- 104 -

Кснгакг магериала окон с плазмой будет вызывать в нем явления блистеринга, распыления шш осаждения на поверхности пленок примесей. Свойства пропускания ВЧ-энергии будут при этом ухудшаться.

Анализ радиационной стойкости керамических материалов показывает, что ПС прочностным свойствам керамические материалы, состоящие из двух фаз или имеицие некубическую крио-таллическую решетку (например, AEg )д становятся практически непригодными при флюенсах lO- нейтр/ctr ( 0,1 МэВ). Это обусловлено накоплением внутренних напряжений в материале вследствие анизотропного радиационного роста зерен или неоднорсднсго распухания разных фаз, что приводит к микрсрастрескиванию материала.

Моно- и поликристаллы с кубической решеткой ( fAO ,М^М^({), облученные дс флюенса около 10 нейтр/см ( Е^ > 0,2 МэВ) при температурах 430-1100 К, обнаруживают увеличение предела прочности и малое распухание. Это объясняется высокой скоростью рекомбинации радиационных дефектов.

В заключение мокно сделать следующие основные выводы:

I). Высекая радиационная стойкость по термомеханическим параметрам керамических материалов на основе Sic и SLN позволяет рассматривать эти материалы как кандидатные применительно к конструкциям бланкета и первой стенки реактора.

2).В качестве изоляционных материалов могут быть использованы керамические матершлы на основе AEgOj дс флюеноов (3-4) 10 нейтр/см и Mg A£gO при более высоких флюенсах.

3).В конструкциях систем ВЧ-нагрева плазмы, где терлшеха-нические нагрузки будут ограничивать применение PiiO , возможно использование керамических материалов из Be О .

4).Работы ПС изучению радиационных свойств композитов на основе керамических материалов (Hanpimep, SLC -волокно в матрице SLC ) сввдетельствуют о существенном улучшении их механических характеристик в сравнении с монолитной керамикой.

5.3. Совместимость материалов

Рассмотрим совместимость различных конструкционных материалов о иадиш литием, сплавами LL - РЬ , расплавааш солей и твердылш лктийсодеркащш.1и материалами.

Жидкие тритийвоспроизводящке материалы. При создании термоядерных реакторов весьма перспективныгл является объединение функции тритийвсспрсизводящего материала с функцией теплоносителя

- 105 -

в сднсм материале, которым могут служить жидкие металлы (жидкий литий,эвтектики Pb-Ll ) или расплавы салей^(смеси из расплавов солей LlF и BeFg , в частности, Ll Be ). Пре-шлуществом квдких тритийвоспроизводящих материалов является неподверженность радиационному повреждению.

Жидкий литий. Использование жидкого лития позволяет получать достаточно высокие коэффициенты воспроизводства трития без применения материалов-размножителей нейтронов (до 1,51). Обога- . щение И30Т0П01Л . LL до 30 ? дает дополнительную прибавку к величине коэффициента воспроизводства трития. Литий имеет относительно высокую величину теплоемкости (4,2 Дж/г К), что является преимуществом при использовании его в качестве теплоносителя, но довольно высокую температуру плавления (180°С), что ысжет затруднять процедуры запуска и остановки реактора.

Извлечение трития при концентрациях его в жидком литии уже около 0,01 ат. осуществимо несколькими методами. Таким концентрациям трития соответствуют его довольно низкие равновесные парциальные давления (менее 10~® мм рт.ст).

Главный недостаток лития - его высекая реакционная cnococJ-нооть по отношению к воде, воздуху и бетону. Вода является поэтому непригодным теплоносителем в конструкции ТЯР с тритийвсо-производящкм материалом из жидкого лития. Следует отметить плохую совглестимость жидкого лития с аустенитными Cr-Ni -ста- . лями.

