25-й симпозиум по инженерным проблемам термоядерного синтеза (25th Symposium on Fusion Engineering) проводился 10-14 июня 2013 года в Сан-Франциско, США. Организаторами мероприятия являлись Fusion Technology Committee (FTC) of the IEEE Nuclear & Plasma Sciences Society.
Данный симпозиум проводится раз в два года. Симпозиум охватывает инженерные и научные достижения по вопросам термоядерного синтеза. Участниками являются ученые из крупных научно-исследовательских центров со всего мира. Большинство участников было из США, Китая, Японии, Германии, Франции. Присутствовало несколько представителей России.
Тематика представленных в 2013 году докладов включала: экспериментальные установки, магниты, вакуумные системы, контроль плазмы, диверторы, бланкеты, первая стенка и др.
Ниже приведены аннотации статей, представленных на конференции, посвященных разработке и применению новых материалов в термоядерных установках.
DESIGN AND MANUFACTURING STUDIES FOR ITER IN-VESSEL COILS / Дизайн и этапы производства внутрикорпусных катушек ИТЭР
E. F. Daly, C. H. Choi, A. Loarte, A. Martin, C. Sborchia, A. Brooks, P. Heitzenroeder, M. Kalish, C. Neumeyer, P. Titus, Y.Zhai, Y. Wu, H. Jin, F. Long, Y. Song, Z. Wang, R. Pillsbury, J. Feng, T. Bohm, M. Sawan, J. Jiang
Рассматривается возможность применения в ELM-катушках и в катушках для вертикальной стабилизации плазмы установки ИТЭР проводников с минеральной изоляцией из оксида магния.
DEVELOPMENT AND AGING TESTS OF HIGH CURRENT BUSBAR CONTACTS FOR THE ITER COIL POWER SUPPLY SYSTEM / Разработка и испытания на старение контактов сильноточных шин для системы питания ИТЭР
E. Koktsinskaya, A. Roshal, V. Karpishin
Представлены экспериментальные данные, полученные в процессе разработки и испытаний контактных сильноточных соединений алюминий-медь с различными покрытиями для защиты от окисления и коррозии. Среди них многослойные и композиционные покрытия, покрытия с дополнительной прослойкой из электропроводящего состава. По результатам электрических и климатических испытаний выбрано покрытие контактных поверхностей, которое будет использоваться при изготовлении шин для обмоток ИТЭР.
ASSESSMENT OF COPPER BASED MATERIALS FOR THE WATER-COOLED DIVERTOR CONCEPT OF THE DEMO EUROPEAN FUSION REACTOR / Сравнение медьсодержащих материалов для дивертора с водяным охлаждением реактора ДЕМО
L. Commin, S. Antusch, S. Baumgärtner, D. Bolich, W. Goldacker, M. Hoffmann, P. Lukits, M. Rieth, H. Zimmermann
Изготовление компонентов, выдерживающих высокие тепловые потоки, для реактора ДЕМО требует разработки конструкционных материалов, которые обладают высокой теплопроводностью, прочностью и радиационной стойкостью. В зависимости от используемой концепции охлаждения (вода или гелий), несколько материалов являются кандидатами для применения в диверторе, такие как вольфрам, медные сплавы или ферритно-мартенситные стали. Эта статья посвящена использованию медных материалов при водяном охлаждении дивертора. Изучались легированные, дисперсно-упрочненные и композитные материалы.
ENERGY AND PARTICLE INPACT ON W SURFACE FOR THE CASE OF REPETITIVE ELMS AND REELECTRONS IN DEMO PLASMAS / Влияние энергии и частиц на поверхность вольфрама в плазме ДЕМО
Yu. L. Igitkhanov and B.N. Bazylev
Исследовалась конструкция бланкета W/EUROFER для реактора ДЕМО в двух температурных режимах при высокой плотности теплового потока: минимальная рабочая температура W-слоя (700°C) и максимальная рабочая температура ниже температуры рекристаллизации (~1300°C). Толщина W-слоя в таком диапазоне температур должна предотвратить испарение и плавление поверхности вольфрама и, с другой стороны, она должна держать EUROFER в состоянии ниже критических значений термических напряжений.
THERMO-MECHANICAL INVESTIGATION OF THE NEW SOLID TUNGSTEN DIVERTOR TILE FOR SPECIAL-PURPOSES AT ASDEX UPGRADE/ Термомеханическое исследование нового дивертора из вольфрамовой плитки специального назначения на ASDEX
N. Jaksic, A. Herrmann, H. Greuner
Рассматривается дивертор из вольфрама для эксперимента ASDEX. Новый дизайн диверторной плитки был разработан для улучшения тепловых характеристик - плитка из вольфрама покрывалась тонкими волокнами графита. В работе обсуждаются основные результаты численного анализа. Сделан расчет для анализа теплового напряжения и наблюдаемой упругой и пластической деформации во время тепловой нагрузки. Кроме того, результаты численного анализа были использованы для оптимизации формы диверторной плитки. Рекомендуется выполнить некоторые дополнительные тепловые испытания с целью повышения надежности плитки вольфрама специальной формы в процессе эксплуатации.
