Макроскопическая эрозия материалов при их облучении интенсивными потоками плазмы

Актуальность выбранной темы.

Одной из ключевых задач в создании термоядерного реактора на основе токамака является выбор обращенных к плазме материалов, которые должны противостоять как стационарному плазменно-тепловому воздействию, мощностью до 20 МВт/м, так и интенсивному импульсному, длительностью 0,1 — 10 мс и мощностью 1−10 ГВт/м. Эрозия материалов защитных покрытий вакуумной камеры токамака при таких нагрузках является, в частности, одной из нерешенных проблем проекта ИТЭР (Международный термоядерный экспериментальный реактор) [1—3]. Такие материалы как вольфрам и углеродно-волокнистый композит выбраны для защиты дивертора, а бериллий — для защиты первой стенки ИТЭР. Однако экспериментальных данных недостаточно для того, чтобы определить скорость эрозии данных материалов и оценить ресурс защитных покрытий.

При импульсных тепловых нагрузках наибольшую опасность представляет эрозия, обусловленная макроскопическими механизмами [4−6], характеризующимися существенно более низким значением удельной энергии, расходуемой на эрозию материала, по сравнению с испарением и распылением. Под макроскопическими механизмами понимается движение расплавленного слоя, которое может приводить к выбросу капель, а также хрупкое разрушение, которое, в свою очередь, может сопровождаться выбросом осколков.

Макроскопические механизмы приводят к эрозии материала как напрямую, в результате уноса вещества осколками и каплями, перераспределению материала при движении расплава, так и косвенно, в результате накопления трещин в материале, его фрагментации, изменению рельефа поверхности и, как следствие, увеличению скорости испарения и распыления. Указанные процессы не только ограничивают ресурс защитных покрытий вакуумной камеры токамака, но и являются причиной образования мелкодисперсных продуктов эрозии, накопление которых представляет самостоятельную проблему.

Мелкодисперсная пыль, обладая большой удельной поверхностью, во-первых, способна в значительном количестве адсорбировать тритий — наиболее дорогой и радиоактивный компонент топлива токамака. Во-вторых, такие продукты эрозии обладают высокой химической активностью по отношению к водяному пару и кислороду. В-третьих, из-за наличия в вакуумной камере ИТЭР бериллия такая пыль будет токсична. Указанные свойства продуктов эрозии накладывают ограничение на их максимальное содержание в вакуумной камере токамака [7, С. 1994 — 1995].

В настоящее время опытных данных о макроскопической эрозии материалов недостаточно для построения расчетных моделей, позволяющих прогнозировать скорость эрозии материалов, а также количество и состав продуктов эрозии, в частности, во время импульсных переходных плазменных процессов, таких как ЭЛМ-события и срывы тока. Разрабатываемые численные коды [8−10] требуют верификации — сопоставления расчетных данных с экспериментальными, полученными в условиях, близких к ожидаемым в ИТЭР. Таким образом, тема диссертационной работы является актуальной и представляет практический интерес.

Цели и задачи исследования.

Целью данной работы является экспериментальное исследование макроскопической эрозии материалов при воздействии потоков плазмы с параметрами, характерными для импульсных переходных плазменных процессов токамака-реактора [3].

Для достижения данной цели предполагалось решить следующие задачи: 1. Осуществить экспериментальное моделирование плазменно-тепловых нагрузок на материалы, характерных для импульсных переходных плазменных процессов токамака с реакторными параметрами.

2. Выявить доминирующие механизмы разрушения материалов в зависимости от параметров плазменного воздействия. Определить условия, при которых наблюдается макроскопическая эрозия, и выполнить исследование ее характеристик на качественном уровне.

3. Измерить характеристики макроскопической эрозии материалов в зависимости от параметров плазменного воздействия. Оценить вклад макроскопических механизмов в общую эрозию материалов.

4. Измерить характеристики продуктов макроскопической эрозии в зависимости от параметров плазменного воздействия.

5. Провести сопоставление полученных экспериментальных данных с расчетно-теоретическими моделями.

