Экспериментальные исследования и разработка углеродосодержащих материалов для компонент термоядерных установок, обращенных к плазме тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ им. Д.В. ЕФРЕМОВА

РГ6 ОД

На правах рукописи

1 4 АПР

ыи ; УДК 621.039.634:661.666

БУРЦЕВА Татьяна Анатольевна

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА УГЛЕРОДОСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ КОМПОНЕНТ ТЕРМОЯДЕРНЫХ УСТАНОВОК, ОБРАЩЕННЫХ К ПЛАЗМЕ

01.04.13 - электрофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискакие ученой степеии кандидата технических паук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ - 1998

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Саксаганский Георгий Леонидович

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Гусева Мария Ильинична

кандидат технических наук Кравчик Александр Ефимович

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт физики

Санкт-Петербургского университета

Защита состоится 1998 г. в часов на

заседании специализированного совета К 034.05.01 при Научно-исследовательском институте электрофизической аппаратуры им.Д.В.Ефремова в помещении Клуба ученых (Металлострой, ул. Полевая, д. 12).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЭФА.

Автореферат диссертации разослан "с^" 1998 г.

Отзывы об автореферате в одном экземпляре, заверенные ученым секретарем и скрепленные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 189631, Санкт-Петербург, НИИЭФА. Телефон:(812)4644584

Телефакс:(812)4644623

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук

Б.Н. Жуков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Разрушение материалов энергоналряженных конструкций термоядерных установок (ТЯУ) в результате распыления, нейтронного облучения, термоциклических нагрузок, срывов тока плазмы приводит к уменьшению срока их службы и вызывает загрязнение плазмы. Это ставит проблему поиска новых материалов на одно из первоочередных мест в разработке внутрикамерных элементов реакторов-токамаков.

Особое место здесь занимают углеродосодержащие материалы. Низкий атомный номер, благоприятные теплофизические свойства и стойкость к термоудару, присущие углеродосодержащим материалам, определяют их преимущества перед другими кандидатяыми материалами, работающими в контакте с высокотемпературной плазмой. Дивертор реактора-токамака является элементом конструкции, работающим в наиболее жестких условиях. В диверторе проектируемого международного термоядерного реактора ИТЭР на наиболее энергонапряженных участках предусматривается установка углеграфитовых облицовочных плиток, припаянных к охлавдаемой подложке. Условия эксплуатации этих плиток определяются: -высокими тепловыми нагрузками на поверхность (в квазистационарном режиме до 5 МВт/м2, что приводит к повышению температуры поверхности до ~ 1200°С; в режиме срыва тока плазмы энерговыделение в течение ~ 10 мс достигает 100 МДж/м2 и приводит к сублимации углеродного материала);

-значительными потоками частиц (до 1023 ВТ/м2с), что вызывает эрозию материалов в результате физического и химического распыления со скоростью ~10 нм/с;

-циклическим режимом работы (~104 циклов, продолжительность- 103с); -наличием нейтронной нагрузки (~10и н/см2с, флюенс до 10л н/см2).

Для отбора материалов, обеспечивающих достаточную эксплуатационную надежность и ресурс энергонапряженных элементов, в этих условиях существенны следующие критерии:

1. Высокая теплопроводность. Увеличение теплопроводности материала пропорционально увеличивает допустимую толщину облицовки (максимально допустимая температура поверхности углеродной мишени не должна превышать 1200°С в связи с резко растущей радиационно-индуцированной сублимацией) и, следовательно, увеличивает срок службы элемента.

2. Комплекс термомеханических характеристик. Стойкость материала к термомеханическим нагрузкам под воздействием

термоциклических напряжений в квазистационарном режиме и в режиме срыва тока плазмы, как правило, повышается с увеличением теплопроводности и прочности материала и падает с ростом коэффициента термического расширения и модуля упругости.

3. Стойкость материала к тепловой и ионной эрозии. Как ожидается, ее увеличения можно достичь введением легирующих добавок в исходный материал и повышением на микроуровне его структурной однородности.

4. Стойкость материала к нейтронному облучению. Нейтронное облучение приводит к значительным формоизменениям в графите, резкому снижению теплопроводности, деградации кристаллической структуры, росту коэффициента термического расширения и модуля упругости, что существенно снижает термопрочность материала. Как показывает опыт эксплуатации графитов в ядерных реаеторах, радиационную стойкость можно увеличить, формируя в материале характерные микроструктурные образования.

5. Минимальные значения скорости поглощения и предельной концентрации поглощенного трития. Разработка принципиальных подходов к решению этой задачи находится лишь в начальной стадии.

Целью работы явилось комплексное исследование существовавших к ее началу углеродосодержащих материалов под влиянием характерных для термоядерных реакторов (ТЯР) радиационных воздействий, выявление критических факторов, формирование на этой основе физико-технологических принципов создания модифицированных материалов и экспериментальное подтверждение их эффективности путем изучения разработанных материалов на имитационных электрофизических установках, в ядерных реакторах и на действующих токамаках.

Научная новизна

1. Показано, что теплопроводность рекристаллизованных графитов типа РГ-Т может быть существенно увеличена путем подбора оптимальной температуры, давления и длительности технологического процесса. На этой основе разработана новая модификация рекристаллизованного графита марки РГ-Т-91 с рекордной для данного класса материалов теплопроводностью (>.2о°с>(300 Вт/м К) и получены ее теплофизические и физико-механические характеристики, в том числе после нейтронного облучения при флюенсах до 1022 н/см2 и температурах 400-1000 °С.

