ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПЛАЗМЫ С ПОВЕРХНОСТЯМИ
УДК 533.924
РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ И ИЗМЕНЕНИЕ РЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ СТАЛИ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ИЗЛУЧЕНИЯ В ПЛАЗМЕННЫХ РАЗРЯДАХ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ
© 2013 г. В. П. Будаев1, Ю. В. Мартыненко1, Л. Н. Химченко3, А. М. Житлухин2, Н. С. Климов2, Р. А. Питтс4, И. Линке5, Б. Базылев6, Н. Е. Белова1, А. В. Карпов1, Д. В. Коваленко2, В. Л. Подковыров2, А. Д. Ярошевская2
1 НИЦ "Курчатовский институт", Москва, Россия 2ФГУПГНЦ "Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований", Москва, Россия
3 Проектный центр ИТЭР, Москва, Россия 4 ИТЭР организация, Рут де Виньен сюр Вердон, 13115 Сан Поль Лез Дюранс, Франция ITER Organization, Route de Vinon sur Verdon, 13115 Saint Paul Lez Durance, France
5Исследовательский центр в Юлихе, Евроатом, Юлих, D-52425, Германия Forschungszentrum Jblich GmbH, EURATOM Association, Jblich, D-52425, Germany 6 Технологический институт в Карлсруе, ИХМ, Р.О.Бокс 3640, D-76021 Карлсруе, Германия Karlsruhe Institute of Technology, IHM, P.O.Box 3640, D-76021 Karlsruhe, Germany
e-mail: budaev@mail.ru Поступила в редакцию 27.12.2012 г.
Окончательный вариант получен 21.03.2013 г.
В установке КСПУ-Т проведены испытания образцов стали 316L(N)-IG, а также близкой по составу российской стали 12Х18Н10Т, импульсами излучения из плазмы, моделирующими условия нагрузки при гашении срыва в ИТЭР. После большого числа импульсов наблюдались изменения поверхности сталей, такие как формирование волнообразной структуры поверхности и нерегулярной шероховатости, образование трещин на поверхности образцов. Результаты рентгеноструктурного и микроскопического анализа образцов показали изменения ориентации и размеров кристаллитов (зерен) сталей на глубине до 20 мкм для стали 316L(N)-IG после 200 импульсов и до 40 мкм для стали 12Х18Н10Т (50 импульсов), что значительно глубже, чем слой плавления (~10 мкм) в одном импульсе. В серии 200 испытаний образца стали ИТЭР 316L(N)-IG обнаружен линейный рост высоты неоднородностей (шероховатости) с ростом числа импульсов со скоростью ~1 мкм за один импульс. Изменений химического (элементного) состава сталей на поверхности после испытаний не обнаружено. Развита модель формирования волнообразных неоднородностей на расплавленной поверхности металла, рассматривающая нелинейную стадию неустойчивости расплавленного слоя, над которым имеется поток пара/плазмы. Определяющим фактором является вязкое течение расплавленного слоя из впадин на гребни волновой структуры. Предсказано прекращение роста волновой структуры при высоте гребней равной длине волны. Рассмотрены подходы к описанию наблюдаемого статистически неоднородного рельефа и шероховатости материала после испытаний. В эксперименте цикличность процесса плавление-отвердение, когда соревнуются механизмы роста вершин и релаксационные механизмы растекания материала с вершин рельефа, может приводить к формированию стохастического рельефа.
DOI: 10.7868/S0367292113110036
1. ВВЕДЕНИЕ
В термоядерном реакторе на основе токамака,
в том числе, и в сооружаемом токамаке ИТЭР,
ожидается интенсивное воздействие плазмы и излучения из разряда на обращенные к плазме материалы стенки как в условиях стационарного режима работы токамака, так и во время переход-
ных плазменных процессов, таких, как гашение
срыва путем напуска инертного газа (аргона или неона). Во время переходных плазменных процессов тепловая нагрузка на конструкционные
элементы обращенные к плазме будет достигать уровня 0.2—5 МДж/м2 при длительности воздействия от 0.1 до 1 мс [1]. В условиях гашения срыва (англ. — disruption mitigation) путем напуска инертных газов в разряд ожидается излучение с плотностью энергии до 1.3 МДж/м2 и длительностью до 5—10 мс. Такое излучение способно проникать в полости и патрубки вакуумной камеры и экстремально воздействовать на поверхности конструкционных элементов из нержавеющей стали. Это может приводить к плавлению поверх-
Таблица 1. Стали, используемые в конструкции ИТЭР [4]
Марка стали Применение материала
304L Элементы вакуумного корпуса (патрубки)
304B7 Элементы нейтронной защиты
430 Ферромагнитные вставки вакуумного корпуса
316L(N)-IG-I Модули первой стенки, изготавливаемые методом ГИП (газовое изостатическое прессование)
316L(N)-IG-II Элементы вакуумного корпуса и внутрикорпусных конструкций, где должна быть обеспечена
переварка облученной стали
316L(N)-IG-IV Тонкостенные трубы для первой стенки модулей бланкета
316L(N)-IG-V Трубы для коллекторов и трубопроводов
ности. При этом опасность представляют как макроскопические механизмы эрозии, так и изменение микроструктуры материала при рекристаллизации после расплавления поверхностного слоя. Указанные процессы ограничивают ресурс элементов вакуумной камеры и могут вызывать изменения прочностных характеристик конструкций, что опасно с точки зрения протечек воды в вакуумный объем через измененную структуру поверхности охлаждаемых водой внутрика-мерных элементов.
