что увеличение микротвёрдости образцов после выдержки их в литииобусловленонасыщениемповерхностипримесьюазота(насыщениеповерхности углеродом идёт в 6 раз медленнее, чем азотом [78]).