Теоретическое и экспериментальное исследование плавления, испарения и образования трещин на вольфраме при мощной плазменной нагрузке

Диссертация посвящена воздействию импульсных плазменных нагрузок на вольфрам, как перспективный материал покрытия дивертора в перспективном термоядерном реакторе. В диссертации представлены результаты теоретических исследований парового экранирования, плавления при охлаждении за счёт испарения, анализируются колебания возмущений формы поверхности расплава, образования перпендикулярных и параллельных поверхности трещин. Экспериментальная часть диссертации посвящена реализации методики измерения динамики распределения деформаций в материале при импульсной тепловой нагрузке по рассеянию синхротронного излучения. Основные результаты диссертации: 1. Для теоретического описания парового экранирования при воздействии потока плазмы на материал сформулирована одномерная модель. С её помощью получено выражение для уровня насыщения поглощённой материалом энергии на единицу площади. Результаты расчётов хорошо согласуются с экспериментальными результатами установки МК-200. Аналитическими вычислениями показано, что уровень насыщения поглощённой материалом энергии на единицу площади в основном определяется только термодинамическими свойствами и скоростью испарения материала и слабо зависит от деталей механизмов потери энергии потока плазмы в паровом слое. Поэтому уровень насыщения поглощённой материалом энергии хорошо воспроизводится при теоретических вычислениях и измерениях в экспериментах. С другой стороны, этот уровень оказывается связан с количеством испарённого вещества через параметры взаимодействия потока плазмы с газом над поверхностью, которые известны значительно хуже, чем термодинамические свойства материалов. Следовательно, уровень насыщения поглощённой материалом энергии не может использоваться для проверки более сложных кодов для моделирования взаимодействия потока плазмы с материалами. Тем более, если основной интересующей характеристикой результата импульсной плазменной нагрузки является количество испарённого материала. 2. Численными расчётами показано, что охлаждение за счёт испарения существенно влияет на динамику температуры материала. Сравнение результатов расчётов с измеренной в эксперименте на установке BETA динамикой размера расплавленной области подтверждает справедливость использовавшейся модели учёта охлаждения за счёт испарения. При росте интенсивности потока плазмы охлаждение за счёт испарения может стать значимым для исследования не только импульсной тепловой нагрузки электронным пучком, но и для случая импульсной плазменной нагрузки. 3. Для анализа формы затвердевшей после плавления поверхности теоретически получены характерные времена колебаний и затухания капиллярных волн на расплаве вольфрама при импульсном нагреве на установке BETA. С помощью полученных характерных времён затухания показано, что имеющиеся на затвердевшем расплаве неровности не могли образоваться во время облучения. Соответственно, есть механизмы и кроме неустойчивости Кельвина-Гельмгольца, приводящие к образованию возмущения формы поверхности расплава. 4. Проведены теоретические расчёты динамики деформации и напряжений в материале при импульсной тепловой нагрузке с учётом упрочнения материала и "бесшовным" переходом из хрупкого состояния в вязкое. С их помощью показано, что энергетический порог образования трещин на произведённом по спецификациям ИТЭР вольфраме уменьшается при росте базовой (начальной) температуры материала. Такое необычное поведение объясняется близкими при любой температуре пределами прочности и пластичности. Сделана оценка снизу параметров пластичности материала, гарантирующая отсутствие хрупкого разрушения при импульсной тепловой нагрузке. Кроме того, по структуре деформации показано, что армирование материала волокнами вдоль поверхности не может увеличить энергетический порог образования трещин. 5. В рамках линейной теории упругости решена задача расчёта деформаций и напряжений в области вокруг перпендикулярной поверхности трещины, появившейся в результате импульсной тепловой нагрузки. Для этого задача сведена к интегральному уравнению Фредгольма первого рода, которое поддаётся численному решению. Численные расчёты показали, что после образования перпендикулярной поверхности трещины появляются механические напряжения, которые могут приводить к образованию и распространению параллельных поверхности трещин. Теоретически объяснён подъём поверхности рядом с перпендикулярными поверхности трещинами и вычислено отношение высоты подъёма к ширине трещины. Продемонстрировано совпадение рассчитанной формы поверхности вокруг перпендикулярной поверхности трещины с измеренными профилограммами вольфрама, облученного на установке BETA. На основе полученных теоретических данных о деформации в области вокруг перпендикулярной поверхности трещины предложены экспериментальные методики определения по форме поверхности момента образования перпендикулярных поверхности трещин и наличия параллельных поверхности трещин под поверхностью без разрушения образца. 6. Предложена методика измерения динамики распределения деформаций по глубине при импульсной тепловой нагрузке на монокристаллы на основе рентгеновской дифрактометрии. Для её реализации создана станция рассеяния синхротронного излучения "Плазма" в бункере СИ ВЭПП-4. На станции ней измерена динамика дифракции во время импульсной тепловой нагрузки. Полученные результаты качественно согласуются с теоретическими предсказаниями о деформации при импульсном нагреве. Измерения дифракции между импульсными нагревами показали, что при длительности облучения порядка 100 мкс требуется несколько импульсов для достижения финальной величины остаточной деформации и напряжений. Соответственно, при такой длительности нагрева нельзя использовать предположение, что пластическая деформация соответствует равновесному состоянию при мгновенном распределении температуры.