КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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 17-79-20203

НазваниеИсследование динамики механического разрушения, плавления и разбрызгивания вольфрама при импульсных тепловых нагрузках, соответствующих условиям в перспективном термоядерном реакторе и моделируемых с помощью электронного пучка

РуководительАракчеев Алексей Сергеевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирская обл

Срок выполнения при поддержке РНФ07.2017 - 06.2020

КонкурсКонкурс 2017 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

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

Ключевые словавзаимодействие плазмы с поверхностью, переходные процессы, вольфрам, трещины, микрочастицы, электронный пучок, оптические и лазерные методы диагностики, компьютерное моделирование

Код ГРНТИ81.09.07


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Настоящий проект направлен на решение одной из ключевых проблем для термоядерных реакторов - разрушения материала стенки рабочей камеры под воздействием горячей плазмы. То, что термоядерная энергетика является одной из перспективных областей в приоритетном направлении развития науки РФ «Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика», обусловливает актуальность проекта. Конкретная задача, поставленная в проекте в рамках указанной выше проблемы, заключается в экспериментальном и теоретическом исследовании механизмов эрозии материала стенки под действием интенсивных импульсных тепловых нагрузок. Мощные импульсные тепловые нагрузки могут возникать при выбросах плазмы за пределы зоны магнитного удержания в случаях неконтролируемых неустойчивостей на краю плазмы (например, ЭЛМов в токамаках) или при возникновении общего нарушения магнитного удержания, приводящего к выбросу горячей плазмы на стенку рабочей камеры (например, большие срывы и убегающие электроны в токамаках). Плотность мощности тепловой нагрузки на стенку при этом может возрастать на 2-3 порядка относительно уровня стационарной нагрузки. По этой причине, даже единичные случаи мощных импульсных потоков тепла на стенку термоядерного реактора могут привести к её существенной эрозии и, следовательно, представляют значительную опасность. Понимание механизмов разрушения материала стенки при различных по интенсивности импульсных тепловых нагрузках может открыть пути снижения их влияния на работу термоядерного реактора. В предлагаемом проекте предполагается использовать уникальный источник мощного субмиллисекундного электронного пучка с компрессией в магнитном поле и с очень широким диапазоном плотностей мощности энерговыделения в поверхностном слое металлической мишени для экспериментального моделирования воздействия импульсной тепловой нагрузки на вольфрам. Использование электронного пучка для быстрого нагрева вместо потока плазмы из плазменного ускорителя открывает возможность измерения параметров материала прямо во время нагрева, поскольку отсутствует сильное излучение потока плазмы, нагревающего мишень. Научная новизна заключается в исследовании неоднородностей температуры и структуры поверхности, возникающих при пространственно-однородном облучении материалов. Эти неоднородности могут соответствовать местам плавления и повышенной эрозии материала в случае перегрева вблизи трещин из-за ухудшения теплоотвода, или проявляться как неоднородности температуры и формы поверхности расплава, сопровождающие выброс микрочастиц. Измерение динамики неоднородностей температуры и разработка математических моделей теплопроводности с учётом подповерхностных разрушений материала должны позволить оценивать in-situ характер и степень таких разрушений. Детальное исследование временного развития картины неоднородностей температуры и рельефа поверхности вместе с динамикой выброса с поверхности продуктов её эрозии дадут основу для разработки теоретических моделей эрозии. В итоге авторы проекта надеются выработать рекомендации по уменьшению разрушения материала стенки в случаях возникновения аномальных импульсных тепловых нагрузок в реакторе. Для выполнения указанных целей в проекте предусматривается развитие набора диагностик, в основном, оптических, которые до наших работ в подобных исследованиях не применялись. Кроме того, предполагается модификация источника электронного пучка и расширения диапазона параметров воздействия на мишень для более точного соответствия условиям импульсных тепловых нагрузок на материалы в термоядерных установках. Механическое разрушение вольфрама в виде образования сети трещин ожидается в термоядерном реакторе даже при импульсных тепловых нагрузках, которые будут существовать в стандартных режимах работы при с ЭЛМами. В предлагаемом проекте трещинообразование в материале будет изучаться с точки зрения двух опасностей для работы реактора: перегрев поверхности из-за ухудшения отвода тепла параллельными поверхности трещинами и генерация опасных для плазмы микрочастиц в перегретых областях. Для исследований в этой области будут разрабатываться численные модели для расчёта теплоотвода в повреждённом материале. Генерация микрочастиц при тепловых нагрузках, соответствующих самым мощным срывам плазмы на стенки термоядерных установок, будет изучаться по рассеянию лазерного излучения на частицах и фотографированию разлёта частиц. Проект будет направлен на проверку рабочей гипотезы о генерации капель из-за кипения поверхностного слоя во время нагрева или сразу после его окончания за счёт резкого уменьшения давления на поверхность. Такое поведение расплава было предсказано по результатам ранее проведенного моделирования. По результатам экспериментов модель будет уточняться и будут строиться новые модели генерации микрочастиц.

