nucВестник НЯЦ РКNNC RK Bulletin1729-75161729-7885Национальный ядерный центр Республики Казахстан10.52676/1729-7885-2022-4-94-100nuc-469Research ArticleСтатьиЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОМУ КОРРОЗИОННОМУ ВЗАИМОДЕЙСТВИЮ ОЛОВЯННО-ЛИТИЕВОГО СПЛАВА С НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛЬЮ И ТУГОПЛАВКИМИ МЕТАЛЛАМИEXPERIMENTAL STUDIES ON HIGH-TEMPERATURE CORROSION INTERACTION OF TIN-LITHIUM ALLOY WITH STAINLESS STEEL AND REFRACTORY METALShttps://orcid.org/0000-0002-3806-7732БочковВ.BochkovV.

Курчатов

Kurchatov

bochkovv@nnc.kzhttps://orcid.org/0000-0003-2794-2041ПонкратовЮ.PonkratovYu.

Курчатов

Kurchatov

ponkratov@nnc.kzhttps://orcid.org/0000-0002-6108-2746ГордиенкоЮ.GordienkoYu.

Курчатов

Kurchatov

gordienko@nnc.kzhttps://orcid.org/0000-0003-3417-7878СамархановК.SamarkhanovK.

Курчатов

Усть-Каменогорск

Kurchatov

Oskemen

samarkhanov@nnc.kzhttps://orcid.org/0000-0002-9357-3005ТулубаевЕ.TulubayevE.

Курчатов

Томск

Kurchatov

Tomsk

tulubaev@nnc.kzСапарбекЭ.SaparbekE.

Курчатов

Томск

Kurchatov

Tomsk

saparbek@nnc.kzОразгалиевН.OrazgaliyevN.

Курчатов

Kurchatov

orazgaliev@nnc.kzОразымбековБ.OrazymbekovB.

Курчатов

Kurchatov

orazymbekov@nnc.kzАрынгазыЕ.AryngazyE.

Курчатов

Kurchatov

Aryngazy@nnc.kzФилиал «Институт атомной энергии» РГП НЯЦ РККазахстанBranch “Institute of Atomic Energy” RSE NNC RKKazakhstanФилиал «Институт атомной энергии» РГП НЯЦ РК; Восточно-Казахстанский университет им. С. АманжоловаКазахстанBranch “Institute of Atomic Energy” RSE NNC RK; Sarsen Amanzholov east Kazakhstan state universityKazakhstanФилиал «Институт атомной энергии» РГП НЯЦ РК; Томский Политехнический УниверситетКазахстанBranch “Institute of Atomic Energy” RSE NNC RK; Tomsk Polytechnic UniversityKazakhstan2022311220220494100Copyright © Бочков В., Понкратов Ю., Гордиенко Ю., Самарханов К., Тулубаев Е., Сапарбек Э., Оразгалиев Н., Оразымбеков Б., Арынгазы Е., 20222022Бочков В., Понкратов Ю., Гордиенко Ю., Самарханов К., Тулубаев Е., Сапарбек Э., Оразгалиев Н., Оразымбеков Б., Арынгазы Е.Bochkov V., Ponkratov Y., Gordienko Y., Samarkhanov K., Tulubayev E., Saparbek E., Orazgaliyev N., Orazymbekov B., Aryngazy E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://journals.nnc.kz/jour/article/view/469

В данной статье описывается исследовательская работа по определению коррозионной совместимости кандидатных материалов матрицы капиллярно-пористой структуры (КПС) с жидким оловянно-литиевым сплавом при высоких температурах. Исследования проводились со сплавом Sn75-Li25 и образцами аустенитной нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т, ванадия марки ВЭЛ-3 и тантала марки ТТ. Эксперименты по взаимодействию жидкого оловянно-литиевого сплава с кандидатными образцами матрицы КПС при высоких температурах проводились на экспериментальной установке ТиГрА, созданная на базе термогравиметрического анализатора TGA/DSC 3+. В работе приводится описание методики и условия проведения высокотемпературной коррозионных испытаний. В ходе реализации данной работы были проведены эксперименты по изучению совместимости оловянно-литиевого сплава в жидкой фазе с нержавеющей сталью, ванадием и танталом в температурном интервале от 600 ℃ до 1000 ℃. На основании полученных результатов были определены тепловые эффекты процессов, протекающих в результате взаимодействия сплава с кандидатными материалами матрицы КПС. В результате анализа полученных результатов выявлено, что при взаимодействии исследуемых материалов с жидким оловянно-литиевым сплавом Sn75-Li25 при высоких температурах происходят сложные физико-химические процессы такие как: селективное растворение компонентов жидким сплавом (растворителем); проникновение компонента жидкого сплава (олова) в глубь нержавеющей стали; массоперенос растворенных металлов из твердого металла в жидкий.

This article describes experimental investigations to determine the corrosion compatibility of candidate matrix materials of a capillary-porous structure (CPS) with a liquid tin-lithium alloy at high temperatures. The studies were conducted with the Sn75-Li25 alloy and samples of 12Ch18Ni10Ti grade austenite stainless steel, VEL-3 grade vanadium, and TT grade tantalum. Experiments on the interaction of a liquid tin-lithium alloy with candidate samples of the CPS matrix at high temperatures were carried out on an experimental TiGrA setup based on a TGA/DSC 3+ thermogravimetric analyzer. The paper provides a description of the methodology and conditions for conducting high-temperature corrosion tests. In the course of this work, experiments were carried out to study the compatibility of a tin-lithium alloy in the liquid phase with a stainless steel, vanadium and tantalum samples in the temperature range from 600 ℃ to 1000 ℃. Based on obtained results, the thermal effects of the processes occurring as a result of the interaction of the alloy with a candidate materials of the CPS matrix were determined. As a result of the analysis of the results obtained it has been revealed that at interaction of the studied materials with liquid tin-lithium alloy Sn75-Li25 at high temperatures complex physical and chemical processes take place, such as: selective dissolution of components by liquid alloy (solvent); penetration of component of liquid alloy (tin) into stainless steel depth; mass transfer of dissolved metals from solid metal into liquid.

