КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 17-72-20191

НазваниеВлияние гелия и переосажденных слоев на накопление изотопов водорода в материалах термоядерных установок

РуководительГаспарян Юрий Микаэлович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2020 - 06.2022 

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-501 - Физика высокотемпературной плазмы и УТС

Ключевые словауправляемый термоядерный синтез, взаимодействие плазмы с поверхностью, изотопы водорода, накопление, проницаемость, осаждение пленок, термодесорбционная спектроскопия

Код ГРНТИ29.27.35, 29.19.11, 29.19.16

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Управляемый термоядерный синтез является одним из наиболее перспективных и безопасных источников энергии. В настоящее время ведется активная работа по строительству международного экспериментального реактора ИТЭР, параллельно во многих странах ведется проектирование термоядерных установок следующего поколения, демонстрационных реакторов DEMO. В рамках проекта рассматриваются особенности накопления изотопов водорода в материалах в условиях, характерных для будущих термоядерных установок. В ходе выполнения основного проекта 2017-2020 годов было проведено многостороннее исследование влияния примеси гелия и процесса переосаждения на накопление изотопов водорода в вольфраме и конструкционных материалах (сталь ЭК-181, V-4Cr-4Ti). В 2020-2022 годах разработанный комплекс методик будет применен для исследования новых перспективных сплавов на основе вольфрама, разрабатываемых для использования в DEMO реакторах. Также будет рассмотрен новый процесс, характерный для длительной эксплуатации обращенных к плазме элементов, - накопление изотопов водорода в переходном слое, соединяющем ОПМ (обращенный к плазме материал) с конструкционным материалом, и влияние захваченного водорода на механические свойства соединения. В ходе выполнения основного проекта 2017-2020 годов впервые была разработана физически обоснованная формула для предсказания содержания изотопов водорода в переосажденных слоях, которая позволила хорошо описать экспериментальные данные для вольфрама, молибдена и алюминия. В условиях ИТЭР переосажденные слои будут состоять преимущественно из бериллия. Поэтому будет произведено сопоставление полученной формулы с существующими экспериментальными данными для берилиевых слоев, а также произведена аппроксимация на условия эксплуатации ИТЭР.

Ожидаемые результаты
Будут получены экспериментальные данные о захвате дейтерия и гелия в перспективных сплавах на основе вольфрама при последовательном и одновременном облучении, а также о модификации поверхности материалов. Будут выявлены особенности поведения новых материалов по сравнению с ранее полученными данными для поликристаллического вольфрама. Будут получены экспериментальные данные о накоплении дейтерия в паянном соединении (сталь/TiZrBe/Ta/TiZrBe /W) при экспонировании в газообразном дейтерии и дейтериевой плазме, а также о влиянии захваченного дейтерия на структуру переходного слоя (TiZrBe/Ta/TiZrBe) и его механическую устойчивость. На основе анализа существующих экспериментальных данных о со-осаждении дейтерия с бериллием будет получена аналитическая формула для оценки накопления трития в переосажденных слоях в условиях ИТЭР. Запланированные результаты не имеют аналогов в мире и будут востребованы при разработке будущих термоядерных установок.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Изучение накопления изотопов водорода в стенках термоядерных установках важно с точки зрения безопасности. В ходе этапа рассматривалось несколько аспектов этого процесса. Проведен анализ имеющихся в литературе экспериментальных данных по содержанию дейтерия в бериллиевых слоях в зависимости от условий осаждения. Получена аппроксимация экспериментальных данных с помощью ранее разработанной теоретической формулы. Это позволит предсказывать содержание изотопов водорода в переосажденных слоях в широком диапазоне параметров. В ходе следующего этапа такие оценки будут сделаны для параметров, ожидаемых в ИТЭР. Отработана процедура пайки соединений сталь/Та/W с помощью быстрозакаленного ленточного сплава-припоя 48Ti-48Zr-4Be мас.%, а также проведены эксперименты по насыщению отдельных составляющих паяного соединения в атмосфере дейтерия. Определены параметры, при которых возможно критическое накопление дейтерия в припое, приводящее к его охрупчиванию. Проведены эксперименты по облучению сплава W-Cr-Y (перспективный для использования в термоядерных установках материал, произведенный в Научном центре Юлих, Германия) ионами дейтерия и гелия с последующим in situ термодесорбционным анализом. Проведено сравнение с данными по захвату в чистый вольфрам. Для выявления механизмов захвата гелия в вольфрам и его влияния на захват изотопов водорода проведены эксперименты с последовательным облучением вольфрама ионами различных изотопов гелия. Продемонстрирован эффект замещения изотопов гелия в поверхностном слое. Таким образом, выполнены все запланированные на этап работы.

