Эффекты температурных напряжений и деформаций в материалах при импульсном нагреве

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 19-19-00272

НазваниеЭффекты температурных напряжений и деформаций в материалах при импульсном нагреве

Руководитель Бурдаков Александр Владимирович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский государственный технический университет" , Новосибирская обл

Конкурс №35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-101 - Прочность, живучесть и разрушение материалов и конструкций

Ключевые слова взаимодействие плазмы с поверхностью, импульсный нагрев, вольфрам, трещины, деформация, механические напряжения, рентгеновские и оптические диагностики

Код ГРНТИ81.09.07

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Данный проект направлен на решение проблемы разрушения стенки дивертора в термоядерном реакторе. Дивертор токамака ИТЭР, поверхность которого предполагается изготавливать из вольфрамовых пластин, согласно оценкам, будет подвергаться большой импульсной нагрузке вследствие возникновения неустойчивостей в процессе удержания плазмы. Это будет провоцировать протекание различных деструктивных процессов в металле (деформация его поверхности, структурные изменения внутри материала, появление напряжений). Напряжения, усиливаясь с количеством импульсов, в конечном итоге приводят к растрескиванию поверхности вольфрама. Это вызывает усиленную эрозию обращённой к плазме поверхности и образованию микрочастиц материала стенки. Свободные микрочастицы могут попадать в центральную часть горячей плазмы, испаряться, ионизоваться до больших степеней ионизации и вызывать мощное излучение, которое может резко снижать эффективность нагрева и удержания плазмы. Кроме того из-за значительного поглощения микрочастицами радиоактивного трития, их общее количество в плазменной камере ограничивается требованиями радиационной безопасности. В предлагаемом проекте предполагается применять различные методы диагностики для исследования появления пластической деформации и механических напряжений в вольфраме в реальном времени при импульсном нагреве: измерение эффекта пластической деформации и напряжений по изгибу облучаемого электронным пучком образца, в течение времени его нагрева и остывания, а также остаточный изгиб, остающийся после остывания и его изменение с числом и мощностью отдельных импульсов нагрева. Одновременно предполагается измерять динамику изменения распределения температуры поверхности, что, по мнению авторов, позволит точно представить динамику и пространственное распределение напряжений в материале и смоделировать их численно. Остаточные напряжения в облучённых таким образом образцах дальше предполагается независимо измерять с пространственным разрешение по рентгеновской дифракции. Кроме того, измерение динамики деформации по рентгеновской дифракции в монокристалле при импульсном нагреве лазером предполагается проводить также в реальном времени на установке с импульсным лазерным нагревом. Совместное использование различных методов моделирования импульсного нагрева и разнообразных диагностик позволит получить новые достоверные данные о механическом отклике вольфрама на импульсный нагрев. Первая часть проекта посвящена изучению процесса образования трещин на поверхности вольфрама. Этом механизм представляет интерес, поскольку появление трещин будет приводить к ускоренной эрозии дивертора. Моделирование тепловых нагрузок производится на установке BETA посредством облучения исследуемого материала мощным электронным пучком. Цель исследования – провести наблюдения за изгибом вольфрамовой мишени, возникшего по причине появления механических напряжений внутри металла, и восстановить по полученным данным информацию о дефомации и напряжениях в образце. Следующая часть проекта направлена на изучение эффекта релаксации материала и возможность использования его для устранения остаточных напряжений и деформаций. Предлагается использовать метод рентгеновской дифрактометрии, реализованный на станциях рассеяния синхротронного излучения на комплексе ВЭПП-3 для измерения остаточных напряжений и деформаций Также значительная часть проекта направлена на изучение напряжений в образце, возникающих при импульсной тепловой нагрузке, посредствам метода быстрой дифрактометрии, реализованном на станции “Плазма” на комплексе ВЭПП-4. По динамике дифракторгамм будет восстанавливаться распределение деформаций в монокристаллах.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. С.Б Сорокин, А.Г. Максимова, Г.Г. Лазарева, А.С. Аракчеев Numerical implementation of the Lame equation with complex boundary conditions Journal of Physics: Conference Series, S B Sorokin et al 2019 J. Phys.: Conf. Ser. 1336 012016 (год публикации - 2019)
10.1088/1742-6596/1336/1/012016

2. Аракчеев А., Аульченко В., Кудрявцев В., Шехтман Л., Жуланов В. Operation of silicon microstrip detector with integrating readout for fast time-resolved experiments IOP PUBLISHING LTD, TEMPLE CIRCUS, TEMPLE WAY, BRISTOL BS1 6BE, ENGLAND, A. Arakcheev et al 2020 JINST 15 C06065 (год публикации - 2020)
10.1088/1748-0221/15/06/C06065

3. Леонид Н. Вячеславов, Александр А. Васильев, Алексей С. Аракчеев, Дмитрий Е. Черепанов, Игорь В. Кандауров, Александр А. Касатов, Владимир А. Попов, Алексей А. Руктуев, Александр В. Бурдаков, Галина Г. Лазарева, Анастасия Г. Максимова, Андрей А. Шошин In situ study of the processes of damage to the tungsten surface under transient heat loads possible in ITER Journal of Nuclear Materials, Journal of Nuclear Materials Volume 544, February 2021, 152669 (год публикации - 2020)
10.1016/j.jnucmat.2020.152669

4. Илья Балаш, Алексей Аракчеев, Марат Шарафутдинов, Александр Шмаков, Борис Толочко и Александр Васильев Measurement of the residual stresses dynamics in tungsten during heating AIP Conference Proceedings (год публикации - 2020)
10.1063/5.0030563

5. Сергей Казанцев, Алексей Аракчеев, Олег Евдоков, Лев Шехтман, Борис Толочко и Любовь Вайгель Current status of the studies of x-ray diffraction on tungsten during pulsed heat loads at the scattering station «plasma» at the VEPP-4 source of synchrotron radiation AIP Conference Proceedings (год публикации - 2020)
10.1063/5.0030577

6. Черепанов Д.Е., Аракчеев А.С., Бурдаков А.В., Кандауров И.В., Касатов А.А., Попов В.А., Руктуев А.А., Васильев А.А., Вячеславов Л.Н. In situ method for studying stresses in a pulse-heated tungsten plate based on measurements of surface curvature Nuclear Materials and Energy, Volume 26, March 2021, 100919 (год публикации - 2021)
10.1016/j.nme.2021.100919

Публикации