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

Основнымпреимуществом этих сплавов является пониженный уровень наведённойрадиоактивности в сочетании с высокими жаропрочностью, стойкостью вжидких теплоносителях, теплопроводностью и низким удельным весом.Переход с нержавеющей стали на ванадиевые сплавы является целесообразнымдлявнутрикамерныхлитиевыхустройствсактивнымохлаждениемэвтектическим сплавом Na-K в ИТЭР-подобных токамаках с высокойнейтронной нагрузкой.

Основной недостаток ванадиевых сплавов заключаетсяв их чувствительности к неметаллическим примесям (азот, кислород, углерод),неизбежно присутствующим в щелочных металлах. К моменту началанастоящего диссертационного исследования экспериментально не былаподтвержденасовместимостьэтихматериаловсжидкимлитиеми9эвтектическим сплавом Na-K, поэтому исследования в этом направлении —важная составляющая представленной диссертации.Цель работы и задачи исследованийЦель 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. Экспериментальноеподтверждениефункциональностииэффективности устройств.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 исследование коррозионнойстойкости материалов с жидким литием и эвтектическим сплавом Na-K.Научная новизна работы1. Впервыесозданымоделивнутрикамерныхэнергопринимающихустройств токамака Т-11М различной конфигурации на основе литиевыхкапиллярно-пористыхсистем:кольцевой,вертикальный,продольныйлитиевые лимитеры.2.

Апробирована оригинальная методика удаления тонких плёнок литиясо стенок 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 в10SOL (scrape-off-layer, область разомкнутых силовых линий магнитного поля)токамака. В соответствии с полученными результатами выработана схемапрототипа стационарного токамака-реактора с внутрикамерными элементамина основе литиевых капиллярно-пористых систем.4. Исследована и экспериментально доказана возможность применения вкачестве конструкционных материалов литиевых внутрикамерных элементовтокамаков сплавов на основе ванадия.Теоретическая значимость работыВ 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 эффективностисборалитияотразличныхфакторов(остаточныйвакуум,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.11Практическая значимость работыРазработанные устройства установлены на токамак Т-11М и успешноиспытаны.

Результаты проведённых испытаний подтвердили принципиальнуювозможностьдостижениястационарныхрежимовтокамака-реакторасвнутрикамерными элементами на основе литиевых капиллярно-пористыхсистем. Результаты материаловедческих исследований на совместимость литиясо сплавами на основе ванадия могут быть использованы в конструкторскихработах 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 исследованияДля решения поставленных задач в работе были использованыэкспериментальные и расчетные методы исследований. ЭкспериментальныеданныераспределениялитиявSOLтокамакаполученыметодамирекомбинационной мишени и химического титриметрического анализа.Материаловедческие исследования сплавов на основе ванадия проводилисьмикрорентгеноспектральным, рентгеновским фазовым, металлографическим,гравиметрическим методами анализа, методами растровой и просвечивающейэлектронной микроскопии, методами измерения микротвёрдости Виккерса икинетической твёрдости.Достоверность полученных результатовРезультаты получены с применением современного, высокоточного иметрологически аттестованного оборудования по стандартным методикам иГОСТам.Достоверностьподтвердиласьконтактирующейтепловыхизмерениемсплазмойврасчётовходеповерхностисозданныхэкспериментовикорреляциейустройств,температурыполученных12зависимостей с характером механических разрушений материала-основы КПСвышедших из эксплуатации устройств.Основные положения, выносимые на защиту1.

Обоснование и выбор конкретных конструкций внутрикамерныхустройств токамака на основе литиевых капиллярно-пористых систем.2. Результаты исследований эффективности работы созданных устройств.3. Результатыисследованийкоррозионнойстойкости,изменениямеханических свойств и морфологии поверхности сплавов на основе ванадия вжидком литии и расплаве Na-K эвтектического состава.Апробация результатовРезультаты работы докладывались на следующих конференциях: 25thIAEA Fusion Energy Conference (Санкт-Петербург, 2014 г.); XLI и XLIIМеждународных (Звенигородских) конференциях по физике плазмы и УТС(Звенигород, 2014, 2015 гг.); The 11th International Symposium on Fusion NuclearTechnology-11 (Барселона, 2013 г.); XXII, XXIII, XXIV и XV Международныхконференциях «Радиационная физика твёрдого тела» (Севастополь, 2012, 2013,2014 и 2015 гг.); XV, XVI, XVII и XVIII Всероссийских конференциях«Взаимодействие плазмы с поверхностью» (НИЯУ МИФИ, Москва, 2012, 2013,2014 и 2015 гг.); XIII и XV Межвузовских научных школах молодыхспециалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике,электронике, экологии и медицине» (НИИЯФ МГУ, Москва, 2012 и 2014 гг.); XМеждународном уральском семинаре «Радиационная физика металлов исплавов»(Кыштым,2013);Всероссийскойконференцииреакторов на быстрых нейтронах» (Обнинск, 2013 г.).«Теплофизика13Апробация работы в публикацияхПо материалам диссертации опубликовано 30 печатных работ, в т.ч.

8статей в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК РФ, 1статья в другом зарубежном журнале, а также 21 публикация в сборникахтезисов докладов и материалах конференций.В изданиях, рецензируемых ВАК РФ:1. Коррозионная стойкость сплавов V-Ga и V-Ti-Cr в литии / М.Ю.

Жарков [идр.] // Перспективные материалы. 2014. № 5. С. 27–33. (0,44 п.л./ 0,06 п.л.).2. Совместимостьванадиевыхсплавовсрасплавомнатрий-калийэвтектического состава / М.Ю. Жарков [и др.] // Перспективные материалы.2014. №7. С. 21-29. (0,56 п.л. / 0,08 п.л.).3. Коррозионная стойкость сплава V – 4 Ti – 4 Cr в конвекционном потокеэвтектического сплава Na – K / М.Ю. Жарков [и др.] // Перспективныематериалы. 2014.

№11. С. 15–21. (0,44 п.л. / 0,06 п.л.).4. Исследование коррозионной стойкости ванадиевых сплавов в жидком литии /М.Ю. Жарков [и др.] // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Термоядерныйсинтез. 2015. Т. 38. Вып. 1. С. 15-21. (0,44 п.л. / 0,05 п.л.).5. Module of lithium divertorfor KTM tokamak / M. Zharkov [et al.] // FusionEngineering And Design. 2012. V.

87. Issue 10. P. 1719–1723. (0,31 п.л. / 0,03п.л.).6. Status of design and experimental activity on module of lithium divertor for KTMtokamak / M. Zharkov [et al.] // Fusion Engineering and Design. 2013. V. 88. Issues9–10. P. 1862–1865. (0,25 п.л.