Введение к работе
Введение. Очевидная тенденция, просматривающаяся в современных электрофизических установках, заключается в использовании все более интенсивных потоков энергии. Требования по обеспечению надежности работы различного рода мишеней в этих условиях приобретают все большую значимость. Возникает необходимость детального анализа процессов, протекающих при взаимодействии пучков высоких интенсивностей с материалами как защитных структур, так и обрабатываемых образцов.
Внутрикамерные элементы термоядерных реакторов типа ТОКАМАК (инвертор, лимитер и первая стенка) подвергаются воздействию мощных концентрированных тепловых потоков от плазмы. Проектирование таких установок подразумевает проведение значительного объема научно-исследовательских и расчетных работ. В области дивертора международного термоядерного реактора ITER тепловой поток от плазмы в импульсе переходного режима может достигать значительных величин - до 300 МВт/м2. Поэтому внешняя тепловоспринимающая облицовка дивертора формируется из блоков тепловой защиты под малым углом к направлению потока, что позволяет снизить его уровень, поглощаемый по нормали к поверхности дивертора, до величин ~ 20 МВт/м2. Поскольку облицовка дивертора представляет собой набор теплозащитных блоков, нагрузка является сугубо боковой (направленной по касательной к поверхности мишени). Общее количество блоков достаточно велико (~104), поэтому из за неточностей сборки есть вероятность существования зон (например, выступающие кромки блоков), попадающих под прямое воздействие интенсивной боковой нагрузки исходного уровня ~300 МВт/м2. Также существует вероятность наличия дефектов теплового контакта блоков с трубками системы охлаждения. Данные конструкционные дефекты будут вызывать интенсивные процессы плавления и испарения материала защитных структур.
Процессы, происходящие при высоких концентрированных тепловых воздействиях, не свойственны энергетическим ядерным реакторам на тепловых нейтронах и не рассматривались ранее в традиционных кодах ANSYS, RELAP, ATHENA и др., как с точки зрения процессов поглощения тепла нагружаемой поверхностью защиты, так и теплосъема с охлаждаемой поверхности. Расчетное обоснование аналогичных процессов требуется также при разработке и внедрении методов улучшения поверхностных свойств материалов (твердость, износостойкость, стойкость к процессам коррозии, газопроницаемость и др.) при помощи их обработки интенсивными импульсными пучками заряженных частиц. Большой интерес к этим методам обусловлен заменой традиционной "объемной" термообработки на приповерхностную модификацию материала с помощью применения электронных пучков в качестве тепловой нагрузки, которая вызывает
РОС национальная!
тайм
тепловыделение только в приповерхностном слое без прямого нагрева остального объема образца. Данный метод позволяет существенно снизить энергозатраты и повысить эффективность технологий обработки материалов. При импульсной термообработке удается получить состояния материала, нереализуемые традиционными методами, такие, как аморфные или мелкокристаллические структуры, соединения с гомогенным фавовым составом.
Вышеперечисленная проблематика может быть объединена основными процессами теплопереноса и фазовых переходов, определяющих физическую картину взаимодействия пучков высоких энергий с материалом. В представляемой работе рассматривается воздействие мощных тепловых потоков на защитные структуры термоядерных реакторов и материалы, подвергающиеся технологической обработке импульсными интенсивными пучками заряженных частиц. Актуальность работы обусловлена:
с одной стороны, наблюдаемой недостаточностью расчетного обоснования тепловых режимов при проектировании такого рода установок, что, как правило, оборачивается значительными потерями при доработке их на стадии эксплуатации;
с другой стороны, существенные масштабы таких установок сильно ограничивают возможности в проведении натурных экспериментов на стадии разработки, что вызывает необходимость проведения численных экспериментов на математических моделях.
Данная работа посвящена расчетному обоснованию при:
проектировании виутрикамерных элементов термоядерных установок типа ТОКАМАК, которые подвергаются воздействию мощных тепловых потоков, обусловленных: поглощением нейтронов с энергией 14 МэВ, тормозным и тепловым излучением от плазмы.
исследовании методов улучшения поверхностных свойств материалов, облученных интенсивными импульсными пучками заряженных частиц.
Для реализации этой задачи в рамках численного моделирования процессов тепломассопереноса, происходящих в мишенных устройствах под воздействием интенсивных тепловых потоков, автором были разработаны комплекс физических моделей и реализующие их расчетные алгоритмы, которые были формализованы в виде вычислительной программы «OFJON». Комплексное моделирование основополагающих процессов в системе выгодно отличает разработанный вычислительный алгоритм от его аналогов, рассматривающих физические процессы в системе обособленно, выделял один из них при пренебрежении другими. Такой подход позволяет проводить не только оценочные расчеты, но и моделировать численные эксперименты по исследованию и оптимизации рабочих параметров установок и технологических режимов.