2. Показано, что снижению коэффициентов распыления графита и накопления в нем изотопов водорода способствует введение малых

количеств бора преимущественно в кристаллическую решетку. Исходя из этого, разработаны рекристаллизованные графиты с концентрацией титана ~2гт% и фиксированными малыми количествами бора (0.1-1.0„%).

3. Показана технологическая возможность получения высокотеплопроводного (Ьо^с^ОО Вт/'ыК), высокопрочного (стсж < 150 ?ЛПа) углеродного арм1фованного материала, и разработаны углерод-углеродные композиты типа УАМ на основе ПАН-волокон и пироуглеродной матрицы с 3-5 направленным плетением каркаса, мелкоячеистой структурой (до 1.5x1.5x0.75 мм3) и дополнительными добавками титана (~0.15ат%) и бора (~0.2„%).

4. Исследованы коэффициенты распыления разработанных материалов ионами дейтерия и гелия (~ЗООэВ) при дозах Ю20-Ю22 ион/см2 и температурах 150-800°С. Показано, что для графита РГ-Т-91 в области максимального химического распыления скорость эрозии снижается более чем в три раза, а для графита РГ-ТБ - почти в пять раз, по сравнению с другими материалами.

5. Исследовано поведение разработанных углеродосодержащих материалов под воздействием интенсивных электронных и плазменных потоков малой длительности (50-300 мкс, до 3 кДж/см2), имитирующих режим срыва тока плазмы в токамаках. Показана их повышенная стойкость к тепловой эрозии и термомеханическим нагрузкам.

6. Проведено экспонирование разработанного графита РГ-Т-91 на токамаке А5ВЕХ-Т1р£гас1е с последующим исследованием распыления, перенапыления и накопления водорода и дейтерия в материале. Показано, что рост температуры поверхности облицовочных диверторных плиток из графита РГ-Т-91 в два раза меньше, чем для изотропного графита ЕК-98. Поступление тиггана в плазму токамака в результате эрозии не зафиксировано.

7. Проведено облучение разработанных углеродосодержащих материалов в ядерных реакторах ИР-8 и БОР-бО в широком диапазоне флюенсов (10,8-1022 н/см2) и температур (200-1000°С), и исследовано влияние облучения на радиационное формоизменение, а также на теплофизические и физико-механические свойства. Показана высокая радиационная стабильность графита РГ-Т-91 в сравнении с другими высокотеплопроводными углеродосодержащими материалами.

Научная и практическая ценность работы. Разработаны модифицированные рекристаллизованные графиты и углерод-углеродные композиционные материалы с высокой теплопроводностью, ранее не зафиксированной на аналогичных типах материалов. Проведенные имитационные эксперименты и испытания (распыление

легкими ионами, перенапыление, срывы тока плазмы, нейтронное облучение) продемонстрировали высокую стойкость разработанных материалов к воздействию деструктивных факторов ТЯР. Результаты могут быть применены при разработке новых радиационно стойких материалов для установок термоядерного синтеза, а также при проектной разработке реактора ИТЭР.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Физико-технологические принципы создания и разработка рекристаллизованных графитов с высокой теплопроводностью, повышенной стойкостью к ионной и тепловой эрозии, нейтронному облучению.

2. Способ уменьшения скорости распыления и накопления изотопов водорода путем введения в рекристаллизованный графит малых добавок бора.

3. Технологические принципы создания и разработка высокопрочных углерод-углеродных армированных композиционных материалов с высокой теплопроводностью.

4. Результаты определения дозовых и температурных зависимостей коэффициентов распыления базовых и разработанных углеродосодержащих материалов, а также закономерностей изменения морфологии поверхности, фазового и элементного составов под ионными и плазменными воздействиями.

5. Результаты исследования поведения базовых и модифицированных углеродосодержащих материалов под действием короткоимпульсных электронных и плазменных потоков, имитирующих режимы срыва тока плазмы.

6. Результаты исследования влияния нейтронного облучения на теплопроводность, коэффициент термического расширения и радиационное формоизменение разработанных углеродосодержащих материалов.

Апробация работы. Основные результаты работ были доложены на международных конференциях по материалам для реакторов термоядерного синтеза (США, 1991; Италия, 1993; Россия, 1995), рабочих совещаниях ИТЭР по дивертору и первой стенке (Германия, 1990-1995), всесоюзных конференциях по радиационному воздействию на материалы термоядерных реакторов (Россия, 1990, 1992, 1994), международных симпозиумах по термоядерной и ядерной технологии (Германия, 1991; Германия, 1994; Япония 1997), международных рабочих группах по углеродным материалам (Германия, 1993; Швеция, 1995), рабочих семинарах по исследованию углеродных материалов дая

термоядерных реакторов (США, 1993; Германия, 1994), международной конференции по углероду (США, 1995), международной конференции по взаимодействию плазмы с поверхностью в термоядерных установках (Франция, 1996).

Разработанные рекристаллизованные графиты и углерод-углеродные армированные композиционные материалы прошли испытания на экспериментальных имитационных установках в НИИЭФА (Санкт-Петербург), РНЦ "Курчатовский институт" (Москва), ИФХ РАН (Москва), СПбГУ (Санкт-Петербург), IPP (Германия), KFA (Германия), SNLA (США), ORNL (США), Osaka University (Япония), CENS (Франция) и на действующих токамаках ASDEX-Upgrade и TEXTOR (Германия).