Эвтектический сплав свинец-литий. Одним из важнейших обсто- ятельотв, определяющих конструкцию бланкета ТЯР, является регулярная перегрузка литиевого бланкета для извлечения воспроизведенного трития. Простейшим с этой точки зрения является использование жидкого литиевого бланкета, но применение воды,для охлаждения и ее температурный уровень практически исключают использование жидкого лития в связи с обеспечением условий безопасности. Эвтектический сплав Pbg3LUy шлеет удовлетворительную совместимость с холодной водой (на случай разгерметизации контура), однако его температура плавления (235°С) заставляет искать компромиссные решения. Одним из приемлемых решений является использование сплава PbgLly н твердсял виде с его разогревгал и расплавлением при перегрузках бланкета с псялощью специальной систеш газового разогрева (при сливе воды), необходимой для прогрева конструкции при вакуумировании объема плазменной камеры (проект OTP). Однако при фазовсял переходе твердое тело - жидкость (при

- 106 -

плавлении) удельный объем сплава возраогает яримернс на 3,5 %, Это может привести к нежелательным механическим нагрузкам в конструкции канала теплоносителя. Более высокая, чем у лития, температура плавления PbgjLly увеличивает затруднения при процедурах запуска и остановки реактора.

Еданкет с Pbgj 17 обладает хорошими нейтронными характеристиками. Наличие свинца в сплаве сбеспечивает размножение нейтронов. Теплспрсводносгь (25 Вг/м-К) и геплоамкссть (0,15 Дж/г'К) сплава PbgsLijy меньше, чем теплопроводность и теолоем-кость Li , но достаточно велики для его применения в качестве теплоносителя.

Раотвсримость трития (водорода; в Pbgj Ll,y ниже, чем в литии. Поэтому удержание трития в сплаве более затруднительно.

Существенным преимуществом PbjLL. по сравнению с литием является его меньшая химическая активность по отношению к воде, возду; и бетону. Однако коррозионные свойства по отношению к сталям хуже, чем у лития.

Совместимость конструкционных материалов с жидким литием я оплавш L i. - РЬ :

1. В ауотенитных сталяхЬ1(при температурах 300-450°С)и РЬЫ^ (при температурах 400-450°С) вымывают пс границам зерен элементы замещения ( Сг ,N1 ,Мп).На поверхности образуется пористый слой феррита.

2. Скорости растворения в литии аусгенитяых сталей приблизительно на порядок выше, чем ферритных. Однако скорости растворения ауотенитных оталей сначала весьма велики, но по прошествии некоторого времени уменьшаются и достигают установившегося значения. Потери массы ферритных сталей линейно растут со временем.

3. Скорости растворения аусгенитных и ферритных сталей в проточном Pbgj LLy при температурах около 450°С на порядок величины больше, чем в LL . Обеднение хромом оплавов такке больше, чем в литии.

4. Характер зависимости коррозии сг времени, температуры я состава сплава для PbgLlj и Li одинаков.

5. Контакт жидкого лития с марганцовистыми сталями приводит к очень большому массопереносу марганца и очень большим потерям массы сталей с содержанием 30 Мп .

6. Если в LL отсутствует растворенный азот, то он не сказывает заметного влияния на усталостные и механические свойства при растяЕении.

- 107 -

В табл. 5.4 приведены данные с совместимости некоторых тя-пбв конструкционных сталей о жидким литием и сплавом Li - РЬ.

Таблица 5.4

Материал

Хромоникелевые аустенитные стала (сталь 316)

Марганцовистые аустенитные стали с

30 % Мп

То же о обычным содержанием Мп

Хромистые отали

Скорости растворения на порядок выше, чем скорости растворения хромистых оталей

Скорости растворения на порядок ниже, чем скорости растворения ауотенитных оталей

Р Ь 83 1г

Скорости растворения на порядок выше, чем в LI

Высокая скорость мао-ооперенооа Мп. , большие потери массы

Лучшая совместимость, чем у хромоникелевых оталей

Скорости раотворения на порядок ниже, чем в LI

Иоследования совместимости керамических электроизоляционных материалов с жидкт! литием в бланкете из сплава V показали, что 5lзN, несовместим с V -сплавом, а fgO и MgAEgO обладают повышенной склонностью к взаимодействию с жидким литием.

Графит несовместим с литием и поэтому должен быть защищен оболочкой.

Тугоплавкие металлы оказываются стойктш к коррозии под действием лития даже при температурах 800°С. Данные по работе оплавов на основе ванадия в аавдком литии показывают, что в течение примерно 1200 часов нет разъедания или переноса ванадия в литий при температурах, приближающихся к 900°С. Примеси кислорода в литии не влияют на растворшлость или перенос ванадия.

