RU2036977C1 - Composition material production method - Google Patents
Composition material production method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2036977C1 RU2036977C1 RU92015492A RU92015492A RU2036977C1 RU 2036977 C1 RU2036977 C1 RU 2036977C1 RU 92015492 A RU92015492 A RU 92015492A RU 92015492 A RU92015492 A RU 92015492A RU 2036977 C1 RU2036977 C1 RU 2036977C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- carbon
- molybdenum
- metal
- pyroceram
- carbonate
- Prior art date
Links
Landscapes
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технологии защиты металлов от воздействия высоких температур и агрессивных сред в условиях высоких статических и динамических нагрузок и больших плотностей потоков энергии, может служить в частности, для изготовления первой стенки, диверторных пластин термоядерных и гибридных реакторов; элементов и узлов ядерных реакторов, в том числе высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов; химической аппаратуры и металлургической оснастки. The invention relates to a technology for the protection of metals from exposure to high temperatures and aggressive environments under high static and dynamic loads and high energy flux densities, can serve, in particular, for the manufacture of the first wall, divertor plates of thermonuclear and hybrid reactors; elements and components of nuclear reactors, including high-temperature gas-cooled reactors; chemical equipment and metallurgical equipment.
Известен способ получения углеродных покрытий на графитовых подложках (1, 2). Он основан на пиролизе углеродсодержащих газов на нагретой поверхности графита. A known method for producing carbon coatings on graphite substrates (1, 2). It is based on the pyrolysis of carbon-containing gases on the heated surface of graphite.
Недостаток этого способа состоит в том, что он создает слои, обладающие значительной анизотропией свойств, которая препятствует его адгезии к поверхности металла, обладающего изотропными свойствами. The disadvantage of this method is that it creates layers with significant anisotropy of properties, which prevents its adhesion to the surface of a metal having isotropic properties.
Наиболее близким к предлагаемому является известный способ получения углеродных материалов пиролизом углерод- содержащих газов в вакууме или при атмосферном давлении в среде инертных газов или активных разбавителей на поверхности осаждения, нагретой до 800-2500оС в присутствии инициатора кристаллизации, например, хлорида бора, при времени пребывания его в реакционном пространстве 1-60 с и парциальном давлении углеродсодержащих газов менее критического порога сажевыделения.The closest to the proposed method is known for producing carbon materials by pyrolysis of carbon-containing gases in a vacuum or at atmospheric pressure in inert gases or diluents to the active deposition surface is heated to 800-2500 ° C in the presence of a crystallization initiator, e.g., boron chloride, with its residence time in the reaction space is 1-60 s and the partial pressure of carbon-containing gases is less than the critical threshold for carbon black emission.
Этот способ позволяет получать покрытия с квазиизотропными свойствами. Однако получение углеродных покрытий, в частности углеситалла, на поверхности металлов этих способом вызывает большие трудности слои отслаиваются, обладают плохой адгезией, образуются поверхностные вздутия. This method allows to obtain coatings with quasi-isotropic properties. However, the preparation of carbon coatings, in particular carbon-metal, on the surface of metals by this method causes great difficulties, the layers exfoliate, have poor adhesion, and surface swellings are formed.
Техническим результатом изобретения является увеличение воспринимаемой плотности мощности и ресурса работы за счет повышения адгезионных свойств углеродсодержащего покрытия к металлической поверхности. The technical result of the invention is to increase the perceived power density and service life by increasing the adhesive properties of the carbon-containing coating to a metal surface.