Публикации. Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 35 печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и приложений. Объем работы составляет 185 страниц, в том числе 66 рисунков, 25 таблиц, список литературы из 184 работ.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении сформулированы тема диссертации, цель работы, научная новизна, научная и практическая значимость работы и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе сделан обзор опубликованных работ по теме диссертации, проанализированы результаты предшествующих исследований углеграфитовых материалов на имитационных установках и токамаках. Показано, что имеющиеся к началу данной работы графиты не удовлетворяют в достаточной степени критериям отбора кандидатных материалов для компонент ТЯР, обращенных к плазме, из-за низкой теплопроводности и малой стойкости к термическим напряжениям и нейтронному облучению. Описаны условия работы энергонапряженных элементов реактора ЙТЭР, и определены задачи работы.

Вторая глава посвящена описанию использовавшегося оборудования и методик экспериментов. Основные исследования проводились на электронном и квазистационарном плазменном ускорителях, предназначенных для моделирования режимов срыва тока плазмы в токамаках, на установке с газовым разрядом с полым катодом и на магнетронной распылительной установке, имитирующих процессы распыления и перенапыления, на токамаке ASDEX-Upgrade и в ядерных реакторах ИР-8 и БОР-бО (табл.1).

Таблица 1

ПАРАМЕТРЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСТАНОВОК

УСТАНОВКА ИМИТИРУЕМЫЙ ФАКТОР ВОЗДЕЙСТВИЯ ПАРАМЕТРЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ*

Ускоритель электронов "СОМ" Срыв тока плазмы в токам аке 0„ад=1-5 МДж/см2 Ее-= 50-100 кэВ т = 50-200 мкс

Квазистационарный ускоритель плазмы ВИКА Срыв тока плазмы в тока,маке Опад-1-30МДж/ м2 Ен+ ~ 200 эВ т=50-360 мкс

Установка "Газовый разряд с полым катодом" Распыление материала под действием плазмы ]Ие,-101б-510,7Не+/смгс Ен«+ ~ 300 эВ 0<Л1=102°-5102а11е+/см2

Магнетронная распылительная установка Распыление материала под действием плазмы ]гн~ЮпВ+/смгс Е04-= 100-500 эВ Ообл=1020-' 1022Б+/см2 Тобл=150-800°С

Токамак АБЮЕХ-ир§га(]е Реальные условия дивертора токамака п„.1азм=(3-8)10" м-3 . Тс..„о„~1кэВ, сц~80% тжсп=3000 с

Материаловедческий ядерный реактор ИР-8 Нейтронное облучение н/см\ Е>0.18МэВ 00бл=10и-510гон/смг То5л=200-650°С

Ядерный реактор на быстрых нейтронах БОР-60 Нейтронное облучение ]~2'1015н/см1'с,Е>0.18МэВ 1)О6Л=4Т021-Ю22Н/СМ2 Товд^ОО-ЮОО'С

* Опзд - плотность падающей энергии; т - время воздействия; ТобЛ - температура облучения; Е - энергия частиц; Бобл - доза облучения; 3 - плотность потока падающих частиц; Пдашм - плотность плазмы; с - концентрация частиц.

Для анализа процессов, происходящих в материалах при имитационных воздействиях, использовались следующие методики: 1. Количественный объемный химический анализ проводился методом масс-спектрометрии вторичных нейтральных частиц (МС8Н) на промышленной установке ША-З фирмы ЬеуЬоИ.

2. Анализ распределения примесей в приповерхностном слое материала и на глубину в несколько миллиметров изучался методом вторичной ионной масс-спектрометрии (ВИМС) с использованием ионного микрозонда IMS-4f фирмы САМЕСА. В обычном режиме послойного анализа глубина контролируемого слоя не превышает 3-10 мкм. Для анализа распределения примесей на глубину 2-3 мм использовалась стандартная методика "Line scan" для поперечных шлифов.

3. Рентгеноструктурное исследование материалов осуществлялось на дифрактомегрической системе Geigerflex d/max-RC с вращающимся анодом фирмы Rigaku. Фазовый анализ поверхности проводился по стандартной методике с углом сканирования 0-20°.

4. Состояние поверхности образцов после ионных, плазменных и электронных воздействий изучалось на растровых электронных микроскопах с рентгеновскими микроанализаторами.

5. Количественное измерение эрозии материала проводилось микрогравиметрическим и профилометрическим методами.

6. Измерения теплопроводности до и после нейтронного облучения проводились методом Кольрауша в диапазоне температур 20-800°С.

7. Измерения коэффициента термического расширения (КТР) образцов до и после нейтронного облучения проводились на установке "Кварцевый дилатометр" в температурном интервале 20-800°С.

Третья глава посвящена разработке модифицированных рекристаллизованных графитов и углерод-углеродных композиционных материалов. Эти два класса материалов были выбраны для углубленных технологических исследований как наиболее отвечающие вышесформулированным критериям и с учетом результатов предварительных имитационных исследований.

Рекристаллизованиые графиты. Анализ предварительных исследований показал, что оптимальными карбидообразующими добавками в графит в процессе его изготовления являются титан, существенно увеличивающий степень усадки материала и его теплопроводность, и бор, вводимый в материал в малых количествах (0.1-0.2%). Большие количества бора, введенные в рекрнсталлизованный графит, резко снижают его теплопроводность (в три-пять раз). Этот фактор объясняется рассеянием тепловых колебаний на дефектах, образованных в кристаллической решетке графита замещенными атомами бора. Исследования показали, что введение малых добавок бора не приводит к критическому снижению теплопроводности графита (рис.1, а), позволяя уменьшить его эрозию в результате химического распыления и радиационно-индуцированной сублимации и снизить предельную концентрацию водорода, накапливаемого в материале.