Ожидаемые результаты
По результатам выполнения проекта предполагается продолжить начатые ранее первые в мире исследования пространственной динамики модификации и разрушения поверхности вольфрама в течение всего времени нагрева и остывания вольфрамовой мишени при воздействии на нее мощной импульсной тепловой нагрузки. Кроме того, будет исследована генерация и разлет капель расплава вольфрама, одного из самых опасных для работы реактора продуктов эрозии материала стенки. При этом будут проанализированы зависимости от типа вольфрама, включая предназначенный для дивертора экспериментального реактора ИТЭР, от плотности мощности тепловой нагрузки и от условий, предшествующих импульсной тепловой нагрузке. Эти условия будут определяться количеством и мощностью предыдущих импульсных тепловых нагрузок, предварительным прогревом мишени и температурным режимом прогрева, а также начальной температурой, при которой начинается её импульсный нагрев. Поскольку вольфрам выбран материалом для дивертора в международном экспериментальном термоядерном реакторе и является также наиболее вероятным материалом для наиболее энергетически нагруженных элементов стенки других типов термоядерных реакторов, авторы проекта уверены в большой научной и практической важности результатов работы над проектом. Оригинальные результаты исследований планируется опубликовать в серии из девяти статей в журналах с высоким импакт-фактором. Представление результатов работы на международных и всероссийских конференциях позволит вынести их на обсуждения научной общественностью.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В термоядерном реакторе горячая плазма будет соприкасаться со стенками камеры. Поэтому стенки будут постоянно греться этой плазмой. Кроме того, из-за периодических выбросов плазмы на стенку она будет испытывать импульсный нагрев. Короткие мощные тепловые нагрузки могут приводить к нагреву поверхности материала на тысячи градусов за десятитысячные доли секунды. Поэтому наш проект направлен на изучение разрушения вольфрама при таких импульсных тепловых нагрузках (именно из вольфрама на данный момент предполагается делать самые нагруженные части стенки). Особенность нашего проекта в том, что изучается не только результат импульсного нагрева, но и сам процесс разрушения материала при импульсном нагреве и остывании после него. Исследование динамики при нагреве важно для того, чтобы понять физические механизмы, которые приводят к разрушению. Такое понимание должно позволить минимизировать разрушение материалов в реальных ситуациях. Возможность исследовать динамику разрушения материала позволили используемые способы моделирования импульсной тепловой нагрузки и диагностики поверхности материала. Импульсная тепловая нагрузка моделируется импульсным электронным пучком, а измерения проводятся с помощью оптических диагностик. Нагрев электронным пучком не создает паразитной фоновой засветки, а оптические диагностики можно сделать достаточно быстрыми и удаленными от нагруженных мест. Для использования электронного пучка в качестве импульсной тепловой нагрузки понадобилось измерить поток энергии в нем в месте расположения мишени и изменить его режим работы для соответствия требуемым плотностям мощности и длительности нагрева. Кроме того, была проделана работа по изучению особенностей нагрева материалов мощным электронным пучком. Дело в том, что обычно используется нагрев потоком плазмы. Отличие заключается в том, что поток плазмы тормозится облаком испаренного материала. На электроны в пучке газ влияет гораздо слабее. Поэтому ограничение нагрева электронным пучком наступает тогда, когда материал начинает испаряться из-за высокой температуры настолько быстро, что испаряющийся газ начинает уносить с собой почти столько же энергии, сколько приносят электроны пучка. Справедливость такой модели была подтверждена сравнением результатов расчета и измерений. Для измерения состояния поверхности использовались оптические диагностики, измеряющие тепловое излучение поверхности или излучение рассеянного на поверхности лазера. В первом случае можно наблюдать распределение температуры на поверхности или зависимость температуры поверхности от времени. С помощью этой диагностики было обнаружено, что при равномерном по поверхности нагреве некоторые области на поверхности перегреваются. Ранее мы наблюдали перегрев рядом с трещинами на поверхности и связывали это с ухудшением теплоотвода из-за трещин. На специальных сортах вольфрама для термоядерного реактора были обнаружены отдельные перегревающиеся точки. Похоже, что отдельные зерна материала имеют плохой тепловой контакт с остальным материалом. Такой перегрев важен для правильного инженерного расчета термоядерного реактора, так как медленно остывающие области при постоянных импульсных нагрузках приведут к плавлению материала. Оптические диагностики на основе измерения рассеянного на облучаемой поверхности лазера позволяют измерять состояние поверхности даже при низких температурах, когда собственное тепловое излучение материала мало. Такой диагностикой измерялась шероховатость поверхности. Шероховатость является информативным параметром при описании динамики состояния поверхности, так как она показывает степень пластической деформации материала и появление трещин. Трещины можно наблюдать по рассеянию лазера из-за того, что после образования на поверхности трещин их края чуть-чуть приподнимаются. С помощью этой диагностики была обнаружена неожиданно большая задержка между импульсным нагревом и образованием трещины. Длительность нагрева в эксперименте была несколько десятитысячных секунды, а его следствие в виде растрескивания поверхности происходило только через несколько секунд. Это оказалось совершенно неожиданным эффектом. Дальнейшее исследование этого явления может дать принципиально новую информацию о процессах механического разрушения материалов.

