Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследование поведения изотопов водорода в материалах термоядерных реакторов

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
материалы термоядерных реакторов, вольфрам, ферритно-мартенситные стали со сниженным уровнем наведенной активности, аустенитные стали, изотопы водорода, дейтерий, тритий

Цель проекта:
Проект направлен на решение проблемы выбора конструкционных и функциональных материалов для использования в условиях термоядерного реактора. Задачами проекта являются: 1. Исследование накопления изотопов водорода в образцов вольфрама различных марок, производимых как японской, так и отечественной промышленностью, подвергнутых воздействию различных факторов, ожидаемых в термоядерном реакторе, 2. Изготовление мембран из (аустенитных сталей и бронзы Cu-Cr-Zr) и проведение экспериментальных исследований проникновения дейтерия через эти мембраны, 3. Проведение оценки проникающих сквозь аустенитные стали и бронзу Cu-Cr-Zr потоков с учётом существующих концептуальных схем и режимов работы перспективных термоядерных реакторов, таких как термоядерный источник нейтронов с термоядерной мощностью 50 МВт и демонстрационный реактор ДЕМО с мощностью 500 МВт. Целями проекта являются: исследование накопления изотопов водорода в перспективных материалах для защиты первой стенки термоядерного реактора - вольфраме и его сплавах с рением, после воздействия интенсивных тепловых потоков и повреждения электронным пучком, а так же в зависимости от концентрации растворенного радиогенного гелия; исследование водородопроницаемости перспективных конструкционных материалов (аустенитных сталей и бронзы Cu-Cr-Zr) атомных и термоядерных реакторов, термоядерных источников нейтронов, оборудования для водородной энергетики; оценка безопасности перспективных конструкционных материалов (аустенитных сталей и бронзы Cu-Cr-Zr) атомных и термоядерных реакторов при использовании в контакте с дейтерий-тритиевым топливом, а так же поиск путей снижения накопления изотопов водорода и снижения водородопроницаемости этих материалов.

Основные планируемые результаты проекта:
Проведена модернизация установки для измерения проникновения изотопов водорода через металлы (установки «ПИМ»). Абсолютная точность измерения проникающих потоков возросла до 1 – 2 %, достигнуты вакуумные условия 1•10-7 тор в камере плазменного источника и 1•10-9 тор в измерительной камере, количество примесей в рабочем газе (дейтерии) сократилось в 10 раз;
Проведено экспериментальное исследование накопления дейтерия в повреждённых образцах вольфрама и сплава вольфрам-рений методом термодесорбционной спектроскопии;
Проведено экспериментальное исследование проникновения дейтерия через аустенитную сталь ЧС-68.
Исследование накопления изотопов водорода в образцах вольфрама, поврежденных электронным пучком до дозы 2,7•1018 e/м2, проводилось методом термодесорбционной спектроскопии. Показано, что захвату дейтерия в дефектах, созданных электронным пучком, соответствует пик при 750 К, который растет с увеличением дозы облучения.
При измерении проникающего потока дейтерия через сталь ЧС-68 получена зависимость проникающего потока от давления близкой к корневой J~p0,53, были рассчитаны коэффициент диффузии и константа проницаемости. Показано, что при облучении образцов горячекатаного W и W-5 % Re низкоэнергетической (76 эВ/ион) дейтериевой плазмой с высоким значением потока ионов (около 1022 D/м2с) до дозы 1026 D/м2 морфологии поверхности зависит от температуры облучения незначительно. В процессе плазменного облучения при температурах в интервале от 348 до 673 K на поверхностях W и W-5 % Re формируются блистеры размером от 1 до 20 мкм.