О 200 400 600 800

ТЕМПЕРАТУРА ИЗМЕРЕНИЯ, °С

ТЕМПЕРАТУРА ИЗМЕРЕНИЯ, °С

Рис. 1. Теплопроводность разработанных рекристаллизованных графитов типа РГ-Т и РГ-ТБ (а) и углерод-углеродных армированных материалов типа УАМ (б).

Получение графитов этого типа осуществляется путем совместного прессования и обжига ( при температуре 700 - 800°С) и последующей термомеханической обработки (2500-2800°С; давление ~30МПа). Благодаря пластичности материала, определяемой высокотемпературной ползучестью углерода, увеличиваемой за счет образования эвтектической фазы в системе металл-углерод, при деформации заготовки по высоте до 35-45% происходит сближение структурных элементов, значительное снижение пористости (до 0.31.0%), уплотнение и существенное повышение электро- и теплопроводности.

Проведенные технологические исследования были направлены на выбор оптимальных количеств и разновидностей углеродных наполнителей, связующего, а также титана и бора. Проведены исследования по получению рекристаллизоваиных графитов с различным соотношением титана и бора и изучению влияния этого соотношения на характеристики конечного материала. Дополнительные исследования были проведены по изучению возможностей получения рекристаллизованного графита с фиксированным содержание бора в кристаллической решетке графита для подтверждения предположения, что за уменьшение ионной эрозии материала и накопление в нем изотопов водорода ответственен преимущественно только бор; находящийся в твердом растворе замещения графита, а не в форме карбида.

Свойства полученных рекристаллизоваиных графитов приведены в табл. 2. Как следует из полученных результатов, наилучшими свойствами обладают рекристаллизованный графит РГ-Т-91 (теплопроводность Яяо'с > 600 Вт/мК и плотность (>~2.25 г/см3, приближающаяся к теоретическому пределу для графита) и борированный графит РГ-ТБ, содержащий около 0.1% бора.

Для уменьшения поступления примесей в плазму изучены способы технологической очистки разработанных графитов от примесных компонент. Исследованы различные методы: высокотемпературная (3200°С) обработка материала, очистка фреоном, ВГз и хлором. Показано, что наиболее эффективна обработка графитов в среде фреона или их высокотемпературная вакуумная обработка, причем, если после фреоновой очистки незначительно ухудшаются поверхностные свойства материала, в том числе уменьшается теплопроводность, то высокотемпературная обработка в вакууме приводит даже к повышению последней, сводя к минимуму содержание примесей в графите.

Углерод-углеродные армированные композиционные материалы (типа УАМ). Предварительно проведенные исследования углеродных материалов этого класса, обладающих высокой термопрочностью, показали, однако, что эти материалы имеют ограниченные теплопроводность и стойкость к химическому распылению под действием водородной плазмы. Проведенные разработки и исследования позволили получить материалы типа УАМ-92-50 и УАМ-93-ЗБ-Гр с увеличенной теплопроводностью (а.2о'с>400 Вт/мК), которая лишь незначительно снижается при повышении температуры (рис.1, б). Для получения этих материалов

Таблица 2

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РАЗРАБОТАННЫХ РЕКРИСТАЛЛИЗОВАННЫХ ГРАФИТОВ (типа РГ-Т) И УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНЫХ АРМИРОВАННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ (типа УАМ)

ТИП МАТЕРИАЛА КОЛИЧЕСТВО ЛЕГИРУЮЩИХ ДОБАВОК мас.%, СТРУКТУРА ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ при 20°С, Вт/мК КОЭФФИЦИЕНТ ТЕРМИЧЕСКОГО РАСШИРЕНИЯ при 400°С, Ю'^/К ПРОЧНОСТЬ НА СЖАТИЕ, МПа МОДУЛЬ УПРУГОСТИ, ГПа ПЛОТНОСТЬ, г/см3

РГ-Т-91* 7.5Т1 690 2.4 35-50 34 2.24

РГ-ТБ1 7.5Т1+0ЛВ 350 3.1 38 35 2.23

РГ-ТБ* 7.5Т1+0.2В 310 3.1 38 35 2.23

РГ-ТБ1 7.5Т1+0.5В 230 3.0 40 36 2.24

РГ-ТБ* 7.5Т1+0.75В 280 2.8 45 36 2.25

УАМ-92-5В 1.5x1.5x0.75 мм3 425 0.54 105 - 1.92

УАМ-92-30 2x2x0.75 ит3 360 0.54 150 - 1.91

УАМ-92~5»-В 0.2%В,2х2х0.75мм3 330 1.8 НО 25 1.90

УАМ-92-5Б-Т1 0.15%11,2x2x0.75мм3 370 0.54 100 1.94

УАМ-93-30-Гр 1.5x1.5x0,75 мм3 430 0.54 150 - 1.93

Все свойства рекристаллизованных графитов даны для направления максимальной теплопроводности (.]_ оси прессования)

изготавливали мелкоячеистые армирующие каркасы структуры 3 - 5 Б с ячейкой 1.5х 1.5x0.75 мм \ которые проходили высокотемпературную графитацто с последующей пироуглеродной пропиткой. Насыщение пироуглеродом осуществлялось термоградиептным методом из газовой фазы с движущейся зоной пиролиза. Пропитка ■ проводилась расплавленным каменноугольным пеком с последующей карбонизацией. Этот процесс длился до получения необходимой плотности материала -1.91-1.93 г/см3. Последняя стадия состояла в высокотемпературной графитации композита (до 2800°С), что обеспечивало требуемое повышение теплопроводности.