Для этих целей, совместно с задачей моделирования процессов теилопереноса в материале образца был рассмотрен широкий круг соответствующих теплофизических проблем:
испарение материала с поверхности;
процессы фазовых переходов в объеме материала мишени (испарение, плавление и кристаллизация);
экранирующий эффект облака испаренного материала, который приводит к снижению поглошаемого мишенью теплового потока;
процессы охлаждения образца, включая эффект кризиса конвективного теплосъема.
Работа выполнена в соответствии с планами НИОКР:
Федеральная целевая программа "Международный термоядерный реактор ИТЭР и научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в его поддержку" на 1996 - 1998 годы (Постановление Правительства РФ № 1119 от 19 сентября 1996 г.).
Федеральная целевая научно-техническая программа "Международный термоядерный реактор ИТЭР и научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в его поддержку" на 1999-2001 годы (Постановление Правительства РФ ЛЬ 1417 от 1 декабря 199S г.).
Федеральная целевая программа "Международный термоядерный реактор ИТЭР" на 2002 - 2005 годы (Постановление Правительства РФ № 604 от 21 августа 2001 г.).
Совместный российско-германский (НИИЭФА, Санкт-Петербург и Исследовательский центр Карлсруэ) проект "Разработка методов формирования широкоапертурных импульсных электронных и ионных пучков для улучшения свойств поверхности материалог".
Цели работы
Разработка физических и математических моделей и реализующего их эффективного программного обеспечения, создание расчетных методик и алгоритмов для комплексного анализа теплофизических процессов в мишенных устройствах при воздействии интенсивных тепловых потоков.
Проведение на базе предложенных методик проектирования мишенных
устройств, определение их оптимальных характеристик, параметров систем
охлаждения, расчетного обоснования различных технологий обработки
материалов.
Научная новизна. В диссертации получены следующие новые результаты:
Для анализа работы мишенных устройств разработаны физические и
математические модели, алгоритмы, формализованные в виде расчетного
инструмента — комплекса вычислительных программ.
На базе разработанных алгоритмов предложены методики расчетов
нестационарных теплофизических процессов в многокомпонентных
мишенных устройствах при комплексном рассмотрении процессов
испарения и плавления, изменения геометрической формы, эффекта
экранировки облаком испаренного материала. Численное моделирование
может проводиться как для штатного, так и для аварийного режимов работы.
На основе использования разработанного комплексного подхода показано, что эффект экранировки нагруженного образца облаком испаренного материала вызывает определяющее влияние на его температурное состояние; неучет экранирующего эффекта может привести не только к потере точности расчетов, но и к полному искажению физической картины.
Проведено расчетное обоснование проекта вертикальной мишени дивертора ИТЭР, показано отсутствие каскадного разрушения тепловой защиты. Результаты проведенного анализа демонстрируют эволюцию поверхности защитной структуры к форме, характеризующейся минимальной величиной поглощаемого теплового потока. Обоснован ресурс тепловой защиты. Практическая ценность
Для расчета взаимодействия пучков высоких энергий с мишенями создан расчетный инструмент - комплекс вычислительных программ "ORION".
Выполнено расчетное обоснование конструкции защитной облицовки дивертора ИТЭР, параметров системы охлаждения, определен ресурс тепловой защиты. Результаты включены в итоговые документы технического проекта ITER.
Определен требуемый диапазон параметров электронного пучка для различных технологий обработки материалов, что явилось расчетным обоснованием проекта электроннолучевой установки GESA-2.
Исследована роль процессов рекристаллизации материала в технологиях поверхностного упрочнения металлов импульсным электронным пучком.
Показано определяющее влияние облака испаренного материала на физическую картину процессов взаимодействия импульсного потока энергии с образцом, особенно значимым при малых продолжительностях импульса нагрузки —до 100 мкс.
Расчетно обоснованы оптимальные параметры получения некоторых приповерхностных сплавов различных металлов, не реализуемых традиционными методами.
В расчетном обеспечении экспериментальных работ на установках (ELDIS, COM,GESA-l,GESA-2).
Созданная методика расчетов использовалась в качестве базового программного обеспечения в разработке сопутствующих вычислительных кодов для расчетного анализа температурного состояния образцов и параметров систем охлаждения установок электровакуумного напыления.
Апробация результатов и публикации. Основные результаты диссертации докладывались на: совещаниях рабочих групп ИТЭР (2000 - 2003 г.); семинарах НИИЭФА, СПбГПУ, ЦКТИ; конференциях SOFT19, SOFT20, ИПТР6, ИПТР7; атакже опубликованы в 10 работах.
Объем и структура диссертации. Работа изложена на 118 страницах, состоит из введения, 3 глав и заключения, а также содержит 58 рисунков и 3 таблицы. Список цитируемой литературы состоит из 102 наименований.
