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 19-19-00272

НазваниеЭффекты температурных напряжений и деформаций в материалах при импульсном нагреве

РуководительБурдаков Александр Владимирович, Доктор физико-математических наук

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

Года выполнения при поддержке РНФ2019 - 2021

КонкурсКонкурс 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


 

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


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В 2019 году по проекту «Эффекты температурных напряжений и деформаций в материалах при импульсном нагреве» были получены следующие результаты: - Было измерено распределение остаточных напряжений по поверхности материала после импульсной тепловой нагрузки. Продемонстрировано, что при переходе максимальной температуры на поверхности вольфрама во время импульсного нагрева от 600°C до 1200°C остаточные напряжения быстро растут от нулевого значения до некоторого максимального значения и далее резко замедляют рост. Такая сильно нелинейная связь между интенсивностью тепловой нагрузки и остаточными эффектами существенно влияет на механическое разрушение материалов при импульсном нагреве. - Разработана диагностика временного хода изгиба образца по измерению положения фокусного расстояния отражённого от поверхности материала лазерного излучения. Результаты измерений оказались количественно близки к результатам теоретического моделирования изгиба при импульсном нагреве. Метод временного хода изгиба на данный момент является единственным реализованным экспериментальным методом, который потенциально может дать экспериментальные данные о динамике деформаций и механических напряжений в поликристаллических материалах при импульсных тепловых нагрузках, аналогичных ожидающимся в перспективном термоядерном реакторе на основе токамака. - Качественно продемонстрирована возможность наблюдения уменьшения остаточных напряжений при медленном нагреве материала по изменению угла рассеяния дифракционного пика синхротронного излучения. К сожалению, особенности поведения формы дифракционного максимума не позволили получить корректный количественный результат на тестовых медных образцах. Эксперименты будут продолжены с вольфрамовыми образцами. - На станции рассеяния синхротронного излучения «Плазма» проведены эксперименты по измерению динамики дифракции при многократных импульсных тепловых нагрузках (~25 импульсов). Продемонстрировано, что остаточные деформации продолжают увеличиваться с каждым последующим импульсным нагревом. Для улучшения точности получаемых результатов создан быстрый одномерный детектор рентгеновского излучения с кремниевым сенсором.

 

Публикации

1. - Кремниевый детектор улучшил качество «картинки» на станции синхротронного излучения Наука в Сибири, 17 октября 2019 (год публикации - ).

2. - Новосибирские ученые разработали детектор для изучения материала, из которого будут построены стенки первого термоядерного реактора на Земле Интерфакс, 17.10.19 15:10 (год публикации - ).

3. - Новосибирская синхротронная станция «Плазма» получила кремниевый детектор Regnum, Новосибирск, 17 октября 2019, 14:13 (год публикации - ).

4. - Кремниевый детектор в пять раз улучшил качество «картинки» на станции синхротронного излучения Indicator, 20 октября в 15:14 (год публикации - ).

5. - Ученые изготовили новый детектор скоростного сбора данных для сибирского синхротрона ТАСС, НОВОСИБИРСК, 17 октября (год публикации - ).

6. 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).