Для уменьшения ионной и тепловой эрозии композита УАМ разработаны материалы с небольшим содержанием бора (~0.2П%) и титана (^0.15^%). Свойства полученных углерод-углеродных материалов типа УАМ приведены в табл. 2. Как видно, наилучшими свойствами обладают композиты УАМ-92-5Б и УАМ-93-30-Гр. Эти материалы наряду с рекристаллизованными графитами РГ-Т-91 н РГ-ТБ были выбраны для последующих имитационных исследований.

В четвертой главе представлены результаты исследования разработанных углеродосодержащих материалов с улучшенными характеристиками на имитационных электрофизических установках.

Исследование процессов распылепия

Одним из лимитирующих факторов применения графитов в реакторах термоядерного синтеза является их химическое распыление (максимум в области температур 500-650°С) и радиационно-ипдуцированная сублимация (для температур более 1000°С) при взаимодействии с изотопами водорода. Скорость химического распыления графита ионами водорода и дейтерия зависит от их энергии и достигает максимального значения при энергии Н* и О* ^ 300 эВ.

Для оценки эрозионной стойкости разработанных материалов проведены эксперименты по изучению их распыления в сравнении с изотропными мелкозернистыми графитами, взятыми в качестве базовых. Изучалось воздействие на образцы ионов дейтерия в магнетронном разряде в диапазоне температур 150-800°С; энергия ионов ~ 300 эВ. Конструкция установки позволяла облучать одновременно 14 образцов при различных температурах. Потери массы образцов определялись гравиметрическим способом на высокочувствительных микровесах, установленных в термостатируемой камере с антивибрационными развязками. Результаты измерений приведены на рис. 2. Видно, что

Ю320+/см2, -300 эВ

г ы

■5 Ю

л с

и <

с, ь ж ы

е ©

Г! О и

10^

к

А

о □

■ ♦

- ЕК-98

- УАМ-92-50

- МПГ-8

- РГ-Т-91 -РГ-ТВ(0.75%В)' -УПВ-1

0 200

„ 400 600 800 ТЕМПЕРАТУРА ОБЛУЧЕНИЯ, 'С

Температурные зависимости коэффициентов различных углеродосодержащих материалов

Рис.2.

распыления

распыление углеродных материалов, не содержащих карбидообразующих добавок, носнт "утшверсальный" харД"™

0Т «*» П«фп». Совершенно иной характе^^ эро! графитов с добавками шгана и бора. Д ш траф1гга РГ-Т-91 То^ максимального химического распыления по сравнению сГ™ материален скорость эрозии снижается более чем в три разГГГ Фафкш РГ-ТБ - примерно в пш раз. Как показалГнГедо^ фазового и элементного составов, при распылении ^и^Г

—Гм^ТТт3^ трудцорас^Х

компонентом (до 25^% Т, при дозах ~ 1022 ион/см2 по сравнению с содержанием в исходном материале - 7.5^ щ ^ морфад поверхности на растровом электронном мнкроскоТс реХГ

микроанализатором подтвердило полученные данные

Проведено также измерение дозовых зависимостей коэффициентов распыления различных графитов ионами дейтерии гелия. Показано, что у большинства материалов при дозах обл^

более 510м ион/см2 происходит быстрая модификация поверхности, открываются поры и происходит стабилизация процесса распыления с последующим уменьшением общей эрозии.

Скорость распыления материалов ионами дейтерия в условиях, моделирующих процессы перенапыления графита ' при низких температурах, существенно, более чем на порядок, снижалась. Это подтверждалось не только значительным уменьшением потери массы образцов при облучении вплоть до доз 1022 ион/см2, но и отсутствием заметных изменений в элементном составе материала по сравнению с исходным, что должно было являться неизбежным при распылении материалов сложного состава.

Исследование коэффициентов распыления рекристаллизованных графитов ионами дейтерия независимо от автора были выполнены в Институте физики плазмы им. Макса Планка (Германия). Проведенные эксперименты подтвердили авторские результаты.

Моделирование срывов тока плазмы

Имитационные режимы были выбраны исходя из условий работы диверторных пластан термоядерного реактора ИТЭР. Для экспериментов использовались ускоритель электронов "СОМ" и квазистационарный ускоритель плазмы "ВИКА" (см.табл.1). Унос материала в результате тепловой эрозии определялся гравиметрическим и профилометрическим методами. Полученные результаты подтвердили высокую термостойкость разработанных рекристаллизованных графитов и углерод-углеродных композитов к мощным короткоимпульсным воздействиям (рис. 3, 4). Наблюдаемые морфологические изменения поверхности свидетельствуют о наличии рекристаллизационных процессов в материалах под действием высоких температур, а также структурных изменений, связанных с появлением новых карбидных образований, отсутствующих на поверхности исходных материалов. Фазовый и структурный анализ, проведенный для графитов с карбидообразующими добавками, показал, что поверхность материалов обогащается более тяжелыми элементами. Так, содержание титана в форме карбида и борида в приповерхностном слое (на глубине до 100 мкм) увеличивается до 15-20тс%. Наличие металлического титана не зафиксировано.

Образование магистральных трещин на пирографитах УПВ-1 и УПВ-1Т, наблюдаемое уже при первых импульсах на установке "СОМ" (100 мкс, 150 Дж/см2), отсутствует на рекристаллизованных графитах и углерод-углеродных композитах при всех исследованных режимах облучения. Небольшие трещины на поверхности этих материалов носят локальный характер и не являются критическими для их работоспособности.