Технический результат достигается тем, что в способе получения композиционного материала пиролизом углеродсодержащих газов в вакууме на поверхности осаждения, нагретой до 800-2500оС в присутствии инициатора кристаллизации при парциальном давлении углеродсодержащих газов менее критического порога сажевыделения, используют тугоплавкий металл или сплав, обладающих химическим сродством с углеродсодержащим материалом (углеситаллом УСБ-15), содержащем 8-18 мас. бора, остальное углерод, имеющим коэффициент термического расширения, близкий к коэффициенту термического расширения углеситалла, который предварительно подвергают механической обработке, электрическому травлению и обезгаживанию в вакууме; на подложку наносят углеситалл, обогащенный изотопом естественного бора бор-11; подложку из тугоплавкого металла выполняют из сплава на основе молибдена, содержащего (мас.) ванадий 0,5-1,0, углерод 0,02-0,03, остальное молибден; подложку из тугоплавкого металла выполняют из молибденового сплава, содержащего, (мас.) титан 0,07-0,3, цирконий 0,07-0,15, углерод 0,04, остальное молибден; осаждение углеситалла ведут при нагреве тугоплавкого металла до 1500оС и скорости осаждения 0,25 мм/ч.Technical result is achieved by the method for producing a composite material by pyrolysis of carbon-containing gases in the vacuum deposition on a surface heated to 800-2500 ° C in the presence of a crystallization initiator at a partial pressure of carbon-containing gases sazhevydeleniya less critical threshold, use a refractory metal or alloy having a chemical affinity with a carbon-containing material (carbon-ceramic USB-15) containing 8-18 wt. boron, the rest is carbon having a coefficient of thermal expansion close to the coefficient of thermal expansion of carbon metal, which is preliminarily subjected to mechanical treatment, electrical etching and degassing in vacuum; carbon-ceramic enriched with an isotope of natural boron boron-11 is applied to the substrate; the substrate of refractory metal is made of an alloy based on molybdenum containing (wt.) vanadium 0.5-1.0, carbon 0.02-0.03, the rest is molybdenum; a substrate of refractory metal is made of a molybdenum alloy containing, (wt.) titanium 0.07-0.3, zirconium 0.07-0.15, carbon 0.04, the rest is molybdenum; uglesitalla lead deposition during heating of the refractory metal to 1500 ° C and a deposition rate of 0.25 mm / h.
При получении покрытия углеродным материалом подложка нагревается преимущественно до 1500оС, а затем охлаждается до комнатной температуры. Если в этом диапазоне температур линейный коэффициент термического расширения (КТР) углеродного покрытия заметно отличается от КТР подложки, то в переходном слое между этими материалами возникают напряжения растяжения и сжатия, которые уменьшают прочность сцепления (адгезию) покрытия с подложкой и могут оторвать его от подложки, особенно при термоциклических нагрузках и больших тепловых потоках на композиционный материал. Например, в проекте Международного термоядерного реактора-токамак, разработанного МАГАТЕ в 1980-81 г, материал защитного покрытия и первой стенки должен воспринимать 620 МВт тепловой мощности от термоядерной реакции в импульсах длительностью 100-200 с при средней плотности потока 1,63 МВт/м2. Для нагрева плазмы до 100 млн. К служат пучки нейтральных атомов дейтерия с энергией 175 кэВ суммарной мощностью 75 МВт. Энергетический коэффициент полезного действия системы инжекции составляет 22-35% Для удаления примесных атомов из дейтерий-тритиевой плазмы служит дивертор. Диверторные пластины будут воспринимать мощность 80 МВт при плотности мощности 4-8 МВт/м2. В качестве материала первой стенки и защитного ее покрытия предложены нержавеющая сталь, графит, бериллий, сплав на основе алюминия, магния и кремния, углеситалл УСБ-15. Предполагается 1080 срывов тока плазмы с выделением в течение 20 мс общей энергии в одном срыве тока 220 МДж. Максимальная плотность потока энергии составит 289 Дж/см2.In the preparation of the carbon material coating the substrate is heated preferably to 1500 C and then cooled to room temperature. If in this temperature range the linear coefficient of thermal expansion (CTE) of the carbon coating differs markedly from the CTE of the substrate, then tensile and compressive stresses arise in the transition layer between these materials, which reduce the adhesion strength (adhesion) of the coating to the substrate and can tear it away from the substrate, especially with thermocyclic loads and high heat fluxes on the composite material. For example, in a project of the International Thermonuclear Reactor-Tokamak developed by the IAEA in 1980-81, the material of the protective coating and the first wall should absorb 620 MW of thermal power from the thermonuclear reaction in pulses of 100-200 s duration with an average flux density of 1.63 MW / m 2 . Beams of neutral deuterium atoms with an energy of 175 keV with a total power of 75 MW are used to heat the plasma to 100 million K. The energy efficiency of the injection system is 22-35%. A divertor is used to remove impurity atoms from deuterium-tritium plasma. Diverter plates will perceive a power of 80 MW at a power density of 4-8 MW / m 2 . As the material of the first wall and its protective coating, stainless steel, graphite, beryllium, an alloy based on aluminum, magnesium and silicon, and carbon-steel USB-15 are proposed. It is assumed that 1080 plasma current disruptions with the release of total energy within 20 ms in one current disruption of 220 MJ. The maximum energy flux density will be 289 J / cm 2 .
