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 19-19-00272

НазваниеЭффекты температурных напряжений и деформаций в материалах при импульсном нагреве

РуководительБурдаков Александр Владимирович, Доктор физико-математических наук

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

Период выполнения при поддержке РНФ

2019 г. - 2021 г.

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 словавзаимодействие плазмы с поверхностью, импульсный нагрев, вольфрам, трещины, деформация, механические напряжения, рентгеновские и оптические диагностики

Код ГРНТИ81.09.07

СтатусУспешно завершен

---

 

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.

Ожидаемые результаты
Исследование деформации вольфрамового образца вследствие возникновения механических напряжений при его импульсном нагреве, имеет большое значение в реализации проекта ИТЭР. В качестве приоритетного материала для постройки дивертора токамака ИТЭР в настоящее время выбран вольфрам в силу того, что этот металл относительно слабо распыляется, не активируется нейтронным потоком, устойчив к тепловым нагрузкам. Однако в режимах удержания с высокой эффективностью и максимальной мощностью нагрева до сих пор нет окончательного решения полного подавления неустойчивостей края плазмы (ЭЛМов), приводящих к мощным импульсным периодическим тепловым нагрузкам на стенки дивертора. Термические напряжения вольфрамовых пластинах дивертора, возникающие вследствие таких нагрузок, вызывают структурные изменения вольфрама, которые, развиваясь, приводят к растрескиванию его поверхности и к значительному усилению её эрозии. Данный проект ставит своей целью детальное исследование развития напряжений в зависимости от мощности и числа импульсов нагрева, от особенностей предварительной обработки поверхности вольфрама, его исходной внутренней структуры, толщины образца и его начальной температуры. Уникальная особенность проекта позволяет проводить исследования динамики модификации вольфрама в реальном времени непосредственно в процессе его импульсного нагрева и остывания. Сочетание различных методов нагрева и диагностик на трёх различных установках с численными методами моделирования и аналитическим анализом позволит выяснить закономерности развития разрушения вольфрама, оптимизировать выбор типа вольфрама и его предварительную подготовку, а также определить пороги нагрузок, при которых начинается интенсивная эрозия поверхности.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---