500

■100

а 300 2

200

100.

-згшш&шт.

■//////г/7//Л

ПОТЕРИ ВЕСА, мкг/с«1 »«о аоо аоо «оо «о «о ^оо^г&оо 2>оо^

'///////А

'/////////Л

'////////Л

У/////////7А

77//////////А

гЩШШШ

уУ////////////////'//-"*

ЕК-9«

РОСО-ЛХМС! ГГ-Т-91 гг-тв (о.-г'/.ч) мгс

УАМ-91-ЗП-Гр УАМ-92-50

УЛМ-9К11>-(С.2%В) РГ-Т-91 (нослс очистки) УСГ.-15 н* РГ-Т-91 В.С"» 1Т-Т-91

*00 200 300 400 500 600 700 2600 2700

У77Л -вордсгресишя««^® -растресммии«

С 2

и

и с*

и ^

и в.

8 5

2 2

2 5

Платность пщмщсй энергии - з кДжЛзч3 Длительность импульса - ЗДОккс

Рис.3. Сравнение эрозии различных углеродосодержащих материалов, облученных на электронном ускорителе "СОМ"

Рис.4. Сравнение эрозии различных углеродосодержащих материалов, облученных на ускорителе плазмы "ВИКА"

Исследование рекрисгаллизованного графита РГ-Т-91 после экспонирования в токамаке АБОЕХ-Т^гайе

Две облицовочные плитки из графита РГ-Т-91, вырезанные в направлении максимальной теплопроводности, экспонировались на внешних и внутренних диверторных пластинах токамака АБОЕХ-ир£тас1е в течение 670 плазменных разрядов. После экспозиции образцы были разрезаны и обследованы на растровом электронном микроскопе, рентгеновском дифракгометре, а также методами масс-спектрометрии вторичных нейтральных частиц, обратного резерфордовского рассеяния и ядер отдачи. Во время разрядов температура поверхности плиток измерялась термографическим методом. Результаты измерения

температуры плиток из графита РГ-Т-91 и ЕК-98 в течение разряда #6060 приведены на рис. 5. Этот разряд отвечал положению сепаратрисы вблизи поверхности плитки. Видим, что рост температуры поверхности плитки из графита РГ-Т-91 был в два раза меньше, чем для плиток из графита ЕК-98.

МУУ

Рис.5. Температура поверхности облицовочных плиток из графитов РГ-Т-91 и ЕК-98 во время экспонирования на внешних диверторных пластинах токамака АЗОЕХ-ир^ас1е

Анализ поверхности плитки из графита РГ-Т-91, экспонированной в области сепаратрисы, показывает результата, сходные с результатами, полученными в экспериментах при бомбардировке ионами дейтерия. Отмечается значительная селективность распыления, связанная с уносом легколегучей компоненты и обогащением поверхности

карбидом титана.

Методом обратного резерфордовского рассеяния определялось содержание различных элементов на поверхности плиток (табл.3).

Полученные результаты показывают, что на внутреннем диверторе, находящемся вдали от сепаратрисы, наблюдается низкая

Таблица 3

КОНЦЕНТРАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ НА ПОВЕРХНОСТИ ОБЛИЦОВОЧНЫХ ПЛИТОК ИЗ ГРАФИТА РГ-Т-91

Дивертор Концентрация элемента, ат%

В Т1 О Ре, Сг

Внутренний 19 0.6 14-15(508А) «-0.15

Внешний 3 2 12(3000А) «0.15

эрозия и присутствие значительного количества бора, как результат проводимой боронизации токамака. На внешнем диверторе содержание бора намного меньше, а количество титана немного увеличено по сравнению с исходным, что подтверждается наличием эрозии поверхности графита, зафиксированным микроскопическими исследованиями.

Исследование влияния нейтронного облучения на свойства углеродосодержащих материалов

Было проведено облучение кандидатных углеродосодержащих материалов в материаловедческом реакторе ИР-8 и реакторе на быстрых нейтронах БОР-бО в широком диапазоне температур облучения и флюенсов нейтронов (табл.4).

Таблица 4

ОБЛУЧЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ В АТОМНЫХ РЕАКТОРАХ

РЕАКТОР ФЛЮЕНС НЕЙТРОНОВ, н/см2 ТЕМПЕРАТУРА ОБЛУЧЕНИЯ, °С МАТЕРИАЛЫ

БОР-бО (ОЛ^ЩО22 (4-гб)'1021 400-5-1000 400-г1000 РГ-Т-91,РОСО-АХР-5<3,МПГ-6, УАМ-92-50,УАМ-92-30-Гр,РГ-ТБ

ИР-8 Г10в-5-2.1ви 200^650 РГ-Т-91^ОСО-АХК-50,МПГ-8, УАМ-91-50,УАМ-90-ЗВДТ-Т-90

Результаты исследований облученных материалов показали, что при небольших флюенсах происходит первичное распухание по общим закономерностям, характерным для ядерных сортов графитов. Для углерод-углеродных композиционных материалов вторичное распухание у наиболее радиационно стойкого из них УАМ-92-50 в направлении плоскости х-у начинается с флюенса 51021 н/см2 при температуре 1000°С и достигает 2.2%; для направления вдоль оси основного формирования г распухание отмечается с 41021 н/см2 уже при температуре 400°С и составляет более 5%. Для графита РГ-Т-91 формоизменения незначительные (0.1-0.7%) и начало режима вторичного распухания не отмечено,

Изменения коэффициентов термического расширения (КТР) при облучении до флюенсов 1022 н/см2 для графитов различных типов различны и сильно зависят как от флюенса, так и от температуры облучения. Для изотропных графитов типа МПГ и рекристаллизованных типа РГ-Т изменения КТР не превышают 10-40%, для углеродных армированных материалов типа УАМ КТР возрастает в пять и более раз.