В 1988 г разработан концепцуальный проект Международного термоядерного экспериментального реактора ИТЭР на мощность термоядерной реакции 830-3050 МВт. При мощности 1000 МВт плотность мощности потока тепла на первую стенку составит 1 МВт/м2, плотность потока энергии при срыве тока на первую стенку 2 МДж/м2, а на диверторные пластины 12 МДж/м2 в течение 0,1-1 мс. Материал первой стенки аустенитная нержавеющая сталь, материал защитного покрытия ее графит, материалы для диверторных пластин: графит, вольфрам, медь, медные сплавы, молибден или сплавы на основе молибдена. В течение 1991-96 г будет разработан технический проект ИТЭР.In 1988, a conceptual project was developed for the ITER International Thermonuclear Experimental Reactor for a fusion power of 830-3050 MW. With a power of 1000 MW, the power density of the heat flux to the first wall will be 1 MW / m 2 , the energy flux density when the current is cut off to the first wall is 2 MJ / m 2 , and to the divertor plates 12 MJ / m 2 for 0.1-1 ms . The material of the first wall is austenitic stainless steel, the material of its protective coating is graphite, the materials for divertor plates are: graphite, tungsten, copper, copper alloys, molybdenum or molybdenum-based alloys. During 1991-96, the ITER technical project will be developed.
Одна из острейших проблем при разработке термоядерного реактора заключается в выборе материалов, удовлетворяющих ряду физических требований: радиационная стойкость в потоках нейтронов с энергией от тепловых до 14 МэВ, минимальное произведение коэффициента распыления на порядковый номер элемента в степени 1,67; теплофизических: высокая теплопроводность и стойкость к тепловым ударам, и другим. One of the most acute problems in the development of a thermonuclear reactor is the choice of materials that satisfy a number of physical requirements: radiation resistance in neutron fluxes with energies from thermal to 14 MeV, the minimum product of the sputtering coefficient and the element serial number to the degree of 1.67; Thermophysical: high thermal conductivity and resistance to thermal shock, and others.
Углеситалл УСБ-15 в наибольшей степени удовлетворяет упомянутым основным физическим требованиям. Carbon USB-15 to the greatest extent satisfies the mentioned basic physical requirements.
Он обладает высокой радиационной стойкостью при воздействии нейтронами атомного реактора. It has high radiation resistance when exposed to neutrons in an atomic reactor.
Он имеет небольшой коэффициент распыления протонами, дейтериевой и гелиевой плазмой в широком диапазоне рабочих температур. It has a small sputtering coefficient by protons, deuterium and helium plasma in a wide range of operating temperatures.
Компоненты этого материала имеют небольшие атомные номера. The components of this material are small atomic numbers.
Нерешенным вопросом является соединение углеситалла с металлами для отвода больших потоков тепла охлаждающим хладагентом. An unresolved issue is the connection of carbon-metal with metals to remove large heat fluxes with a cooling refrigerant.
Задача заключается в нахождении металлов и сплавов, атомы которых оказались химически совместимыми с атомными компонентами углеситалла. The task is to find metals and alloys, the atoms of which turned out to be chemically compatible with the atomic components of carbon metal.
Чтобы получить наиболее прочное сцепление углеситалла с подложкой. Необходимо создать шероховатую поверхность подложки и обеспечить отсутствие загрязнений на ней. To get the most durable adhesion of carbon metal to the substrate. It is necessary to create a rough surface of the substrate and ensure the absence of contamination on it.