 

Публикации

1. - Ученые смоделировали поведение вольфрама в термоядерном реакторе Neftegaz.Ru, 13.04.18 (год публикации - ).

2. - Ученые смоделировали поведение вольфрама в термоядерном реакторе 123ru.net, 13.04.18 (год публикации - ).

3. - Ученые смоделировали поведение вольфрама в термоядерном реакторе ИА Мангазея (mngz.ru), 13.04.18 (год публикации - ).

4. - Воздействие плазмы Инновационный портал Уральского Федерального округа (invur.ru), 13.04.18 (год публикации - ).

5. - Ученые смоделировали поведение вольфрама в термоядерном реакторе Академгородок (academcity.org), Академгородок (academcity.org) (год публикации - ).

6. - Смоделировано поведение металла в термоядерном реакторе Indicator.ru, 11.04.18 (год публикации - ).

7. - Российские ученые смоделировали поведение вольфрама в термоядерном реакторе PCNews.Ru, 11.04.18 (год публикации - ).

8. - Российские ученые смоделировали поведение вольфрама в термоядерном реакторе Популярная механика (www.popmech.ru), 11.04.18 (год публикации - ).

9. - Ученые Института ядерной физики им. Будкера смоделировали поведение вольфрама в термоядерном реакторе Российское атомное сообщество (Atomic-Energy.ru), 11.04.18 (год публикации - ).

10. - Новосибирские ученые смоделировали поведение вольфрама в термоядерном реакторе ИА Мангазея (mngz.ru), 11.04.18 (год публикации - ).

11. - Новосибирские ученые смоделировали поведение вольфрама в термоядерном реакторе BezFormata.Ru, 11.04.18 (год публикации - ).

12. Аракчеев А.С., Апушкинская Д.Е., Кандауров И.В., Касатов А.А., Куркучеков В.В., Лазарева Г.Г., Максимова А.Г., Попов В.А., Снытников А.В., Трунев Ю.А., Васильев А.А., Вячеславов Л.Н. Two-dimensional numerical simulation of tungsten melting in exposure to pulsed electron beam Fusion Engineering and Design, Т. 132, с. 13-17 (год публикации - 2018).

13. Аракчеев А.С., Аракчеев С.А. Solution to force problem of linear elasticity theory for quarter space with edge-uniform forces Journal of Applied and Theoretical Physics Research, Vol: 2, Issue: 2, page:5-12 (год публикации - 2018).