Теплопроводность углеродных материалов при облучении резко падает, причем максимальная скорость ее падения отмечается при сравнительно небольших флюенсах (Ю19-Ю20 н/см2), см.рис.б. При облучении до (0.5^-1)1022 н/см2 наибольшее снижение теплопроводности (на 80-90%) отмечено на углерод-углеродных армированных материалах во всем исследованном температурном диапазоне. Снижение теплопроводности графита РГ-Т-91 существенно меньше. Так, для высокотемпературного режима облучения оно не превышает 55%.

Проведенные исследования продемонстрировали высокую радиационную стабильность разработанного графита РГ-Т-91. Это связано, на наш взгляд, с наличием характерных сферолитических и карбидных образований, расположенных между кристаллитами. Анализ опубликованных работ показывает, что разработанный рекристаллизованный графит по радиационной стабильности теплофизических характеристик не уступает, а при флюенсах до 1021 н/см2 даже превосходит зарубежные высокотеплопроводные углеродосодержащие материалы.

ГРАФИТ МПГ-8

ГРАФИТ ЕК-9Я

X

л

б 60-

о

X

§40-

№ О

а 20

о

ч

С п

г-1.,„-5оо<'с.о»9.5-1о;:<;пГ; 3-т£1 ^200°сл«8.0-10*=

1- исходны»

200 400 6ВО 800 1000 ТЕМПЕРАТУРА,"С

200 400 600 800

ТЕМПЕРАТУГЛ,"С

ГРАФИТ РГ-Т

исходный г-Т. »5м°с.0-1.0-10 сто"

3-Т. «<60°С.0«3.0-10 спГ'

А 500

¡-Ткг=600°С.0.1.85 • 1050ст 2

«200°С,0-В.0-10'4 сг>Г3

200 400 600 800 1000 ТЕМПЕРАТУРА, °С

КОМПОЗИТ УЛМ

ИСХОДНЫ« 1 1

г-Т(гг»370"с.0«в.5Ю,9ст""2 З-Т- ~600ОСД>«|.в5-1020ст

ь

о

¡3 200-

• С

о ч с

О 200 400 600 800 1000 ТЕМПЕРАТУРА, "С

Рис.6. Влияние нейтронного облучения на теплопроводность углеграфитовых материалов

2

Основные результаты работы

1. Проанализированы результаты предшествующих исследований углеродосодержаздих материалов для компонент ТЯР, обращенных к плазме. На их основе предложены пути разработки новых рекристаллизовашщх графитов и углерод-углеродных армированных композитов, удовлетворяющих критериям отбора кандидатах материалов.

2. Проведены технологические исследования по увеличению теплопроводности рекристаллизованного графита на основе титана. Получен графит РГ-Т-91 с теплопроводностью при комнатной температуре более 600 Вт/м'К.

3. Для уменьшения коэффициентов распыления и накопления изотопов водорода в графитах разработаны рекристаллизованные

графиты на основе титана с дополнительным введением малых количеств бора.

4. Показано, что предложенный углерод-углеродный армированный материал с мелкоячеистой структурой, пироуглеродной матрицей и с малыми карбидообразующими добавками обладает высокой теплопроводностью и механической прочностью и может рассматриваться как перспективный кандидатный материал для энергонапряженных элементов ТЯР, не уступающий зарубежным аналогам.

5. Показано, что разработанный высокоплотный рекристаллизованный графит с добавками титана и бора обладает пониженной ионной и тепловой эрозией. Это достигается как структурной однородностью материала на микроуровне, так. и радиационно-индуцироваиной диффузией карбидообразующих добавок из объема материала к поверхности.

6. Показано, что для повышения стойкости углеродосодержащих материалов к нейтронному облучению необходимо создание микроструктуры с повышенным количеством сферолигаческих образований и введение специальных карбидообразующих добавок, препятствующих деградации физических свойств.

7. Имитационные эксперименты с разработанным рекристаллизованным графитом РГ-Т-91, проведенные независимо в нескольких научных центрах, подтвердили его конкурентоспособность в сравнении с зарубежными материалами и продемонстрировали перспективность его использования для энергонапряженных элементов термоядерных реакторов.

Результаты исследований опубликованы в 34 печатных работах. Основные результаты отражены в следующих публикациях:

1. Бурцева Т.А., Довгучиц Э.Ф., Завяльский Л.П., Комаров В.Л., Мазуль И.В., Митрофанский A.A., Персии М.И., Прокофьев Ю.Г., Соколов В.А., Трофимчук Е.И., Чугунов O.K. Исследование стойкости материалов на основе углерода для дивертора ИТЭР под воздействием различных радиационных потоков. -М., 1991. Препринт НИИЭФАУ ЦНИИатоминформ: П-А-0901.

2. Бурцева Т.А., Дунаев В.В., Жиглинский А.Г., Кучинский В.В., Саксаганский Г.Л., Фафурина Э.Н., Шейкин Е.Г. Исследование эрозии многокомпонентных сплавов сложного состава при одновременном

напылении легирующего компонента// Поверхность. Физика, химия, механика. ¡59]. т.4,.с.127-133.

