Расчет нагрева композитного материала при воздействии на поверхность электронным пучком

Введение. Современные системы магнитного удержания плазмы используют вольфрам как контактирующий с плазмой материал. Под действием плазменного облучения высокой плотности мощности вольфрам растрескивается, происходит его интенсивная эрозия и эмиссия макрочастиц. Высокотемпературная керамика считается перспективным материалом для защитного покрытия плазменных компонентов, так как устойчива к термическим нагрузкам. Одним из возможных решений может быть покрытие из карбида бора, который имеет высокую температуру плавления.
Материалы и методы. В экспериментах на установке BETA исследовалось воздействие электронного пучка на образцы прокатанного вольфрама и композита карбида бора и вольфрама. Тепло от пучка распространяется вглубь образцов, максимальная температура достигается в центре и снижается к краям. Область моделирования представляет собой поперечное сечение образцов, оптимальное для задачи с цилиндрической системой координат. Численная реализация основана на схеме стабилизирующей поправки и метода прогонки.
Результаты исследования. Представлена новая модель прогрева образца композита карбида бора и вольфрама при нагреве поверхности электронным пучком. Модель основана на решении уравнения теплопроводности в аксиально-симметричной постановке при постоянных значениях удельной теплоемкости, плотности, теплопроводности металлов.
Обсуждение и заключения. Проведен анализ модели нагрева композитного материала при нагреве поверхности электронным пучком при постоянных значениях плотности, теплопроводности и теплоемкости. Результаты моделирования востребованы для анализа результатов и при планировании экспериментов на стенде Beam of Electrons for materials Test Applications (BETA), созданного в ИЯФ СО РАН.

1. Vyacheslavov L., Arakcheev A., Burdakov A., Kandaurov I., Kasatov A., Kurkuchekov V., et al. Novel electron beam based test facility for observation of dynamics of tungsten erosion under intense ELM-like heat loads. AIP Conference Proceedings. 2016;1771:060004.

2. Arakcheev A.S., Apushkinskaya D.E., Kandaurov I.V., Kasatov A.A., Kurkuchekov V.V., Lazareva G.G., et al. Two-dimensional numerical simulation of tungsten melting under pulsed electron beam. Fusion Engineering and Design. 2018;132:13–17.

3. Lazareva G.G., Arakcheev A.S., Vasilyev A.A., Maksimova A.G. Numerical simulation of tungsten melting under fusion reactor-relevant high-power pulsed heating. Smart Innovation, Systems and Technologies. 2019;133:41–51.

4. Cherepanov D., Vyacheslavov L., Popov V., Ryzhkov G.A., Kasatov A.A., Vasilyev A., et al. In situ study of thermal shock damage to high-temperature ceramics. Nuclear Materials and Energy. 2023;36:101495. https://doi.org/10.1016/j.nme.2023.101495

5. Молодец А.М., Голышев А.А., Шилов Г.В. Плавление ударно-сжатого карбида бора. Письма в журнал экспериментальной и теоретической физики. 2020;111(12):838–845.

6. Azizov E.A., Airapetov A., Begrambekov L., Buzhinsky O.I., Vergazov S., Grunin Andrey, et al. Combined device used for boron carbide coating deposition and material testing under high intensity plasma heat loads. Problems of Atomic Science and Technology, Ser. Thermonuclear Fusion. 2014;37:30–38. https://doi.org/10.21517/0202-3822-2014-37-4-30-38

7. Lazareva G.G., Arakcheev A.S., Popov V.A. Mathematical modeling of melting tungsten exposed to pulsed laser beam. Dokl. Math. 2023;107(1):83–87.

8. Lazareva G.G., Popov V.A. Effect of Temperature Distribution on the Calculation of the Thermal Current in the Mathematical Model of Pulsed Heating of a Tungsten. Lobachevskii Journal of Mathematics. 2023;44(10):4449–4460. https://doi.org/10.1134/S199508022310027X

9. Яненко Н.Н. Метод дробных шагов решения многомерных задач математической физики. Новосибирск; 1967. 96 с.

10. Tikhonov A.N., Samarsky A.A. The Equations of Mathematical Physics. Science. Moscow; 1972. 800 p.

11. Arakcheev A.S., Skovorodin D.I. , Burdakov A.V., Shoshin A.A., Polosatkin S.V., Vasilyev A.A., et al. Calculation of cracking under pulsed heat loads in tungsten manufactured according to ITER specifications. Journal of Nuclear Materials. 2015;467:165–171. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2015.09.034

12. Changjun Li, Dahuan Zhu, Xiangbin Li, Baoguo Wang, Junling Chen, Thermal-stress analysis on the crack formation of tungsten during fusion relevant transient heat loads. Nuclear Materials and Energy. 2017;13:68–73. https://doi.org/10.1016/j.nme.2017.06.008