При получении покрытия углеситаллом подложка нагревается до высокой температуры. В процессе нагрева из подложки будут выделяться газы, которые при осаждении углеситалла образуют микро- и макропузырьки на границе между поверхностью подложки и переходного слоя между нею и углеситаллом. Чтобы устранить этот возможный дефект подложку следует обезгазить в вакууме при температуре 700-1000оС в течение времени, необходимом для прекращения выделения газов.Upon receipt of the coating with carbon-metal, the substrate is heated to a high temperature. During heating, gases will be released from the substrate, which during the deposition of carbon metal will form micro and macro bubbles at the interface between the surface of the substrate and the transition layer between it and carbon metal. To resolve this possible defect the substrate may be obezgazit in vacuo at a temperature of 700-1000 ° C for the time required to stop the emission of gas.
Выбор подходящего материала из серии наиболее подходящих производился в одном опыте, чтобы условия нанесения были одинаковыми. The selection of the suitable material from the series of the most suitable was carried out in one experiment, so that the application conditions were the same.
П р и м е р. Коэффициент линейного термического расширения (КЛТР) углеситалла УСБ-15 в диапазоне температур 20-2000оС изменяется в пределах (55-80)10-7 1/градус, ЛКТР ниобия в диапазоне 20-1500оС 1/градус, ЛКТР титана в диапазоне 20-300оС изменяется в пределах (77-82)10-7 1/градус, ЛКТР молибдена в диапазоне температур 25-2127оС изменяется в пределах (53-72)10-7 1/градус. Наибольшей адгезией должно обладать покрытие углеситалла на молибдене, а химической совместимостью молибденовый сплав 4604 с добавками ванадия и углерода и молибденовый сплав ЦМ2А с добавками титана, циркония и углерода.PRI me R. The coefficient of linear thermal expansion (CTE) uglesitalla CSS-15 over the temperature range 20-2000 C. varies in the range (55-80) 10 -7 1 / degree, LKTR niobium in the range of 20-1500 C 1 / degree, titanium LKTR in the range of 20-300 о С varies in the range of (77-82) 10 -7 1 / degree, LCRT of molybdenum in the temperature range of 25-2127 о С varies in the range of (53-72) 10 -7 1 / degree. The greatest adhesion should have a coating of carbon-metal on molybdenum, and the molybdenum alloy 4604 with the addition of vanadium and carbon and the molybdenum alloy CM2A with the addition of titanium, zirconium and carbon should be chemically compatible.
Пластины из ниобия, титана, сплавов 4604 и ЦМ2А размером 120х200 мм толщиной 2 и 10 мм после механической обработки фрезерованием с чистотой поверхности по 5-6 классу электрополировали и отжигали в вакууме 1,3(10-2-10-3)Па при температуре 950оС в течение 1 ч. Затем пластины помещали в пиролизную камеру с графитовыми стенками. Углеродное покрытие получали путем совместного пиролиза природного газа и хлорида бора при температуре 1500оС и остаточном давлении 1330 Па при времени пребывания инициатора кристаллизации в реакционном пространстве 33,6 с.Plates of niobium, titanium, alloys 4604 and TsM2A 120x200 mm in size, 2 and 10 mm thick, after machining by milling with a surface cleanliness of grade 5-6, were electropolished and annealed in vacuum of 1.3 (10 -2 -10 -3 ) Pa at a temperature 950 ° C for 1 hour. The plates were then placed in a pyrolysis chamber with graphite walls. The carbon coating was prepared by co-pyrolysis of natural gas and boron chloride at a temperature of 1500 ° C and residual pressure of 1330 Pa at a residence time of crystallization initiator in a reaction space with 33.6.
На ниобиевой подложке образовалось покрытие толщиной 0,3-0,4 мм в виде фольги, которая отделилась от подложки. A 0.3-0.4 mm thick coating formed on the niobium substrate in the form of a foil that separated from the substrate.
На титановой подложке образовалась шероховатая поверхность со вздутиями, обладающая высокой твердостью. A rough surface with swellings having a high hardness was formed on the titanium substrate.