Объект и предмет исследования.

Под эрозией покрытия понимается как уменьшение его толщины, так и ухудшение эксплуатационных характеристик. Можно различать микроскопическую и макроскопическую эрозию. В случае микроскопической эрозии удаление вещества с облучаемой поверхности происходит в виде атомарных частиц (ионов, атомов, молекул и молекулярных кластеров), а в случае макроскопической эрозии — в виде макроскопических частиц (капель и осколков), а также за счет перераспределения вещества в результате течения расплавленного слоя. Макроскопическая эрозия характеризуется рядом параметров: удельные потери массы и скорость утончения покрытияхарактеристики микрорельефа поверхности, образующихся дефектов (трещин) и продуктов эрозии.

В данной работе объектом исследования является макроскопическая эрозия материалов при их облучении интенсивными потоками плазмы, а предметом — характеристики макроскопической эрозии в зависимости от параметров плазменного воздействия. Основное внимание уделено вольфраму и углеродно-волокнистому композиту, рассматриваемым в качестве материалов для защиты наиболее теплонапряженных участков вакуумной камеры токамака ИТЭР[11].

Методы исследования.

Полное энергосодержание плазмы в ИТЭР составит 0,5 ГДж, что более чем на два порядка выше по сравнению с существующими экспериментальными токамаками, а площадь поверхности вакуумной камеры лишь в несколько раз превышает площадь на крупнейшем токамаке JET (Joint European Torus) [7, С. 1975]. Поскольку ни на одном из существующих токамаков невозможно воспроизвести плазменно-тепловые нагрузки, которые ожидаются в ИТЭР во время ЭЛМ-событий и срывов тока, актуальной является задача экспериментального моделирования таких нагрузок по ряду основных параметров с использованием других установок, наиболее перспективными из которых являются электронные пучки [12] и плазменные ускорители [13, 14]. В данной работе для подобного моделирования использовался квазистационарный сильноточный плазменный ускоритель, а в качестве основных параметров моделирования выбраны плотность энергии, приходящая на поверхность материала, и длительность воздействия. Указанные параметры определяют динамику температуры в материале, а вместе с ней и ряд характеристик, влияющих на процессы макроскопической эрозии (толщина и время существования расплавленного слоя, термомеханические напряжения и др.). Для контроля основных параметров, разрабатывалась диагностика, с использованием которой, выбирались режимы работы плазменного ускорителя. В этих режимах измерялись характеристики эрозии, в зависимости от величины тепловой нагрузки и числа воздействий, а также параметры плазмы, необходимые для корректной интерпретации экспериментальных данных, определялись условия, при которых те или иные макроскопические процессы играют доминирующую роль. Оценивался вклад различных механизмов в общую эрозию материала.

Выносимые на защиту положения.

1. На защиту выносятся результаты измерения характеристик потока водородной плазмы КСПУ и параметров плазменного воздействия, свидетельствующие о том, что предложенная в работе схема эксперимента обеспечивает плазменно-тепловые нагрузки на материалы 0,2 — 2,5 МДж/м2, длительностью 0,5 мс, характерные для импульсных переходных плазменных процессов токамака ИТЭР.

2. Основным механизмом эрозии углеродно-волокнистого композита, приводящим к потерям массы при его облучении потоком плазмы, является разрушение участков с волокнами, ориентированными вдоль поверхности. Отношение измеренной скорости эрозии этих волокон к расчетной скорости их испарения уменьшается с 20 до 0,2 с ростом тепловой нагрузки в интервале 0,6 -1,5 МДж/м, что объясняется деградацией теплопроводности поверхностного слоя вследствие формирования трещин и эффектом экранировки поверхности испаренным углеродом.

3. Основным механизмом эрозии фрагментированных защитных покрытий из вольфрама при их облучении потоком плазмы являетсядвижение расплавленного слоя по поверхности, которое имеет место даже при нагрузках ниже порога плавления основной поверхности фрагментов вследствие плавления их кромок. Движение расплава приводит к выбросу капель, определяющему потери • массы. Потери массы лантанированного вольфрама существенно превосходят потери массы чистого вольфрама.