NANOSTRUCTURED TUNGSTEN FILMS FOR EXPOSURE TO HIGH-FLUX DEUTERIUM PLASMAS / Наноструктурированные пленки вольфрама для применения при воздействии дейтериевой плазмы
M. Passoni, D. Dellasega, A. Pezzoli, M.H.J.’t Hoen, R. Caniello, E. Vassallo P.A. Zeijlmans van Emmichoven
Представлено экспериментальное исследование взаимосвязи между наноструктурными свойствами W-пленок, нанесенных методом импульсного лазерного осаждения, и удержанием дейтерия при воздействии высоких потоков плазмы. W-покрытия были недавно одобрены, чтобы покрыть поверхности первых стенок в токамаках. Нейтроны, частицы, излучение глубоко изменяют свойства материала первой стенки во время работы, вызывая изменения на нанометровом уровне, такие как вакансии, дефекты. Изучалась зависимость глубокой диффузии в металлах от потоков частиц и радиационных повреждений, которая требует дальнейших исследований также из-за отсутствия знаний о влиянии свойств материалов на наноуровне на их макроскопическое поведение.
DESIGN CONFIRMATION FOR THE ITER ENHANCED HEAT FLUX FIRST WALL / Обоснование дизайна усовершенствованной первой стенки ИТЭР
D. Glazunov, V. Davydov, A. Gervash, D. Lyanzberg, I. Mazul, R. Rulev, R Eaton, R Mitteau, R Raffray
В статье определены ключевые параметры для размера плитки первой стенки ИТЭР, тепловых свойств и допустимых дефектов. Размер плитки из бериллия и ее способность выдержать нагрузку теплового потока величиной 4.7MW/m2 за время работы первой стенки (15000 циклов) без отказа была подтверждена для отдельных плиток размером 12х12х8 мм и 16х16х8 мм. Второй эксперимент выполнен с целью подтвердить усталостные характеристики. Аналитические модели показали, что долговечность теплоотводящих элементов напрямую связаны с размером армирующей плитки и что размер плитки 12х12х8 мм или меньше необходим для достижения требований по долговечности элемента первой стенки.
NANOMECHANICAL TESTING OF SELF-ION AND CONCURRENTLY SELF-ION & HELIUM IMPLANTED W, W-1%RE, W-5%RE & W-10%RE/ Наномеханическое испытание самоионизированных и самоионизированных с атомами гелия W, W-1%RE, W-5%RE & W-10%RE
C. E. Beck, S. G. Roberts and D. E. J. Armstrong
Вольфрам-рениевые сплавы рассматриваются в качестве вероятных материалов для применения в качестве облицовочных компонентов в термоядерных реакторах, которые работают в наиболее экстремальных условиях взаимодействия с плазмой. Образцы сплавов были изготовлены из W -1 % Re , W- 5 % Re и W- 10% Re композиций дуговой плавкой высокочистых порошков и испытаны для оценки влияния легирующих добавок и радиационных повреждений на механические свойства.
GRAIN SIZE EFFECTS IN NANOSTRUCTURED TUNGSTEN MATERIALS FOR MAGNETIC FUSION APPLICATIONS/ Влияние размера зерна в наноструктурированных материалах из вольфрама для термоядерных установок
Sean Gonderman, Osman El-Atwani, Gregory De Temmerman, Thomas Morgan, Kirill Bystrov, Mert Efe, Jean Paul Allain
Вольфрам считается одним из лучших материалов для применения качестве облицовочного компонента дивертора, которые работают в условиях взаимодействия с плазмой в ИТЭР. Тем не менее, тяжелые изменения морфологии, такие как полости, пузыри и формирования наноструктур возникают, когда вольфрам подвергается высокой плотности энергии, воздействию высоких температур, ожидаемых в горящей плазме термоядерного синтеза. Увеличения площади границ зерен путем формирования ультратонкого и нанокристаллического зерна вольфрама является одним из возможных решений по смягчению ущерба облучения. Результаты исследований сравниваются с аналогичными исследованиями на образцах коммерческого вольфрама с размером зерен 15-25 мкм.
EVALUATION OF THERMAL CONDUCTIVITY OF UNIDIRECTIONAL SIC COMPOSITE ENHANCED WITH CARBON FIBERS / Оценка теплопроводности однонаправленных SiC-композитов, усиленных углеродными волокнами
S.H. Kim, H.S. Gwon, R. Kasada, S. Konishi, Y.J. Lee, T. Hinoki and H.K. Yoon
Низкая теплопроводность карбида кремния является проблемой для применения в диверторах термоядерных реакторов из-за высокого градиента температуры. Авторы предлагают SiC-композит с высокой теплопроводностью, повышенной за счет введения волокон. В этом исследовании SiC-композит был изготовлен на основе углеродных волокон (50% объемной доли) в качестве образца для оценки теплопроводности. Плотность, теплопроводность и удельная теплоемкость монолитного SiC и Cf/SiC композита была измерена.