На подложках из молибденовых сплавов 4604 и ЦМ2А образовались углеродные покрытия толщиной 0,37 мм, прочно сцепленные с подложками. Полученные образцы разрезали на пластинки размером 20х20 мм и подвергали исследованиям на микротвердость и термоциклическую стойкость. On the substrates of molybdenum alloys 4604 and TsM2A, carbon coatings 0.37 mm thick formed strongly adhered to the substrates. The resulting samples were cut into 20 × 20 mm plates and subjected to microhardness and thermocyclic resistance tests.
Микротвердость углеситалла УСБ-15 составляла 100 кгс/мм2, сплава 4604-220 кгс/мм2, переходного слоя от сплава к углеситаллу толщиной 8-15 мкм 4875 кгс/мм2, следующего за ним слоя 1530 кгс/мм2 и прилегающего к углеситаллу слоя 470 кгс/мм2. Суммарная толщина переходного композиционного слоя, состоящего из карбидов и боридов молибдена составляла 40-50 мкм.The microhardness of USB-15 carbon-metal was 100 kgf / mm 2 , alloy 4604-220 kgf / mm 2 , the transition layer from alloy to carbon-metal 8-15 μm thick 4875 kgf / mm 2 , the next layer 1530 kgf / mm 2 and adjacent to it carbon-metal layer 470 kgf / mm 2 . The total thickness of the transitional composite layer consisting of molybdenum carbides and borides was 40-50 microns.
Термоциклическая стойкость углеситаллового покрытия проверяли при нагреве образцов пучком электронов с энергией 12-17 кэВ, мощностью 0,24-1,2 кВт со средней поверхностной плотностью потока энергии 0,1-3,0 кВт/см2. Длительность импульса потока энергии составляла 100 с, пауза между ними 30 с. Условия испытаний соответствуют рабочему режиму работы первой стенки проектируемого международного инженерно-технологического испытательного реактора-токамака ИНТОР.The thermocyclic resistance of the carbon-metal coating was tested by heating the samples with an electron beam with an energy of 12-17 keV, a power of 0.24-1.2 kW with an average surface energy flux density of 0.1-3.0 kW / cm 2 . The pulse duration of the energy flux was 100 s, the pause between them was 30 s. The test conditions correspond to the operating mode of operation of the first wall of the INTOR, the designed international engineering and technological test reactor-tokamak.
О п ы т 1. Неохлаждаемый образец помещался на плите и облучался пучком электронов, который перекрывал всю поверхность образца. Средняя поверхностная плотность потока энергии составляла 400-460 Вт/см2. После первых 16 термоциклов по краям образца началось оплавление сплава 4604. После 22 термоциклов слой углеситалла по краям изогнулся и принял форму оплавленного молибденового сплава. Отслоения покрытия и его растрескивания не наблюдалось.Experiment 1. An uncooled sample was placed on a plate and irradiated with an electron beam that covered the entire surface of the sample. The average surface energy flux density was 400-460 W / cm 2 . After the first 16 thermal cycles, the melting of alloy 4604 began at the edges of the sample. After 22 thermal cycles, the carbon-metal layer bent at the edges and took the form of a melted molybdenum alloy. Peeling of the coating and its cracking were not observed.
О п ы т 2. Образец облучался ленточным пучком электронов, который не перекрывал поверхность образца. Средняя поверхностная плотность потока энергии составляла 1000 Вт/см2. После 24-го теплового цикла на боковой поверхности образца под слоем углеситалла произошел выплеск жидкого металла. Капля металла вышла по каналу длиной 4 мм высотой 0,3 мм, образовавшемуся между сплавом и углеситаллом. Углеродное покрытие и в этих условиях не растрескивалось и не отслоилось от подложки.Experiment 2. The sample was irradiated with a ribbon electron beam, which did not overlap the surface of the sample. The average surface energy flux density was 1000 W / cm 2 . After the 24th heat cycle, a splash of liquid metal occurred on the side surface of the sample under a layer of carbon metal. A drop of metal emerged through a channel 4 mm long with a height of 0.3 mm, formed between the alloy and carbon-metal. The carbon coating under these conditions did not crack or peel from the substrate.
