Диссертация (Создание физических моделей и разработка обращённых к плазме энергонапряжённых внутрикамерных элементов токамака на основе литиевых капиллярно-пористых систем), страница 21

Видно, что рельеф поверхности в ходе исследования изменилсянезначительно. Профили микротвёрдости по поперечному сечению образцов дои после испытаний оказались почти идентичными.абвРисунок 5.5. Топографии поверхности образцов сплава V – 4Ti – 4 Cr: а – доиспытаний, б – после испытаний в среде аргона при T=800C в течение 500 ч, в– после испытаний в среде Na-K эвтектики при T=800C в течение 500 чНезначительное изменение характеристик образцов (микротвёрдости,массы,рельефаповерхности)послеиспытанийговоритовысокой169коррозионной стойкости сплава V – 4 Ti – 4Cr в расплаве Na-K эвтектическогосостава. Однако такой результат может быть следствием малого содержаниякислородавжидкомрасплаве.Следующимэтапомвисследованиисовместимости ванадиевых сплавов с эвтектикой Na-K должны быть испытанияв конвективном потоке жидкого расплава при неизотермических условиях сповышенным содержанием кислорода.5.3.

Исследование коррозионной стойкости сплава V – 4 Ti – 4 Cr вконвекционном потоке эвтектического сплава Na – KЦель исследования — исследование коррозионной стойкости сплава V –4 Ti – 4 Cr в жидком расплаве Na-K — эвтектики в условиях неизотермическогопотока с повышенным содержанием примеси кислорода. Подробно этоисследование описано в работе [51].5.3.1.

Постановка экспериментаЭкспериментальныеобразцыпредставлялисобойцилиндрыизванадиевого сплава V – 4Ti – 4Cr диаметром 16 мм, толщиной 1 мм и высотой 3мм (труба ∅ 16 × 1). Ампула для испытаний изготавливалась из того же сплаваи представляла собой трубу диаметром 50 мм, толщиной 3 мм и длинной 300мм (труба ∅ 50 × 3). Химический состав материала образцов и ампулы (∅ 50 ×3) представлен в Таблице 17.Схема эксперимента показана на Рисунках 2.4 и 5.6.

Фотографии ампулыпоказаны на Рисунке 5.7. Исследуемые образцы (13 штук) крепятся на планкеиз сплава V – 4Ti – 4Cr. Ампула помещается в защитный чехол изнержавеющий стали. К крышке чехла крепится планка с образцами, также черезнеё проходят заправочные и откачные трубы. На нижнюю часть ампулынаматывается проволочный нагреватель.

Заправка ампулы проводилась при170комнатной температуре через заправочный трубопровод в атмосфере аргона.Объём расплава — 280 мл. Контроль заправки осуществлялся с помощьюуровнемера. При заправке из ёмкости-хранилища жидкий металл пропускалсячерез фильтр из нержавеющей стали с радиусом пор ~ 30 мкм. После заправкивспомогательный трубопровод заваривался в атмосфере защитного газа. В ходеэксперимента было обеспечено воздушное охлаждение верхней части ампулы.Проведенный анализ заправляемого жидкого металла методом вакуумнойдистилляции на наличие кислорода, показал, что он содержал 0,040 %кислорода. Эта величина превышает равновесную концентрацию кислорода вэвтектике Na – K при 20°С, что свидетельствует о наличии в неймелкодисперсной фракции соединений натрия и калия с кислородом, котораяне отделялась фильтрацией.

Температура при испытании у дна ампулысоставляла 640 – 650°С, у поверхности жидкого металла — 490 – 500°С,длительность испытаний — 500 ч. На Рисунке 5.8 показаны результаты расчётаскорости конвекционного потока эвтектики Na-K, выполненного в средеCosmosFloWorks численными методами. Видно, что максимальная скоростьпотока составляет 5 см/с. Извлечение образцов из эвтектики проводилось ватмосфере инертного газа.Таблица 17.Химический состав материала образцов и ампулыИзделиеСодержание элементов, масс. %(труба)TiCrAlFeSiNbOCN∅ 16 × 14,674,100,090,330,232,64< 0,02< 0,02< 0,02∅ 50 × 34,504,210,0050,0080,020,1< 0,02< 0,02< 0,02Образцы были исследованы стандартными методами гравиметрии(аналитические весы АДВ-200), микрорентгеноспектрального анализа нарастровом электронном микроскопе ZEISS EVO 50XV с приставкой INCA X-171act, рентгеновского фазового анализа на дифрактометре ДРОН-7 и путемизмерения микротвердости на твердомере ПМТ-3М при нагрузке на индентор50 г.48325716абРисунок 5.6.

Схема эксперимента: а – общий вид, б – ампула в разрезе. Нарисунке: 1 – образцы, 2 – ванадиевая ампула, 3 – раствор эвтектики Na-K, 4 –защитный стальной чехол, 5 – электрический нагреватель, 6 – термоизоляция,7 – вентилятор, 8 – термопары5Рисунок 5.7. Фотографии экспериментальной ампулы: 1 – образцы, 2 –ванадиевая ампула, 3 – защитный стальной чехол, 4 – нагреватель, 5 –уровнемер172Рисунок 5.8. Результаты расчёта скорости потока Na-K эвтектики в двухвзаимно перпендикулярных плоскостях5.3.2. Результаты экспериментаПосле вскрытия ампулы измерялся вес образцов с целью получениязависимости изменения массы образца от температуры (которая измеряласьтермопарами).