Optimization of Functionally Graded Materials for Plasma Facing Components by Finite element methods / Оптимизация функционально-градиентных материалов для облицовочных компонентов методом конечных элементов
D.S.Krishnan, S. Kanpara, S.S.Khirwadkar, Y.Patil
Плазменные облицовочные компоненты изготавливают из вольфрама, меди и CuCrZr, с медью по вольфраму. В связи с огромной разницей в коэффициентах теплового расширения между вольфрамом и медью, предлагается иметь прослойку W/Cu функционально-градиентных материалов между вольфрамом и медью. Настоящая работа исследует методом конечных элементов влияние W/Cu функционально-градиентных материалов, введенных между поверхностями вольфрама и меди.
ANISOTROPIC HEAT TRANSFER CHARACTERISTICS OF COMPOSITE MATERIAL ENHANCED WITH HIGH THERMAL CONDUCTIVITY FIBER / Анизотропные тепловые свойства композита с высокотеплопроводными волокнами
H.S. Gwon, S.H. Kim, R. Kasada, S. Konishi
Было проанализировано поведение теплопроводности композитного материала для применения в диверторе. Стационарный и переходный режимы рассчитывали с использованием метода конечных элементов и результаты сравнивались друг с другом. Волокна круглого сечения располагались в матрице регулярно или хаотично. Тепловое сопротивление между матрицей и волокном считалось одним из параметров. Было установлено, что теплопроводность зависит от направления, распределения и расположения волокон.
EVALUATION OF MATERIAL EROSION FROM PLASMA-FACING SURFACES IN HARD DISRUPTIONS VIA SIMLUATED ABLATION DUE TO HEAT FLUX IN ELECTROTHERMAL DISCHARGES / Оценка эрозии материалов для облицовочных панелей из-за тепловых потоков
J. R. Echols and A. L. Winfrey
Материалы для термоядерных реакторов должны быть способны выдерживать высокие рабочие температуры, воздействие нейтронов и высокие термомеханические напряжения. Материалы дивертора и первой стенки также должны выдерживать дополнительное тепло и потоки частиц. Железо, вольфрам , медь, бериллий , ванадий, кремний , углерод, молибден - среди материалов и сплавов/керамических компонентов, пригодных для использования в термоядерных реакторах. Рассмотрены последствия воздействия высокого теплового потока на материалы.
ELASTOPLASTIC ANALYSES OF THERMAL STRESS INDUCED BY HIGH HEATLOADING ON TUNGSTEN MATERIALS/ Анализ термических напряжений вольфрамовых материалов под воздействием теплового потока
K. Tokunaga, K. Araki, T. Fujiwara, Y. Miyamoto, M. Hasegawa, K. Nakamura
Вольфрам (W) является основным кандидатом для использования в качестве плазменных облицовочные материалы, они будут подвергнуты тяжелых тепловых нагрузок в стационарном или переходном режиме в сочетании с высоким нейтронным облучением, что повлечет за серьезное ухудшение свойств. В настоящей работе термо-механический анализ W образца были проведен для оценки изменения W образца от воздействия высокой тепловой нагрузки. Кроме того, расчетные результаты сравнивались с поверхностной модификацией W образца при экспериментах с циклическими тепловыми нагрузками с использованием электронного луча для оценки термомеханических характеристик W.
DEVELOPMENT OF MATERIALS FOR THE FIRST WALL OF A NUCLEAR FUSION REACTOR / Разработка материалов для первой стенки термоядерных реакторов
David Garoz, Ivan Fernandez-Martinez, Raquel Gonzalez-Arrabal, Antonio Rivera, Nuria Gordillo, Miguel Panizo, Gonzalo Valles, Fernando Briones, Jose Manuel Perlado
В частности, в случае лазерного термоядерного синтеза с прямыми целями (например, проекта HiPER), интенсивные импульсы ионов будут воздействовать на первую стенку после каждого взрыва. Вольфрам является выбранным материалом из-за его хороших огнеупорных свойств, низкого распыления и низкого удержания трития. Также предприняты значительные усилия для разработки новых материалов на основе вольфрама с превосходной устойчивостью к ионному облучению.
MOLYBDENUM ARMOUR LAYER ON COPPER PLATES: MANUFACTURING, TECHNOLOGIES AND TESTS OF PROTOTYPES / Армирующие слои из молибдена на медных пластинах – производство и испытания
M. Pavei, S. Dal Bello, H. Groenveld, D. Marcuzzi, A. Rizzolo, P. Sonato, P.Zaccaria
Среди наиболее важных компонентов источника плазмы являются задние вертикальные пластины, ограничивающие плазму. Использование медных пластин с армирующим слоем, имеющим низкую распыляемость, было признано необходимыми. Молибден и вольфрам являются наиболее подходящими материалами; необходимо обеспечить минимальную толщину приблизительно 0,5 мм. Для того чтобы проверить возможность изготовления такого толстого армирующего слоя, имеющего довольно сложную геометрию, плазменное напыление и сварка взрывом были выбраны и исследованы. Процесс сварки взрывом был признан наиболее подходящим.