Анализ и прогноз влияния теплового потока на перспективные материалы дивертора и первой стенки термоядерного реактора методами математического моделирования

Развитие математических моделей для термоядерного материаловедения является непосредственным вкладом в экономику страны. Движение расплава является одним из самых разрушительных последствий развития неустойчивостей на современных установках для изучения термоядерной плазмы. При оплавлении и дальнейшем разогреве материала стенок, лимитеров или дивертора они начинают испаряться. Место контакта расплава и испарённого газа приводит в движение расплав под действием термоэлектрических эффектов из-за большого магнитного поля, необходимого для удержания плазмы. Подробное моделирование поможет разобраться в механизмах развития термотоков и позволит разработать методы их подавления. Проект содержит постановки новых задач, как с точки зрения расширения класса математических моделей, так и с точки зрения развития алгоритмических и информационнотехнологических средств реализации. Результаты моделирования требуются для анализа данных, получаемых на новом экспериментальном стенде Beam of Electrons for materials Test Applications (BETA) в ИЯФ СО РАН. Предложенная математическая модель является инструментом неразрушающих систем диагностики подповерхностных повреждений различных изделий путем анализа реакции на быстрый нагрев. Математическая модель основана на решении задачи Стефана с учетом испарения материала и уравнения для расчета термотоков с решающей ролью термоэмиссии в области образца и паров над ним. Электрическое сопротивление и термоэдс вычисляются через интеграл по энергии электронов для паров материала и экспериментальные зависимости от температуры в образце. Математическая модель будет дополнена учетом Джоулева нагрева и эффекта Пельтье на поверхности образца, которые будут определяться из расчета токов. Математическая модель будет расширена за счет учета магнитного поля, будет получено значение ускорения расплава, в том числе и для других перспективных материалов дивертора и первой стенки. Поставлена новая задача по изучению характеристик и свойств слоистых композитов. Будет проводиться сравнительный анализ численных расчетов с данными экспериментов для различных материалов, проведена поисковая работа по определению механизма учета влияния границы раздела материала и покрытия. В результате решения обратной задачи с использованием известного распределения температуры на поверхности будут уточнены коэффициенты теплопроводности для разных керамических покрытий. Полученные результаты будут иметь большое прикладное значение в области термоядерного материаловедения и машиностроения. Например, для электронно-лучевой и лазерной сварки, которая широко применяется на предприятиях для создания высоконадежных неразъёмных соединений, критически важных узлов продукции. В проекте предложена новая модель диффузии водорода в металле при термоударе. Такие исследования для промышленного использования все более актуальны, так как растет чувствительность металлов и сплавов к малым концентрациям водорода по мере роста их прочности, жаропрочности и других механических характеристик. Будут разработаны подходы к созданию полной замкнутой математической модели термоэмиссии с учетом диффузии водорода и температуры образца и паров материала. Существующие зарубежные исследования проводятся в предположении существования термотоков, определяемых с помощью оценок, а ранее проделанная нами работа показала существенное влияние области с замагниченной плазмой натермоток. Расчет динамики вещества в скрещенном электрическом и магнитном полях является сложной задачей, имеющей большие перспективы к развитию новых алгоритмических подходов. Новизна представленного проекта заключается в одновременном моделировании коэффициента Зеебека между двумя фазами одного материала и влияния магнитного поля на проводимость пара. Материалы с нанесёнными покрытиями не рассматривались в качестве возможных материалов для установок следующего поколения и моделирование тепловых нагрузок и потоков водорода будет новым результатом.