О п ы т 3. Образец с покрытием углеситалла толщиной 6 мм на графитовой подложке толщиной 10 мм облучался пучком электронов с плотностью потока энергии 660 Вт/см2. После 1000 термоциклов на поверхности углеситалла не наблюдалось следов эрозии и микротрещин. Температура образца изменялась в пределах 870-930 К.Experiment 3. A sample coated with carbon-metal 6 mm thick on a graphite substrate 10 mm thick was irradiated with an electron beam with an energy flux density of 660 W / cm 2 . After 1000 thermal cycles, no traces of erosion and microcracks were observed on the surface of coal-metal. The temperature of the sample varied within 870–930 K.
О п ы т 4. Образец с покрытием углеситалла толщиной 6 мм на графитовой подложке толщиной 10 мм облучался пучком электронов с плотностью потока энергии 1350 Вт/см2. После трех термоциклов на поверхности углеситалла появились микротрещины. Температура образца изменялась в пределах 1370-1470 К. После 15 термоциклов на поверхности углеситалла образовался оплавленный участок размером 9х4,5 мм. Максимальная плотность потока энергии здесь составляла 2500 Вт/см2.Experiment 4. A sample coated with carbon-metal 6 mm thick on a graphite substrate 10 mm thick was irradiated with an electron beam with an energy flux density of 1350 W / cm 2 . After three thermal cycles, microcracks appeared on the surface of the carbon metal. The temperature of the sample varied between 1370-1470 K. After 15 thermal cycles, a melted section measuring 9x4.5 mm formed on the surface of the carbon metal. The maximum energy flux density here was 2500 W / cm 2 .
Таким образом опыты показали, что углеситалловые покрытия на графите и молибденовом сплаве без охлаждения выдерживают потоки энергии свыше 660 Вт/см2 без растрескивания и заметной эрозии поверхности и отслаивания покрытий при 1000 термоциклах длительностью 100 с и паузе 30 с. Для ИНТОРа принята плотность потока энергии на первую стенку 30 Вт/см2 10.Thus, experiments showed that carbon-metal coatings on graphite and molybdenum alloy without cooling withstand energy flows of more than 660 W / cm 2 without cracking and noticeable surface erosion and peeling of coatings at 1000 thermal cycles lasting 100 s and a pause of 30 s. For INTOR, the energy flux density to the first wall is 30 W / cm 2 10.
Технико-экономическая эффективность покрытия углеситаллом молибдена. В качестве базового объекта выбран эскизный проект ИНТОРа, в котором первая стенка выполнена из нержавеющей стали типа 316 или Х16Н15М3Б. Коэффициент катодного распыления этой стали дейтонами с энергией 2 кэВ, при которой он достигает максимальной величины, равен 2,9 ˙10-2 атом/ион. Произведение коэффициента распыления на квадрат атомного номера железа равно 19,6, что в 8,4 раза превышает "смертельно" допустимую концентрацию примесей в дейтериево-тритиевой плазме.Technical appraisal and economic efficiency of molybdenum coal-coated metal. As a basic object, the INTOR design conceptual design was chosen, in which the first wall is made of 316 or Kh16N15M3B stainless steel. The cathodic sputtering coefficient of this steel with 2 keV deuterons, at which it reaches its maximum value, is 2.9 ˙ 10 -2 atom / ion. The product of the sputtering coefficient per square atomic number of iron is 19.6, which is 8.4 times higher than the "deadly" permissible concentration of impurities in deuterium-tritium plasma.
Максимальная величина коэффициента распыления углеситалла УСБ-15 ионами дейтерия равна 2,7 ˙ 10-2 атом/ион при энергии 0,7 кэВ.The maximum value of the sputtering coefficient of USB-15 carbon metal by deuterium ions is 2.7 ˙ 10 -2 atom / ion at an energy of 0.7 keV.