4. При плазменном облучении сплошных металлических мишеней (сталь, ниобий, вольфрам), скорость утончения мишеней за счет перемещения расплава по поверхности существенно превосходит скорость эрозии, обусловленную выбросом капель и испарением.

5. Выброс капель с поверхности вольфрама начинается при плазменной нагрузке выше порога плавления, но ниже порога кипения. Капли имеют компоненту скорости перпендикулярную к облучаемой поверхности, сопоставимую с модулем скорости капель, лежащем в интервале 1−20 м/с.

Результаты измерения распределений капель вольфрама по скорости и размерам свидетельствуют о том, что формирование капель обусловлено развитием гидродинамических неустойчивостей в жидкометаллическом слое.

6. Образование трещин на поверхности вольфрама начинается при плазменной нагрузке ниже порога плавления. На поверхности образуются трещины двух типов — первичные и вторичные, которые формируют сетку с характерным размером ячеек соответственно 1−2 мм и 100 -300 мкм, и характерным значением глубины проникновения в материал соответственно 500 мкм и 50 мкм, причем глубина первичных трещин существенно превышает толщину рекристаллизованного слоя.

Научная новизна работы.

Научная новизна работы состоит в том, что представленные экспериментальные исследования эрозии материалов относятся к интервалу плазменно-тепловой нагрузки 0,2 — 5 МДж/м при длительности воздействия 0,5 мс, что отличает ее как от аналогичных работ с использованием электронных пучков [12], характеризующихся другими механизмами передачи энергии на поверхность, так и от работ по исследованию эрозии на плазменных ускорителях с меньшей длительностью импульса [13, 14]. В экспериментах использовались макеты фрагментированных защитных покрытий дивертора, выполненные в соответствии с новейшими требованиями, принятыми для проекта ИТЭР. В данной работе, в частности:

1. Зарегистрирован разлет капель с поверхности облучаемого плазмой вольфрама в реальном масштабе времени. Разработанная методика, в отличие от работ по сбору капель на специальные коллекторы [6], позволила не только измерить интенсивность выброса капель, но и изучить такие характеристики капель, как скорость, угол, время и место вылета, температура, а также определить условия выброса капель. Полученные данные, в свою очередь, позволили провести количественное сравнение с предсказаниями аналитических моделей и сделать выводы о механизмах образования капель.

2. В рамках одного эксперимента, за счет достаточно большого числа импульсов (до 1000), измерена скорость эрозии углеродно-волокнистого композита для диапазона тепловой нагрузки 0,2 — 2,3 МДж/м2, что позволило осуществить количественное сопоставление экспериментальных и расчетных данных в этом диапазоне, в результате которого, в частности, установлено что существенная эрозия наблюдается при нагрузках в 3,5 раза ниже расчетного порога.

3. На макетах фрагментированных защитных покрытий из чистого и лантанированного вольфрама зарегистрирована многоуровневая структура трещин, формирующаяся в результате плазменного облучения, измерены пороги образования и характеристики трещин, что позволило провести количественное сопоставление экспериментальных и расчетных данных и сделать выводы о механизме образования трещин.

Теоретическая значимость и практическая ценность работы.

Работа представляет практический интерес для разработки термоядерного реактора на основе токамака и других устройств, в которых присутствует интенсивное плазменно-тепловое воздействие на элементы конструкций, в частности для международного проекта ИТЭР и национальной программы по У ТС. Полученные данные позволяют оценить ресурс защитных покрытий и количество продуктов их эрозии (пыли) в разрабатываемых термоядерных установках. Результаты работы могут быть использованы при выборе материалов защитных покрытий и приемлемых режимов работы токамака.

Экспериментальные данные, полученные в работе, использовались для разработки расчетно-теоретических моделей макроскопической эрозии материалов и верификации численных кодов, которые применяются для прогнозирования величины эрозии и количества ее продуктов в ИТЭР: PEGASUS [8], MEMOS [9], PHEMOBRID [10]. Результаты работы использовались также для обоснования улучшенных модификаций защитных покрытий дивертора ИТЭР на основе вольфрама и углеродно-волокнистого композита.