Измеренное изменение массы переводилось в скоростьизменения массы (растворения). Полученная зависимость показана на Рисунке5.9 (по расчётной оценке, температура образцов могла отличаться на 3 – 4,отрицательные значения скорости соответствуют приросту массы образцов).Как видно, имеет место приемлемый уровень коррозии и этот процесс резкоинтенсифицируется с ростом температуры.На Рисунке 5.10 показано распределение титана, хрома и кислорода поглубине образца для двух температур: 520С и 640С, полученное с помощьюлокального микрорентгеноспектрального анализа. Из Рисунка 5.10 следует, что173приповерхностнаязонаглубинойдо10мкмнасыщенакислородом(концентрация — 6…10 масс.

%).Рисунок 5.9. Зависимость скорости растворения образца от температурыРисунок 5.10. Распределение титана, хрома и кислорода по глубине образцапосле испытаний в Na-K эвтектики при температурах: 520С (а) и 640С (б)Проведенный рентгеновский фазовый анализ поверхности образцовпоказал, что и при максимальной и при минимальной температурах испытанияна поверхности фиксируются оксиды ванадия VO, V2O3.

Оксидных фаз,содержащих хром, которым обогащена поверхность образца, испытанного при174минимальнойтемпературе,впределахчувствительностиметоданезафиксировано.В профилях распределения кислорода по глубине образцов наблюдаетсяплато с концентрацией кислорода 1,5 – 2,0 % (на глубине 10…50 мкм). Этосоответствует тому, что в определенной подповерхностной зоне образцовсоотношение (в атомных долях) титана и кислорода равно 1:1, что косвенносвидетельствует об образовании в материале оксида титана TiO, то естьпротекает процесс внутреннего окисления, что видно на Рисунке 5.11.

Такоеявление наблюдали при исследовании совместимости сплавов системы V – Ti(до 20% Ti) с натрием [78, 88 – 90]. Эти данные согласуются с результатамиизмерения профиля микротвердости в образцах, испытанных в тех же условиях(Рисунок 5.12).Рисунок 5.11. Микроструктура поперечного среза образца после испытаний вконвекционном потоке эвтектики Na – K при температуре 640°С (травительHF, 1 ч; HNO3, 1 ч; H2O, 1 ч)175Рисунок5.12.Распределениемикротвердостипосечениюобразцов,прошедших испытания при температурах: 520С (а) и 640С (б), вконвекционном потоке эвтектики Na – K с исходным содержанием примесикислорода 4·10–2 %Проведённое исследование коррозионного взаимодействия сплава V – 4Ti– 4 Cr с Na-K эвтектикой (с повышенным содержанием кислорода < 0.04 масс.%) показало следующие результаты:1) экспериментально подтверждено предположение о сильном влияниикислорода, растворённого в эвтектическом сплаве Na-K на процесс коррозиисплава V – 4Ti – 4Cr.

Механизм коррозии связан с миграцией примесныхатомов кислорода из жидкого расплава в сплав с последующим образованиемоксидов ванадия и титана;2) имеет место нелинейный рост скорости растворения сплава V-4Ti–4Crс ростом температуры; в частности, при увеличении температуры от 600С до650С скорость растворения сплава увеличивается в 2,5 раза (от 40 мг/(м2∙ч) до100 мг/(м2∙ч)).1765.4.

Выводы по главе 5Проведённыеисследованияпоказалихорошуюсовместимостьванадиевых сплавов с жидким литием и расплавом Na-K эвтектическогосостава. Выявлено, что превалирующим коррозионным процессом во всехрассмотренных случаях являлась диффузия неметаллических примесей (впервую очередь кислорода). Предварительное облучение ионами аргона неповлияло на коррозионную стойкость образцов (в основном из-за процессаотжига на первом этапе исследования), но повысило интенсивность диффузииатомов кислорода, что привело к незначительному понижению микротвёрдостиобразцов. Продемонстрировано прямое влияние температуры на коррозионныепроцессы: эксперименты с Na-K эвтектикой показали нелинейный ростскорости растворения сплава V – 4Ti – 4Cr с ростом температуры.

Дляснижениякоррозионнойактивностирассматриваемыхсредможнопорекомендовать их очистку от неметаллических примесей (например,геттерированием) и оптимальный выбор температурного режима.Результаты, полученные при коррозионных испытаниях, позволяютрекомендоватькиспользованиюванадиевыесплавывбудущихвнутрикамерных элементах термоядерных реакторов на основе лития с натрийкалиевым расплавом эвтектического состава в качестве теплоносителя.1776. Общие выводы и результаты работыНа основании проделанной в диссертационном исследовании научноисследовательскойиопытно-конструкторскойработыможносделатьследующие выводы.1.

Создан ряд внутрикамерных элементов токамака Т-11М на основелитиевыхпродольныйкапиллярно-пористыхлимитерыисистем:криогеннаякольцевой,мишень.вертикальный,Аналитическииэкспериментально показано, что устройства работоспособны в условияхданного токамака: температура поверхности литиевой КПС лежит в диапазонерабочих температур от 180°С до 550°С, собирающей поверхности криогенноймишени лежит в области криогенных температур от -195°С до -180°С.2. В опытах с кольцевым лимитером определено абсолютное количествособранного лития за экспериментальную кампанию в 1000 разрядов: 100±10мг кольцевым 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%). Полученныерезультатысвидетельствуюточрезвычайнойэкономичностизащитывнутрикамерных элементов с помощью переизлучения по сравнению,например, с методом текущей жидкометаллической плёнки, в котором расходвещества составляет  10…100 г/с (по оценке для токамака Т-11М). Выявлендвухэкспоненциальный характер распределения эмитированного лития в SOLтокамака (1=1 см, 2 = 0,75 см), что свидетельствует о непосредственномулавливании лития кольцевым лимитером.3.