Произведение коэффициента распыления на квадрат атомного номера углерода равно 0,97, что в 2,4 раза меньше "летальной" концентрации. Поэтому при использовании композиционного материала на основе углеситалла УСБ-15 в качестве покрытия первой охлаждаемой стенки термоядерного реактора можно отказаться от сложных, дорогостоящих, работающих при весьма больших поверхностных потоках тепла, подверженных сильному распылению, нуждающихся в частых заменах диверторах. The product of the sputtering coefficient per square atomic number of carbon is 0.97, which is 2.4 times less than the "lethal" concentration. Therefore, when using a composite material based on USB-15 carbon-metal as a coating of the first cooled wall of a thermonuclear reactor, complex, expensive, operating at very large surface heat fluxes, subject to strong atomization, requiring frequent replacement of divertors, can be abandoned.
Для нагрева плазмы до зажигания термоядерной реакции и управления ею в ИНТОРе используется система инжекции быстрых атомов дейтерия. Она состоит из 5 инжекторов, которые потребляют электрическую энергию мощностью около 400 МВт. Применение композиционного материала на основе углеситалла позволит до 8 раз уменьшить мощность системы инжекции. To heat the plasma before igniting the thermonuclear reaction and controlling it, INTOR uses a system for injecting fast deuterium atoms. It consists of 5 injectors that consume electrical energy with a capacity of about 400 MW. The use of carbon-based composite material will reduce the power of the injection system by up to 8 times.
В проектируемом международном термоядерном экспериментальном реакторе ИТЭР суммарная мощность пучков отрицательных ионов дейтерия составит 450 МВт. При энергетическом КПД системы инжекции указанных ионов 70% потребляемая электрическая мощность этой системой оценивается равной 585 МВт. Суммарная мощность пучков нейтральных атомов дейтерия и трития с энергией 1,3 МэВ, инжектируемых в плазму, будет 75 МВт. In the designed ITER international fusion experimental reactor, the total power of the deuterium negative ion beams will be 450 MW. With an energy efficiency of the injection system of these ions of 70%, the consumed electric power of this system is estimated at 585 MW. The total power of beams of neutral deuterium and tritium atoms with an energy of 1.3 MeV injected into the plasma will be 75 MW.
Система инжекции нейтралов и дивертор составляют примерно 50% стоимости реактора. Поэтому применение нового композиционного материала-молибденовый сплав плюс углеситалл в качестве защитного покрытия материала первой стенки ИТЭР создаст значительный экономический эффект. The neutral injection system and divertor account for approximately 50% of the reactor cost. Therefore, the use of a new composite material — molybdenum alloy plus carbon-metal as a protective coating for the material of the first wall of ITER will create a significant economic effect.
Claims (4)
2500oС, в присутствии инициатора кристаллизации при парциальном давлении углеродсодержащих газов менее критического порога сажевыделения, отличающийся тем, что в качестве подложки используют тугоплавкий металл или сплав, обладающий химическим сродством с углеродным материалом, имеющий линейный коэффициент термического расширения, близкий к линейному коэффициенту термического расширения углеродного материала, который предварительно подвергают механической обработке, электрическому травлению и обезгаживанию в вакууме.1. METHOD FOR PRODUCING COMPOSITE MATERIAL, based on the pyrolysis of carbon-containing gases in vacuum on a deposition surface heated to 800
2500 o C, in the presence of a crystallization initiator at a partial pressure of carbon-containing gases less than a critical carbon black threshold, characterized in that the substrate is a refractory metal or alloy having chemical affinity with a carbon material having a linear coefficient of thermal expansion close to a linear coefficient of thermal expansion carbon material that is pre-machined, electrically etched and degassed in a vacuum.
Углерод 0,02 0,03
Молибден Остальное
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что подложку из тугоплавкого металла выполняют из молибденового сплава, содержащего, мас.Vanadium 0.5 1.0
Carbon 0.02 0.03
Molybdenum Else
5. The method according to claim 1, characterized in that the substrate of refractory metal is made of a molybdenum alloy containing, by weight.