 

Публикации

1. Арутюнян З.Р., Гаспарян Ю.М., Рябцев С.А., Ефимов В.С., Огородникова О.В., Писарев А.А., Канашенко С.Л. Deuterium trapping in the subsurface layer of tungsten pre-irradiated with helium ions Journal of Nuclear Materials, - (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2021.152848

2. Крат С.А., Гаспарян Ю.М., Васина Я.А., Пришвицын А.С., Де Теммерман Г., Писарев А.А. Analytical approach for description of deuterium content in deuterium-beryllium co-deposited layers Nuclear Materials and Energy, - (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1016/j.nme.2021.100949

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В ходе этапа получены ограничения на использование в термоядерных установках ряда перспективных материалов. В частности, применение малоактивируемого припоя TiZr4Be позволяет получить надежное соединение вольфрама и стали, оно устойчиво при давлении водорода 1 Па, но при повышенных давлениях (100 Па и выше) существует опасность разрушения соединения из-за формирования гидридов слое припоя. Захват изотопов водорода в вольфрамовом сплаве W-Cr-Y не значительно превышает накопление в чистом вольфраме и демонстрирует схожее поведение при дополнительном воздействии гелия. Однако, при температуре свыше 1300 К будет происходить интенсивное испарение хрома с поверхности сплава. Сделаны оценки накопления трития в ИТЭР на основе разработанной ранее модели со-осаждения водорода с металлами. Выявлены режимы с максимальной скоростью накопления трития. Проведено математическое описание захвата дейтерия в исследуемые материалы, а также процесса замещения изотопов гелия в поверхностном слое, обнаруженного в ходе выполнения предыдущего этапа. Определены характерные энергии связи дейтерия с дефектами в присутствии гелия, а также скорости процесса замещения изотопов гелия. Таким образом, выполнены все запланированные на этап работы.

 

Публикации

1. Арутюнян З.Р. , Гаспарян Ю.М., Ефимов В.С., Литновский А.М., Кляйн Ф., Писарев А.А., Конен Я.В., Линзмаер К. Analysis of trapping sites for deuterium in W–Cr–Y SMART alloy Vacuum, Vacuum, 199 (2022) 110956 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2022.110956

2. Бачурина Д.М., Сучков А.Н., Гурова Ю.А., Ключарев В.Ю., Савельев М.Д., Сомов П.А, Севрюков О.Н. Brazing Tungsten/Tantalum/RAFM Steel Joint for DEMO by Fully Reduced Activation Brazing Alloy 48Ti-48Zr-4Be Metals, Metals, 11 (2021) 1417 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.3390/met11091417

3. Гаспарян Ю.М., Бачурина Д.М., Ефимов В.С., Гурова Ю.А.,Подоляко Ф.С., Сергеев Н.С., Сорокин И.А., Сучков А.Н., Бобырь Н.П., Козлов И.В., Куликова Е., Спицын А.В. Deuterium retention in the elements of plasma facing components for the DEMO first wall Journal of Nuclear Materials, - (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2022.153837

4. Крат С. А., Фефелова Е. А., Пришвицын А. С., Хомяков А. К., Гаспарян Ю. М., Писарев А. А. Накопление дейтерия и гелия в соосажденных вольфрамовых слоях, образующихся в дейтериевой плазме с примесью гелия Известия РАН. Серия физическая, с.627-632, № 5, том 86, 2022 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.31857/S0367676522050143

5. Крат С.А., Майер М., Коад Ж.П., Лунгу К.П., Хейнола К., Барон-Вичец А., Джепу И., Виддоусон А., JET команда Comparison of JET inner wall erosion in the first three ITER-like wall campaigns Nuclear Materials and Energy, Nucl. Mater. Energy. 29 (2021) 101072 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1016/j.nme.2021.101072

6. Литновский А.М., Кляйн Ф., Тан К., Ертнер Я., Конен Я., Линзмайер К., Гонсале-Юлиан И., Брам М., Повстугар И., Морган Т., Гаспарян Ю.М., Сучков А., Бачурина Д.М., и др. Advanced Self-Passivating Alloys for an Application under Extreme Conditions Metals, Metals, 11 (2021) 1255 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.3390/met11081255

Возможность практического использования результатов
Результаты работы могут буть использованы, прежде всего, при проектировании и разработке режимов работы термоядерных установок, таких как Т-15МД и ТРТ, а также режимов очистки и детритизации. Выявлены нежелательные режимы работы ИТЭР, которые потенциально могут приводить к существенно повышенному накоплению трития. Получены ограничения на использование новых разрабатываемых материалов, которые в дальнейшем могут быть учтены при их использовании и для разработки материалов с улучшенными свойствами. Предложено использование термодесорбционной спектроскопии для выявления наличия нанопор в конструкционных материалах, которые сложно зарегистрировать другими методами.