Достоверность полученных результатов.

Достоверность полученных результатов проверялась путем сопоставления с результатами численного моделирования и с результатами, полученными в экспериментах на других физических установках, в частности, электронных пучках, импульсных и квазистационарных плазменных ускорителях.

Апробация работы и публикации.

Результаты работы были представлены на следующих конференциях:

— 16-я Международная конференция по взаимодействию плазмы с th поверхностью в термоядерных установках (16 International Conference on Plasma Surface Interactions in Controlled Fusion Devices), Портленд, США, 24 — 28 Мая, 2004 г.;

— 17-я Международная конференция по взаимодействию плазмы с iL поверхностью в термоядерных установках (17 International Conference on Plasma Surface Interactions in Controlled Fusion Devices), Хэфэй, КНР, 22 — 26 Мая, 2006 г.;

— 18-я Международная конференция по взаимодействию плазмы с поверхностью в термоядерных установках (18 International Conference on Plasma Surface Interactions in Controlled Fusion Devices), Толедо, Испания, 26−30 Мая, 2008 г.;

— 19-я Международная конференция по взаимодействию плазмы с поверхностью в термоядерных установках (19 International Conference on Plasma Surface Interactions in Controlled Fusion Devices), Сан-Диего, США, 24 — 28 Мая, 2010 г.;

— 21-я Конференция МАГАТЭ по термоядерной энергии (The 21st IAEA Fusion Energy Conference), Чэнду, Сычуань, КНР, 16−22 Октября, 2006 г.;

— 33-я Международная конференция Европейского физического общества по физике плазмы, Рим, Италия, 19 — 23 июня, 2006 г.;

— 26-й Симпозиум по технологии УТС (Symposium on Fusion Technology), Порто, Португалия, 27 Сентября — 1 Октября, 2010 г.;

— 1-я Международная молодежная конференция по термоядерной энергии (1st International Youth Conference on Fusion Energy), Тэджон, Республика Корея, 9−10 октября, 2010 г. (при 23-й Конференции МАГАТЭ по термоядерной энергии, Тэджон, Республика Корея, 11−16 октября, 2010 г.);

— 37-я Международная звенигородская конференция по физике плазмы и УТС, Россия, Звенигород, 8−12 февраля 2010 г.;

— 38-я Международная звенигородская конференция по физике плазмы и УТС, Россия, Звенигород, 14−18 февраля 2011 г.

Опубликованы в виде 14 статей в следующих журналах:

— Вопросы атомной науки и техники. Серия: Термоядерный синтез. Издательство: РНЦ «Курчатовский институт» (Россия, Москва). ISSN 0202−3822;

— Journal of Nuclear Materials. Издательство: Elsevier Science Publishing Company, Inc. (Нидерланды). ISSN 0022−3115;

— Fusion Engineering and Design. Издательство: Elsevier Science Publishing Company, Inc. (Нидерланды). ISSN 0920−3796;

— Physica Scripta. Издательство: Royal Swedish Academy of Sciences (Швеция). ISSN 0031−8949;

— Ядерная физика и инжиниринг. Издательство: ООО «МИАК «Наука/Интерпериодика» «(Россия, Москва). ISSN 2079;5629.

— Problems of Atomic Science and Technology. Издательство: ННЦ «Харьковский физико-технический институт» (Украина, Харьков). ISSN 1562−6016.

Докладывались на научной сессии Московского инженерно-физического института (МИФИ) в 2005;2010 гг., обсуждались на семинарах в ГНЦ РФ ТРИНИТИ, РНЦ «Курчатовский институт», НИИЭФА им. Д. В. Ефремова, МИФИ, а также опубликованы в трудах упомянутых выше конференций.