На последующих этапах планируется получение следующих результатов:
- результаты экспериментальных исследований проникновения дейтерия через аустенитную сталь ЧС-68 и 12Х18Н10Т;
- результаты экспериментальных исследований накопления дейтерия в экспериментальных образцах вольфрама, насыщенного радиогенным гелием, методом термодесорбционной спектроскопии;
- результаты сравнения и верификации экспериментальных данных по накоплению изотопов водорода в экспериментальных образцах вольфрама, поврежденного электронами высоких энергий, полученных российской и японской группами, методами термодесорбционной спектроскопии и методом рентгеновской люминесценции образцов, насыщенных тритием;
- результаты экспериментальных исследований проникновения дейтерия через бронзу Cu-Cr-Zr;
- обобщение и оценка результатов по измерению проникновения изотопов водорода через конструкционные материалы;
- рекомендации по минимизации проникновения изотопов водорода через аустенитные стали (марки ЧС-68) и бронзу Cu-Cr-Zr при температурах, ожидаемых в термоядерных реакторах;
- рекомендации по минимизации накопления изотопов водорода в вольфраме и его сплавах;
- предложения по реализации результатов прикладных научных исследований и вовлечению их в хозяйственный оборот.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Исследование накопления изотопов водорода в перспективных материалах для защиты первой стенки
термоядерного реактора - вольфраме и его сплавах с рением, после воздействия интенсивных тепловых
потоков и повреждения электронным пучком, а так же в зависимости от концентрации растворенного
радиогенного гелия.
Для решения поставленной задачи будут проведены исследования образцов вольфрама различных марок,
производимых как японской, так и отечественной промышленностью. Образцы будут подвергнуты
воздействию различных факторов, ожидаемых в термоядерном реакторе: воздействию импульсных
тепловых потоков пучка электронов, воздействию электронов МэВных энергий, приводящих к
образованию точечных дефектов в структуре материала, а так же методом "тритиевого трюка" образцы
будут насыщены радиогенным гелием, который образуется в объеме материала в результате облучения
термоядерными нейтронами, а так же в результате радиоактивного распада трития. Затем будет проведено
исследование способности материала к захвату и накоплению изотопов водорода, определены
характеристики накопления, влияния отдельных факторов и разработаны методы удаления изотопов
водорода из вольфрама. Исследования будут проведены различными методами одновременно и в НИЦ
"Курчатовский институт" и в Центре исследования изотопов водорода Университета г. Тояма и будет
проведено сравнение и верификация экспериментальных результатов.
2. Исследование водородопроницаемости перспективных конструкционных материалов (аустенитных
сталей и бронзы Cu-Cr-Zr) атомных и термоядерных реакторов термоядерных реакторов, термоядерных
источников нейтронов, оборудования для водородной энергетики.
Для решения поставленной задачи будут изготовлены мембраны из перечисленных материалов и на
сверхвысоковакуумном стенде ПИМ проведены экспериментальные исследования проникновения
дейтерия через эти мембраны. Будет сделана оценка потоков, проникающих через конструкционные
материалы при различных условиях (температура, покрытия), ожидаемых для различных систем
термоядерных реакторов, контактирующих с тритием.
3. Oценка безопасности этих материалов при использовании в контакте с дейтерий-тритиевым топливом, а
так же поиск путей снижения накопления изотопов водорода и снижения водородопроницаемости этих
материалов.
Для решения поставленной задачи будут проведены оценки проникающих потоков с учётом
существующих концептуальных схем и режимов работы перспективных термоядерных реакторов, таких
как термоядерный источник нейтронов с термоядерной мощностью 50 МВт и демонстрационный реактор
ДЕМО с мощностью 500 МВт.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Ожидаемые результаты могут быть применены при конструировании термоядерных установок, обоснования их безопасности и лицензирования.

Текущие результаты проекта:
Проведена модернизация установки для измерения проникновения изотопов водорода через металлы (установки «ПИМ»). Абсолютная точность измерения проникающих потоков возросла до 1 – 2 %, достигнуты вакуумные условия 1•10-7 тор в камере плазменного источника и 1•10-9 тор в измерительной камере, количество примесей в рабочем газе (дейтерии) сократилось в 10 раз;
Проведено экспериментальное исследование накопления дейтерия в повреждённых образцах вольфрама и сплава вольфрам-рений методом термодесорбционной спектроскопии;
Проведено экспериментальное исследование проникновения дейтерия через аустенитную сталь ЧС-68.
Исследование накопления изотопов водорода в образцах вольфрама, поврежденных электронным пучком до дозы 2,7•1018 e/м2, проводилось методом термодесорбционной спектроскопии. Показано, что захвату дейтерия в дефектах, созданных электронным пучком, соответствует пик при 750 К, который растет с увеличением дозы облучения.
При измерении проникающего потока дейтерия через сталь ЧС-68 получена зависимость проникающего потока от давления близкой к корневой J~p0,53, были рассчитаны коэффициент диффузии и константа проницаемости. Показано, что при облучении образцов горячекатаного W и W-5 % Re низкоэнергетической (76 эВ/ион) дейтериевой плазмой с высоким значением потока ионов (около 1022 D/м2с) до дозы 1026 D/м2 морфологии поверхности зависит от температуры облучения незначительно. В процессе плазменного облучения при температурах в интервале от 348 до 673 K на поверхностях W и W-5 % Re формируются блистеры размером от 1 до 20 мкм.