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.

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.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Проект направлен на изучение устойчивости вольфрама к мощному быстрому нагреву. В первую очередь получаемые данные применимы к поведению самых нагруженных частей стенки вакуумной камеры в перспективных термоядерных реакторах. Тема является актуальной, так как в таких термоядерных установках в нормальном режиме работы горячая плазма периодически выбрасывается на внутренние конструкции вакуумной камеры. Можно отметить следующие важнейшие достижения на третьем году выполнения проекта: 1. Ранее наблюдалось противоречие между наблюдаемым во время импульсного нагрева увеличением температуры поверхности рядом с трещинами на поверхности и глубиной залегания образовавшихся параллельных поверхности трещин. Дело в том, что и на срезах облучённых образцов, и в теоретическом моделировании параллельные поверхности трещины расположены на глубине примерно в 2 раза превышающей дистанцию распространения температуры раз время нагрева. То есть, хотя такие трещины существенно увеличивают температуру поверхности при постоянном нагреве, но они не могут приводить к измеряемому перегреву на стадии импульсного нагрева. Оказалось, что перегретая область вдоль трещин на поверхности состоит из отдельных горячих точек, соответствующих небольшим участкам тела на сторонах трещины, у которых в результате образования трещины ухудшился тепловой контакт с остальной частью материала. 2. На первых годах реализации проекта благодаря использованию динамических оптических диагностик была измерена неожиданно большая задержка между импульсным нагревом и образованием трещин. Превышение ожидаемых величин составляло несколько порядков. В продолжение тех экспериментов удалось наблюдать последовательное образование трещин после импульсного нагрева с различными задержками на одном образце после конкретного импульсного нагрева. Отсутствие возникновения всей сети трещин связано с тем, что использовался образец, в котором трещины образуются вдоль одного направления (направление прокатки) и, соответственно, не распространяются в перпендикулярном направлении. 3. Была обнаружена связь остаточной шероховатости, измеренной по рассеянию лазерного излучения с интенсивностью воздействия на материал. Диагностика остаточного воздействия на материал по рассеянию лазерного рассеяния довольно проста в реализации и может использоваться в действующих термоядерных установках для определения состояния конструкций внутри вакуумной камеры. 4. Была усовершенствована система численного моделирования воздействия мощного электронного пучка на вольфрам. На данный момент численная модель включает в себя расчёт распространения тепла в образце (включая плавление), разлёт испарённого материала и протекание тока в образце и ионизованном газе над поверхностью. Моделирование даже обычных термодинамических процессов имеет существенные особенности из-за того, что нагрев происходит быстро. Данные по испарению материала в вакуум при импульсном нагреве могут существенно повлиять на понимание влияния газового слоя на импульсные выбросы плазмы на стенку вакуумной камеры термоядерного реактора.