Личный вклад автора Все экспериментальные результаты, использованные в работе, были получены при непосредственном участии автораего вклад в этой части работы являлся определяющим, и заключался в постановке задач, разработке — методик, подготовкедиагностик, проведении экспериментовобработке и анализе данных. Автор принимал участие в разработке расчетно-теоретическйх моделей, а ряд одномерных и двумерных расчетов выполнены им лично. На основании полученных данных автором сформулированы и обоснованы выводы диссертации.

Структура диссертационной работы.

Диссертационная работа: состоит из введения, пяти глав, заключения и списка’использованных источников: Работа содержит 209-страниц.текста, в том числе 97 рисунков, 11 таблиц шссылки на 158 источников.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Выполнено экспериментальное исследование макроскопической эрозии о материалов в интервале плазменно-тепловой нагрузки 0,2 — 5 МДж/м при длительности воздействия 0,5 мс. В экспериментах использовались макеты фрагментированных защитных покрытий дивертора токамака ИТЭР, изготовленные из вольфрама и углеродно-волокнистого композита, а также сплошные металлические мишени из вольфрама, ниобия, меди, алюминия и стали. Экспериментальное моделирование плазменного воздействия на материалы с параметрами, характерными для переходных плазменных процессов термоядерного реактора, осуществлялось с использованием квазистационарного сильноточного плазменного ускорителя (КСПУ). В результате анализа полученных экспериментальных данных и их сопоставления с расчетно-теоретическими моделями сформулированы следующие ниже выводы и основные результаты диссертационной работы.

1. Результаты измерения характеристик потока водородной плазмы КСПУ и параметров плазменного воздействия свидетельствуют о том, что предложенная в работе схема эксперимента обеспечивает плазменно-тепловые нагрузки на материалы, характерные для импульсных переходных плазменных процессов токамака ИТЭР длительностью 0,5 мс в интервале плотности энергии 0,2 — 2,5 МДж/м2.

2. В результате исследования эрозии углеродно-волокнистого композита при его облучении потоком водородной плазмы длительностью 0,5 мс в интервале тепловой нагрузки 0,2 — 2,5 МДж/м установлены следующие факты: а) Основным механизмом эрозии, приводящим к потерям массы, является разрушение участков с волокнами, ориентированными вдоль поверхности. б) При интегральной эрозии этих участков до 100 мкм измеренная скорость их эрозии с1к/с1М увеличивается с 0,01 до 10 мкм/импульс с ростом тепловой.

О 7 нагрузки и апроксимируется зависимостью сОгМИ = 0,9 О, где (¡-ИМИ в л микронах за импульс, а О, в МДж/м. в) Отношение измеренной скорости эрозии к расчетной скорости испарения л падает с 20 до 0,2 с ростом тепловой нагрузки от 0,6 до 1,5 МДж/м. г) Количественное соответствие результатов расчета и эксперимента может быть обеспечено при учете деградации теплопроводности поверхностного слоя вследствие формирования трещин и учете эффекта экранировки поверхности испаренным углеродом.

3. В результате исследования эрозии защитных покрытий из вольфрама при их облучении потоком водородной плазмы длительностью 0,5 мс в интервале тепловой нагрузки 0,3 — 2,5 МДж/м установлены следующие факты: а) Основным механизмом" эрозии вольфрама является движение расплавленного слоя по поверхности, которое при некоторых условиях, приводит к выбросу капель, определяющему потери массы. б) Удельные потери массы лантанированного вольфрама в интервале.

2 2 тепловой нагрузки 0,5 -2,3 МДж/м экспоненциально растут с 0,1 до 60 г/м за импульс и существенно превосходят потери чистого вольфрама. в) Регулярное образование трещин на поверхности чистого и лантанированного вольфрама начинается при тепловой нагрузке ниже порога плавления чистого вольфрама. г) Образуются трещины двух типов — первичные и вторичные, которые формируют на поверхности сетку с характерным размером ячеек соответственно 1−2 мм и 100 — 300 мкм и характерным значением глубины проникновения в материал соответственно 500 мкм и 50 мкм, причем глубина первичных трещин существенно превышает толщину рекристаллизованного слоя. д) Возможным механизмом образования трещин является рост растягивающих напряжений в тонком поверхностном слое на стадии остывания материала, испытавшем пластическую деформацию при его нагреве. Характеристики трещин разного типа, рассчитанные в рамках этой модели, хорошо согласуются с результатами измерений.