14. Вячеславов Л.Н., Аракчеев А.С., Батаев И.А., Бурдаков А.В., Кандауров И.В., Касатов А.А., Куркучеков В.В., Попов В.А., Шошин А.А., Сковородин Д.И., Трунев Ю.А., Васильев А.А. Diagnostics of the dynamics of material damage by thermal shocks with the intensity possible in the ITER divertor Physica Scripta, - (год публикации - 2018).

15. Куркучеков В., Кандауров И. и Трунев Ю. 2D imaging X-ray diagnostic for measuring the current density distribution in a wide-area electron beam produced in a multiaperture diode with plasma cathode Journal of Instrumentation, 2018 JINST 13 P05003 (год публикации - 2018).


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
На втором году реализации проекта продолжалось исследование воздействия на вольфрам импульсных тепловых нагрузок, приводящих к механическому разрушению материала в виде образования трещин и расплаву. Из результатов, полученных на экспериментальной установке BETA (Beam of Electrons for material Test Applications) можно отметить развитие систем динамических диагностик поверхности материалов при мощном импульсном нагреве и исследование движения электронов в пучке. Развитие систем динамической диагностики позволило получить данные о скорости распространения трещин при их образовании по данным о возмущении формы поверхности в различных точках. Кроме того, применён метод измерения динамики деформации материала по изменению фокусировки лазера, отражённого от изгибающего при импульсном нагреве образца. Такая диагностика кроме получения данных о динамике деформаций и напряжений позволила подтвердить наличие измеренной на первом году проекта задержки между импульсным нагревом и образованием трещин по скачкообразному изменению радиуса кривизны образца. Изучение движения электронов в пучке позволило получить данные об условиях, в которых облучение поверхности происходит однородно даже при использовании много апертурного источника. Однородность облучения является необходимым условием для моделирования реальных условий воздействия на материалы в термоядерном реакторе. Теоретическое моделирование на втором году реализации проекта было направлено на доработку точности расчета распределения температуры для моделирования длительного остывания и расчёт движения расплавленного материала и газа над поверхностью.

 

Публикации

1. - Смоделировано поведение металла в термоядерном реакторе Всероссийский фестиваль науки (festivalnauki.ru), - (год публикации - ).

2. А.А. Васильев, А.С. Аракчеев, А.В. Бурдаков, И.А. Батаев, И.В. Кандауров, А.А. Касатов, В.В. Куркучеков, В.А. Попов, А.А. Шошин, Ю.А. Трунев, Л.Н. Вячеславов Continuous laser illumination for in situ investigation of tungsten erosion under transient thermal loads Fusion Engineering and Design, 21.04.2019 (год публикации - 2019).

3. А.С. Аракчеев, С.А. Аракчеев, И.В. Кандауров, А.А. Касатов, В.В. Куркучеков, Г.Г. Лазарева, А.Г. Максимова, В.И. Машуков, В.А. Попов, Ю.А. Трунев, А.А. Васильев, Л.Н. Вячеславов On the mechanism of surface-parallel cracks formation under pulsed heat loads Nuclear Materials and Energy, Nuclear Materials and Energy 20 (2019) 100677 (год публикации - 2019).

4. Г.Г. Лазарева, А.С. Аракчеев, А.В. Бурдаков, И.В. Кандауров, А.А. Касатов, В.В. Куркучеков, А.Г. Максимова, В.А. Попов, А.А. Шошин, А.В. Снытников, Ю.А. Трунев, А.А. Васильев, Л.Н. Вячеславов Numerical model of high-power transient heating of tungsten with considering of various erosion effects IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series, IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series 1103 (2018) 012001 (год публикации - 2018).

5. Г.Г. Лазарева, А.С. Аракчеев, И.В. Кандауров, А.А. Касатов, В.В. Куркучеков, А.М. Максимова, В.А. Попов, А.В. Снытников, Ю.А. Трунев, А.А. Васильев, Л.Н. Вячеславов Computational experiment for solution of the Stefan problem with nonlinear coefficients AIP Conference Proceedings, Vol. 2025, 080005 (год публикации - 2018).

6. Лазарева Г.Г., Аракчеев А.С., Васильев А.А., Максимова А.Г. Numerical Simulation of Tungsten Melting Under Fusion Reactor-Relevant High-Power Pulsed Heating Smart Innovation, Systems and Technologies, GCM50 2018, SIST 133, pp. 41–51, 2019 (год публикации - 2019).