Движение расплавленного металлического слоя по поверхности защитных покрытий вакуумной камеры ТЯР

Д.Д.Юнес

Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований.

Выпускная квалификационная работа

Москва - 2022



Цель работы:

Определить пороговые тепловые нагрузки, при которых достигается температура кипения на поверхности вольфрамовых защитных покрытий вакуумной камеры ТЯР.

Определить максимальную плотность энергии, которую способен поглотить материал при тепловом воздействии

Задачи:

• Создать численную модель, описывающую процесс нагрева вольфрамовой мишени тепловым импульсом
• Подобрать тепловую нагрузку, при которой на поверхности мишени достигается температура кипения
• Решить задачу теплопроводности с фиксированной температурой на поверхности
• Рассчитать плотность энергии, которую способен поглотить материал при тепловом воздействии

Плазменная установка КСПУ-Т

Параметры плазменного потока КСПУ-Т
Длительность импульса	t = 0.1 ÷ 1,2 мс
Скорость потока плазмы	v = (1÷3)105 м/с
Плотность плазмы	n = 1022 ÷ 1023 m-3
Диаметр потока	d = 5 см
Плазменные тепловые нагрузки	Qпл = 0.2 ÷ 5 МДж/м2
Фотонные тепловые нагрузки	Qhv = 0.02 ÷ 1 МДж/м2
Энергия ионов водорода	Ei =0.1÷0.5 кэВ

Ресивер

Мишенная камера

Ускоритель

Тепловая нагрузка: 1.5 МДж/м2

Длительность воздействия: 0.1 мс

Плотность мощности: 2 ГВт/м2

Фактор теплового воздействия: 55МДж/м2с0,5

Схема облучения мишени

Обзор экспериментальных работ

Рисунок 2. Кратер эрозии на поверхности стальной мишени после

облучения плазменным потоком КСПУ-Т*.

*Позняк И.М., Климов Н.С., Подковыров В.Л. и др. Эрозия металлов при воздействии интенсивных потоков плазмы – ВАНТ, Сер. Термоядерный синтез, 2012, Т. 35, № 4, С. 23-33.

Обзор экспериментальных работ

а) б)

Рисунок 3.а) Мишень из ниобия после серии облучений плазмой*

б) ниобиевая мишень после 25 воздействий плазменного потока**

*Мартыненко Ю.В. Движение расплавленного слоя металла и капельная эрозия при воздействии плазменных потоков характерных для переходных режимов ИТЭР – ВАНТ, Сер. Термоядерный синтез, 2014, Т. 37, №2, С.53-59. **Позняк И.М., Климов Н.С., Подковыров В.Л. и др. Эрозия металлов при воздействии интенсивных потоков плазмы – ВАНТ, Сер. Термоядерный синтез, 2012, Т. 35, № 4, С. 23-33.

Обзор экспериментальных работ

Рисунок 4. Сравнение рельефа поверхности на ниобиевой и стальной

мишенях *

*Мартыненко Ю.В. Движение расплавленного слоя металла и капельная эрозия при воздействии плазменных потоков характерных для переходных режимов ИТЭР – ВАНТ, Сер. Термоядерный синтез, 2014, Т. 37, №2, С.53-59.

Обзор теоретических моделей

Рисунок 5. Действие плазменного “ветра” на волну расплава. [2]

Тангенциальное касательное напряжение:

 

Оценка скорости движения расплава:

???????? ≈ 〈????????/????????〉Δ????????/???? ≈ 5∙м/с

 

[1] Позняк И.М., Климов Н.С., Подковыров В.Л. и др. Эрозия металлов при воздействии интенсивных потоков плазмы – ВАНТ, Сер. Термоядерный синтез, 2012, Т. 35, № 4, С. 23-33.

[2] Мартыненко Ю.В. Движение расплавленного слоя металла и капельная эрозия при воздействии плазменных потоков характерных для переходных режимов ИТЭР – ВАНТ, Сер. Термоядерный синтез, 2014, Т. 37, №2, С.53-59.

[3] Linke J., Akiba M., Bolt H. et al. — Ibid., 1994, vol. 212—215, p. 767.

[4] Belan V.G., Levashov V.F., Maynashev V.S. et al. — Ibid., 1996, vol. 233—237, p. 763.

Глубина, мм	Сетка, мм
0-0.01	0.001
0.01-0.03	0.005
0.03-0.1	0.01
0.1-1.5	0.05

Таблица 1. Сетка по глубине

Интервал, мс	Сетка, мс
0-1	0.25
1-2.2	0.0005
2.2-18	0.01

Таблица 2. Сетка по времени



Рисунок 6. График зависимости теплоемкости от температуры T.

 

5828К

3653К

Пороговые тепловые нагрузки при которых достигаются температуры кипения

Рисунок 8. Форма импульса нагрева материала тепловым потоком

Пороговые тепловые нагрузки при которых достигается температура кипения

Рисунок 9.

Кипение

Плавление

 

 

Пороговые тепловые нагрузки при которых достигается температура кипения

Рисунок 10.

Пороговая тепловая нагрузка, равная .

 

Предельные тепловые нагрузки, поглощаемые материалом

Рисунок 11. Зависимость температуры от координаты в слое вольфрама через 1 мс теплового воздействия.

Значение предельной тепловой нагрузки: МДж/м2 при t=1 мс

=26.6 МДж/м2**

d = 0.58 мм вольфрама будет испаряться за один срыв

 

*Pitts R.A., Carpentier S., Escourbiac F. et al. A full tungsten divertor for ITER: Physics issues and design status// Journal of Nuclear Materials. 2013. V. 438. P S48-S56.

*Pitts R.A., Carpentier S., Escourbiac F. et al.Physics basis and design for the ITER plasma-facing components// Journal of Nuclear Materials.2011.V. 415. P S957-S964.

Спасибо за внимание!

---

Смотрите также файлы

• География пнінен 4тосана арналан жиынты баалауды тапсырмалары 7сынып, і нса.docx

• Доклад на одну из тем Вклад Г. Гельмгольца в развитие экспериментальной психологии.docx

• Отчет по результатам производственной практики практики по получению профессиональных умений и опыта профессиональной деятельности (рассред.).docx

• План счетов бухгалтерского учета финансовохозяйственной деятельности организаций апк.docx

• Фоб01262 . А. Ясауи атындаы халыаралы азаТРlк университетl Стоматология факультетi.docx