В последние годы в экспериментах на термоядерных установках получены первые данные, свидетельствующие об изменении микроструктуры поверхности металлов в плазменных экспериментах. Например, обнаружена значительная кластеризация поверхностной структуры вольфрама после испытаний в плазменном разряде установки с плазменным фокусом [2] и линейной термоядерной установке ГОЛ [3]. Все механизмы отвердения (рекристаллизации) поверхности металлов после расплавления под воздействием интенсивной плазменной нагрузки не выяснены. Исследование таких механизмов и накопление экспериментальных данных необходимо для предсказания поведения металлических элементов первой стенки в ИТЭР.
В табл. 1 [4] приведен список сталей, из которых изготавливаются внутрикорпусные элементы конструкции токамака ИТЭР. Элементы конструкции ИТЭР в порт-плагах, на которые будет воздействовать мощное излучение при гашении срыва, будут изготовлены из стали марки 316L. Сталь марки 316L имеет пониженное содержание углерода (0.015—0.030%),с индексом (N) — имеет ограниченное содержание азота (0.06—0.08%), с индексом IG (ITER Grade) — отражает особые требования к материалу, обусловленные его использованием в ИТЭР.
В нашей работе представлены результаты исследования образцов из нержавеющей стали ИТЭР 316L(N)-IG, а также близкой по составу и свойствам российской стали марки 12Х18Н10Т, после воздействия на материалы импульсов плазменно-
го излучения в разрядах большой мощности до 0.5 МДж/м2 и длительностью до 0.5—1 мс, что моделирует условия нагрузки при гашении срыва в ИТЭР. Такие нагрузки превышают порог плавления почти в два раза. Методами микроскопии, рентгеновской спектроскопии и структурного анализа исследована микроструктура поверхности испытуемых образцов на масштабах от нанометров до сотен микрометров. Проведен анализ полученных результатов и рассмотрена модель образования волнообразной поверхности расплавленного слоя, над которым имеется поток пара/плазмы, а также механизмы формирования статистически неоднородного рельефа поверхности материала при воздействии плазмы.
2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Испытания образцов из нержавеющей стали проводились на установке КСПУ-Т (ТРИНИТИ, Троицк), которая представляет собой одноступенчатый коаксиальный сильноточный плазменный ускоритель с собственным магнитным полем. Ускорение плазмы происходит между двумя коаксиальными профилированными электродами, к которым приложено электрическое напряжение от источника питания, а в зазор между электродами постоянно подается плазмообразу-ющий газ. После пробоя газа в межэлектродном зазоре возникает объемный электрический ток, спадающий к выходу канала ускорителя. При взаимодействии радиального компонента этого тока ]г с азимутальным собственным магнитным полем Вф появляется продольная сила ¥г ~ которая ускоряет плазму. Конфигурация полей в канале ускорителя позволяет осуществлять непрерывное ускорение плазмы до сверхзвуковых скоростей. Причем длительность потока не ограничивается пролетным временем, а определяется временем существования напряжения на электродах [5]. Система подачи рабочего газа водорода позволяет обеспечивать расход газа до 100 г/с. Энергетика ускорителя включает в себя шесть одинаковых секций конденсаторной батареи по 8 мФ каждая,
Таблица 2. Химический состав сталей 316Ц^-Ю и 12Х18Н10Т (из [6]), %
Сталь С Мп Si Р S Сг № Мо N Си Б
316Ц^-Ю 0.0181 1.58 0.32 0.018 <0.001 18.4 12.8 2.35 0.0679 0.17 0.15
12Х18Н10Т 0.0487 0.26 0.44 0.035 0.0088 18.7 10.7 0.25 0.0049 0.14 0.8
которые коммутируются на нагрузку независимым образом. Схема коммутации секций позволяет варьировать длительность плазменного потока в пределах 0.2—0.6 мс. Энергозапас батареи составляет 600 кДж при максимальном рабочем напряжении 5 кВ. Диапазон изменения разрядного тока составляет 50—250 кА при варьировании рабочего напряжения в интервале 2—4 кВ. На установке проводятся испытания материалов ИТЭР под воздействием потоков водородной и дейтериевой плазмы с параметрами, характерными для срывов тока и ЭЛМ-событий в токамаке ИТЭР.
На рис. 1а представлена схема эксперимента на установке КСПУ-Т. Образец из стали устанавливался на расстоянии 100 мм от массивной графитовой мишени, на который падает поток плазмы. Мощный поток светового излучения генерируется из области мишенной плазмы при взаимодействии с графитовой мишенью (установленной нормально к потоку плазмы) потока водородной плазмы с добавкой 1—2% концентрации аргона (рис. 1). Значительная часть (до 40%) энергии плазмы при таком взаимодействии преобразуется в радиационную энергии: в полусферу излучается около 50 кДж энергии световых фотонов в течение ~0.5 мс. В результате испытуемые образцы стали, находящиеся вне области основного набегающего потока и мишенной плазмы и обращенные поверхностью к области излучения, испытывают нагрузку до 1.0 МДж/м2. Этот уровень нагрузки на материал соответствует пиковым нагрузкам в ИТЭР при гашении срыва.
Параметры плазменного потока: скорость Упл = (1—3) х 105 м/с; направленная энергия ионов водорода Ех = 0.01—0.5 кэВ; динамическое давление р = (1—10) х 105 Па; плотность мощности на о
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.