Цирконий 0,07 0,15
Углерод 0,004
Молибден Остальное
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что осаждение углеситалла ведут при нагреве подложки до 1500oС и скорости осаждения 0,25 мм/ч.Titanium 0.07 0.3
Zirconium 0.07 0.15
Carbon 0.004
Molybdenum Else
6. The method according to claim 1, characterized in that the deposition of carbon metal is carried out by heating the substrate to 1500 o C and a deposition rate of 0.25 mm / h
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU92015492A RU2036977C1 (en) | 1992-12-30 | 1992-12-30 | Composition material production method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU92015492A RU2036977C1 (en) | 1992-12-30 | 1992-12-30 | Composition material production method |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2036977C1 true RU2036977C1 (en) | 1995-06-09 |
| RU92015492A RU92015492A (en) | 1997-03-27 |
Family
ID=20134810
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU92015492A RU2036977C1 (en) | 1992-12-30 | 1992-12-30 | Composition material production method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2036977C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10636528B2 (en) | 2014-07-15 | 2020-04-28 | Tokamak Energy Ltd | Shielding materials for fusion reactors |
| RU2767920C1 (en) * | 2021-03-30 | 2022-03-22 | Частное Учреждение По Обеспечению Научного Развития Атомной Отрасли "Наука И Инновации" | Method for creating a copper coating on steel foil for the receiving plate of a tokamak divertor |
-
1992
- 1992-12-30 RU RU92015492A patent/RU2036977C1/en active
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 1. Патент Великобритании N 1340436, кл. C 01B 31/04, 1971. * |
| 2. Авторское свидетельство СССР N 786228, кл. C 01B 31/04, 1966. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10636528B2 (en) | 2014-07-15 | 2020-04-28 | Tokamak Energy Ltd | Shielding materials for fusion reactors |
| RU2767920C1 (en) * | 2021-03-30 | 2022-03-22 | Частное Учреждение По Обеспечению Научного Развития Атомной Отрасли "Наука И Инновации" | Method for creating a copper coating on steel foil for the receiving plate of a tokamak divertor |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Hirooka et al. | Bulk-boronized graphites for plasma-facing components in ITER | |
| Hirooka et al. | Evaluation of tungsten as a plasma-facing material for steady state magnetic fusion devices | |
| RU2036977C1 (en) | Composition material production method | |
| Mattox et al. | Low Z coatings for fusion reactor applications | |
| Bolt et al. | Simulation of tokamak runaway-electron events | |
| Mattox et al. | Thermal-shock-and fatigue-resistant coatings for magnetically confined fusion environments | |
| Ulrickson et al. | Thermal testing of coated materials for limiters and protective plates in tokamak fusion test reactors | |
| Ueda | Status of plasma facing material studies and issues toward DEMO | |
| Dietz | Experience with limiter-and wall materials in jet | |
| Gauster | Plasma facing materials | |
| Whitley et al. | Metallic materials as plasma facing components—A review | |
| Cizek et al. | Harnessing Fusion Power: W and W-Cr Armor Coatings for Plasma Facing Components in Tokamaks | |
| Conn | Relation of surface interactions to first-wall and in-vessel-component (IVC) design and materials performance in fusion devices | |
| Campbell et al. | Experimental comparison of carbon and beryllium as divertor target materials in JET | |
| JPH03274488A (en) | cold fusion reactor | |
| Langley et al. | First-wall coatings for Tokamak fusion reactors | |
| RU92015492A (en) | METHOD FOR PRODUCING COMPOSITE MATERIAL | |
| Gilligan et al. | Vapor shield protection of plasma facing components under incident high heat flux | |
| Ghoniem et al. | Fusion Reactor Materials (Report on the Second American Nuclear Society Topical Meeting, Seattle, Washington, USA, 9–12 August 1981) | |
| Mattas | Near term and long term materials issues and development needs for plasma interactive components | |
| Mattas et al. | Materials selection for the US INTOR divertor collector plate | |
| Azarenkov et al. | Investigation of the Processes of Retention and Release of Implanted Deuterium and Helium Ions for Tungsten and Tantalum Coatings | |
| Murakami et al. | Recent progress in wall material development and of surface technology for fusion devices at the Japan Atomic Energy Research Institute | |
| Rebut et al. | Experience with wall materials in JET and implications for a future ignited tokamak | |
| Nygren | Selection of materials for ETF |