Расплавы оолей. Смеси из расплавов солей LI F и Be Fg (nanpiep, смесь Llg Be F, ) могут использоваться как теплоносители и тритийвоспроизводящие материалы. Отметим следующие обстоятельства, связанные с проблемой совместимости материалов

ютоя следующими положительными качествами:

1) возможностью создания бланкета с малым количеотвом установившегося содержания трития;

2) практическим снятием проблемы совместимости с конструк-ЦИ0ННЫ1Ш материалами бланкета;

3) упрощением конструкции бланкета при использовании в качестве носителя трития газообразных веществ, например гелия;

4) сокращением степени риска при авариях.

В качестве твердых тритийвоспроизводящих материалов могут быть применены LL Sti , Ll, SL , LL At , оксид лития LL2O , соли лития ( LLSL O3 , JLiSLO , LL Bgg O3 , LlAeC) и др.

Основные характеристики твердых материалов сходны. Главным отличием LLgO от тройных керамических соединений являются его лучшие григийвоспроизводящие свойства, однако ооли имеют большую устойчивость. В бланкете с LLgO (в отличие от солей) возможно получение достаточно больших значений коэффициента воспрсизводсгва трития без применения размножителей нейтронов.

Основные проблемы при извлечении трития из твердых григий-воспрсизводящих материалов связаны с механизмами миграции трития в тритийвоспрокзводящий материал. При этом существенны: а) объемная диффузия трития в геле зерна или частицы; б) диффузия трития по границам зерен; в) молизация трития на поверхнооти и выход в газ-носитель; г) диффузия трития в газе-носителе. Обычно поверхностная диффузия протекает со скоростью на несколько порядков больше, чем объемная, и поэтому процессом, контролирующим выход трития из тритийвсспрсизводящего магериала, следует считать диффузию в геле зерна. Тогда среднее время удержания трития в частще радиусом Г мокно считать пропорциональным величине r/D , где!) - коэффициент объемной диффузии трития.

Значительные трудности, связанные с гвердшш гритийвоспроиз-водящими материалаш, возникают из-за необходимости поддержания их в определенной области температур. Нижняя граница температуры опредедчется диффузией трития в материал, а в случае Ы^О и выделением LL ОТ , если конпенграция трития велика. Верхняя граница зависит от процессов структурной перестройки, роста зерен, а для LiO - от усиленного газопереноса лития в форме LLOT . В табл. 5.5 приведены возможные температурные интервалы работы некоторых твердых тритийвоспроизводящих матсриа-

и расплавов ослей:

1. Коррозия вследсгвие химических реакций расплавов солей с тугоплавкими материалами и сплавами на основе никеля и железа должны быть минимальной. Однако окионые пленки, которыми обычно покрыты металлы и которые защищают их от коррозии, очень аффективно удаляются смесью солей LlF BeF поэтому окислители, либо содержащиеся в солях в ввде пршлесей, либо образующиеся в них в результате ядерных превращений, могут приводить к коррозии конструкционных металлов.

2. Такие окислители, как TF и фтор сказывают сильное коррозионное воздейотвие. Они образуются в результате реакций

\LF + M-*He+TF. LLF+a-**He+TF+>i,

BeF+n-- 2n + 2Не + 2F(uau F).

Коррозионное влияние Т F и фтора может быть уменьшено путем добавления небольших количеотв окислительно-восотановительннх пар (например. Се F / Се F], ) в смесь солей.

3. Когда расплавы солей прокачиваются с большой скоростью поперек магнитных полей, вследствие воздействия индуцированного электрического поля может произойти химическая дестабилизация соли. В результате такой дестабилизации соединения LL F и BeF становятся способными вызывать сильную коррозию конструкционных металлов. Уменьшить величину индуцированного электрического поля мокно: а) расчленив объем, по которому течет теплоноситель в области сильного поперечного магнитного поля; б) окружив канал теплоносителя в той же области феррсялагнигным материалом. В проекте реактора, использующем соль LL &е F , не требуется больших скоростей прокачки, гак как в качестве теплоносителя в бланкете используется гелий (рис.4.2), В гаком реакторе хшлическая дестабилизация, вызванная МГД-эффекгами, не соз-давг этой проблемы.

4. Хотя LLBe хшлически инертен по отношению к графиту, в системах, где используются тугоплавкие металлы, может потребоваться заключить графит в оболочку, так как он ыожег переноситься солью и науглероживать тугоплавкие металлы.

Твердые гщтийвоспрсизводящие магескалы.

Твердые тритийвоспроизводящие материалы в целом характеризу-