3. Barabash V.R., Baranov A.G., Burtseva Т.A., Komarov V.L., Saksagansky G.L., QvchinikovLB., Litunovsky V.N., F3.bri'tsiev.SA. Damage of Refractory Metals and Carbon-Based Materials under Simulation of the Thermal Influence of p.'sjma Disruption// Fusion Engineering and Design. 1991. v.18. p.145-150.

4. Бурцева T.A., Дунаев B.B., Комаров В.Л., Кучинский В.В., Прокофьев Ю.Г., Саксаганский Г.Л., Фафурина Э.Н., Яблоков Н.А. Исследование стойкости углеродосодержащих композиций под воздействием высоких ионных потоков при одновременном перенапылении материала. -М,, 1991. Препринт НЙИЗФА/ ЦНИЙатоминформ: П-А-0894.

5. Burtseva Т.A., Chugunov О.К., Dovguchits E.F., Komarov V.L., Mazul I.V., Miirofansky A. A., Persia M.I., Prokofiev Yu.G., Sokolov V.A., Trofimchuk E.I., Zavyalsky L.P. Resistance of Carbon-Based Materials for the ITER Divertor under Different Radiation Fluxes// J.Nucl.Mater. 1992. v. 191194. p.309-314.

6. Платонов П.А., Карпухин В.И., Мшрофанский A.A., Чугунов О.К., Трофимчук Е.И., .Кущук С.И., Алексеев С.И., Алексеев В.М., Бурцева Т.А. Свойства углеграфитовых материалов для термоядерных реакторов после облучения нейтронами// Труды Второй международной конференции по радиационному воздействию на материалы термоядерных реакторов. Ч.П. Санкт-Петербург. 21-24 сент. 1992. с.409-428.

7. Burtseva Т.А., Chugunov О.К., Dovguchits E.F., Mazul I.V., Shipkov N.N., Sokolov V.A., Persin M.I., Platonov P.A. Development of C-Based Materials for ITER Application in Russia// Proceedings of the 6th International Workshop on Carbon Materials. Sept. 23-24, Julich, Germany. 1993. p.43-60.

8. Burtseva T.A., Drozdov A.A., Gervash A.A., Kuznetsov V.M., Lyublin B.V., Ovchinnikov I.B., Titov V.A. Effect of High Heat Plasma Fluxes on the New C-C Composites, Different Metals and Coatings for ITER Plasma Facing Components// Fusion Technology. 1994. v.l. p.235-238.

9. Куприянов C.A., Котосонов A.C., Бурцева ТА, Косинский K.A., Шипков Н.Н.. Структурное состояние атомов примеси в углеродном материале, легированном бором//Цветные металлы. 1994. № 10. с.35-37.

10. Platonov P.A., Karpukhin V.I., Mitrofansky A.A., Chugunov O.K., Trofimchuk E.I., Akkseev S.I., Alekseev V.M., Burtseva T.A., Dovguchits E.F., Persin M.I., Sokolov V.A. Properties of Neutron Irradiated Carbon-Based Materials for Fusion Reactor Application// Plasma Devices and Operations. 1994. v.3.p.79-92.

11. Куприянов C.A., Котосонов A.C., Бурцева Т.А., Косинский К.А., Шипков Н.Н. Исследование структурного состояния атомов примесей титана и бора в рекристаллизованйом графите для термоядерных реакторов// Цветные металлы. 1994. №11. с.40-43.

12. Бурцева Т.А., Мазуль И.В., Прокофьев Ю.Г., Персии М.И., Соколов В.А., Симонова Л.А. Углерод-углеродный композиционный материал// Патент № 2034780. Бюл. №13.1995.

13. Burtseva Т.А., Mazul I.V., Shipkov N.N., Persin M.I.. Main Technological Study Directions for New Carbon Plasma Facing Materials Development// Proceedings of the 7th International Workshop on Carbon Materials. Sept. 21-22, Stockholm, Sweden, 1995.

14. Burtseva T.A., Drozdov A.A., Gervash A.A., Kuznetsov V.M., Lyublin B.V., Ovchinnikov I.B., Titov V.A.. Plasma Disruption Simulation of Different Materials for the ITER Application. Plasma Devices and Operations. 1995. v.4.p.31-41.

15. Burtseva Т., Barabash V., Mazul I., Garcia-Rosales C., Deshka S., Behrisch R., Herrman A. Performance of the Ti Doped Graphite RG-Ti-91 at the divertor of the Tokamak ASDEX-Upgrade// J.NucLMater. 1997. v.241-243. p.716-721.

16. Бурцева T.A., Косинский K.A., Демин A.B., Костиков В.Й., Прокофьев Ю.Г., Шипков Н.Н. Материал для диверторной пластины термоядерного реактора// Патент №2071127. Бюл. №36. 1996.

17. Burtseva Т.A., Mazul I.V. Investigation and Characterization of Carbon-Based Materials for Divertor Application. ITER Final Report. G 17 TT 15 95-06-28 FR (T221.3). RF 1 F67 03/03/1997 E.

Татьяна Анатольевна Бурцева

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА УГЛЕРОДОСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ КОМПОНЕНТ ТЕРМОЯДЕРНЫХ УСТАНОВОК, ОБРАЩЕННЫХ К ПЛАЗМЕ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Зак. №3/63. Подписано в печать 19.03.98. Офсетная печать. Формат 60x90/16 Уч.-изд.л. 1.0. Тираж 100 экз.

Отпечатано в НИИЭФА