4. В результате исследования эрозии материалов, обусловленной движением расплавленного слоя по поверхности сплошных металлических мишеней при облучении потоком водородной плазмы длительностью 0,5 мс в интервале тепловой нагрузки 0,5 — 2,5 МДж/м и давления потока на поверхность 0,1 — 0,5 МПа установлены следующие факты: а) Скорость утончения мишеней, обусловленная перемещением материала по поверхности, существенно превосходит скорость эрозии за счет выброса капель и испарения. б) Количество перемещенного материала и соответствующая скорость движения расплава на сплошной мишени оказывается существенно выше по сравнению с фрагментированным защитным покрытием. в) Скорость эрозии не может быть обеспечена измеренным градиентом давления без учета силы трения, действующей со стороны потока плазмы.

5. В результате исследования продуктов макроскопической эрозии вольфрама в виде металлических капель, образующихся под воздействием потока плазмы длительностью 0,5 мс в интервале тепловой нагрузки 1,0 -2,5 МДж/м и давления потока на поверхность 0,1 —0,5 МПа, установлены следующие факты: а) Выброс капель начинается при тепловой нагрузке выше порога плавления, но ниже порога кипения, причем, как порог, так и интенсивность выброса, зависят от состояния поверхности облучаемого материала. б) Капли имеют перпендикулярную к облучаемой поверхности компоненту скорости, сопоставимую с модулем скорости капель, лежащем в интервале 1—20 м/с. в) Анализ экспериментальных данных указывает на три возможных механизма выброса капель: нарушение критерия Тейлора при достаточно больших скоростях расплава, имеющих место в случае сплошных мишенейнеустойчивость Рэлея-Тейлора при движении расплава по поверхности достаточной кривизны, имеющей место на фрагментированных покрытияхнеустойчивость Кельвина-Гельмгольца в случае достаточно больших скоростей плазмы вдоль поверхности.

Результаты диссертационной работы свидетельствуют о том, что при — о плазменно-тепловых нагрузках вс диапазоне 0,5 — 2,5 МДж/м ¦ и длительностях воздействия на уровне 0,5 мс макроскопическая эрозия играет определяющую роль в разрушении как металлов, так и материалов на основе углеродно-волокнистых композитов. Поскольку указанный диапазон тепловых нагрузок и длительность, воздействия плазмы^{соответствуют} переходным плазменным процессам экспериментального термоядерного реактора ИТЭР,. следует ожидать, что макроскопическая? эрозиях будет определять ресурс защитных покрытий вакуумной камеры токамака ИТЭР по отношению-к этим процессам, а также количество пыли в виде продуктов макроскопической эрозии внутри камеры.токамака.

Полученные в диссертационной работе данные позволяют оценить ресурс защитных покрытий? и количество продуктов их эрозии (пыли) в разрабатываемых, термоядерных установках. Результаты работы могут быть использованы при выборе материалов защитных покрытий и приемлемых режимовработытокамака, атакжеразработкирасчетно-теоретическихмоделей макроскопическойэрозии материалов.

Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю В. М. Сафронову и руководителю отдела А. М. Житлухину за помощь в выборе направления^ данной работы, методов исследованияи обсуждение результатов. Автор особо признателен начальнику группы В. Л. Подковырову за знание и опыт, а также за обеспечение тех условий, бёз которых было бы невозможным проведение экспериментов вошедших в диссертацию. Автор благодарит своих коллег принимавших непосредственное участие в экспериментах, рассмотренных в работе, — А. Д. Музыченко, В. Ф. Левашова, В. А. Барсука, Д. В: Коваленко и И. М. Позняка.

Автор выражает особую благодарность жене Ю. Н. Климовой за постоянную поддержку.