оловянно-литиевый сплавкапиллярно-пористая структураплазмообращенный материалэкспериментальный комплекс ТиГрАДСКкоррозияэнтальпияtin-lithium alloycapillary-porous structureplasma-facing materialTiGrA experimental complexdifferential scanning calorimetrycorrosionenthalpyДанные исследования финансировались Министерством энергетики Республики Казахстан в рамках научно-технической программы «Развитие атомной энергетики в Республике Казахстан» (ИРН – BR09158470).ReferencesKrasin. V.P., Soyustova. S.I. Quantitative evaluation of thermodynamic parameters of Li-Sn alloys related to their use in fusion reactor // Journal of Nuclear Materials. – 2018. – Vol. 505. – P. 193–199. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2018.04.008Krasin. V.P., Soyustova. S.I. Quantitative evaluation of thermodynamic parameters of Li-Sn alloys related to their use in fusion reactor // Journal of Nuclear Materials. – 2018. – Vol. 505. – P. 193–199. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2018.04.008Kvona. V., Oyarzabal. E., Zoethout. E., Martin-Rojo A.B., Morgan T.W., Tabarés F.L. Secondary electron emission of tin and tin-lithium under low energy helium plasma // Nuclear Materials and Energy. – 2017. – Vol. 13. – P. 21–27. https://doi.org/10.1016/j.nme.2017.09.005.Kvona. V., Oyarzabal. E., Zoethout. E., Martin-Rojo A.B., Morgan T.W., Tabarés F.L. Secondary electron emission of tin and tin-lithium under low energy helium plasma // Nuclear Materials and Energy. – 2017. – Vol. 13. – P. 21–27. https://doi.org/10.1016/j.nme.2017.09.005.Loureiro, J.P.S., Fernandes. H., Tabarés. F.L., Mazzitelli. G., Silva. C., Gomes. R., Alves. E., Mateus.R., Pereira. T., Figueiredo. H., Alves. H., Deuterium retention in tin (Sn) and lithium–tin (Li–Sn) samples exposed to ISTTOK plasmas // Nuclear Materials and Energy. – 2017. – Vol. 12. – P. 709–713. https://doi.org/10.1016/j.nme.2016.12.026.Loureiro, J.P.S., Fernandes. H., Tabarés. F.L., Mazzitelli. G., Silva. C., Gomes. R., Alves. E., Mateus.R., Pereira. T., Figueiredo. H., Alves. H., Deuterium retention in tin (Sn) and lithium–tin (Li–Sn) samples exposed to ISTTOK plasmas // Nuclear Materials and Energy. – 2017. – Vol. 12. – P. 709–713. https://doi.org/10.1016/j.nme.2016.12.026.Loureiro, J.P.S, Tabarés F.L., Fernandes. H., Silva. C., Gomes. R., Alves. E., Mateus. R., Pereira. T., Alves. H., Figueiredo. H. Behavior of liquid Li-Sn alloy as plasma facing material on ISTTOK // Fusion Engineering and Design. – 2017. – Vol. 117. – P. 208–211. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2016.12.031.Loureiro, J.P.S, Tabarés F.L., Fernandes. H., Silva. C., Gomes. R., Alves. E., Mateus. R., Pereira. T., Alves. H., Figueiredo. H. Behavior of liquid Li-Sn alloy as plasma facing material on ISTTOK // Fusion Engineering and Design. – 2017. – Vol. 117. – P. 208–211. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2016.12.031.Tabarés, F.L., Oyarzabal E., Martin-Rojo A.B., Tafalla. D., A. de Castro., F.Medina., Ochando M.A., Zurro B., McCarthy K., the TJ-II Team. Experimental tests of LiSn alloys as potential liquid metal for the divertor target in a fusion reactor // Nuclear Materials and Energy. – 2017. – Vol. 12. – P. 1368–1373. https://doi.org/10.1016/j.nme.2016.11.026.Tabarés, F.L., Oyarzabal E., Martin-Rojo A.B., Tafalla. D., A. de Castro., F.Medina., Ochando M.A., Zurro B., McCarthy K., the TJ-II Team. Experimental tests of LiSn alloys as potential liquid metal for the divertor target in a fusion reactor // Nuclear Materials and Energy. – 2017. – Vol. 12. – P. 1368–1373. https://doi.org/10.1016/j.nme.2016.11.026.Vertkov, Lyublinski.A.I., Zharkov.M., Mazzitelli G., Apicella M.L., Iafrati. M. Liquid tin limiter for FTU tokamak // Fusion Engineering and Design. – 2017.– Vol.117.– P. 130–134. doi: 10.1016/j.fusengdes.2017.01.041.Vertkov, Lyublinski.A.I., Zharkov.M., Mazzitelli G., Apicella M.L., Iafrati. M. Liquid tin limiter for FTU tokamak // Fusion Engineering and Design. – 2017.– Vol.117.– P. 130–134. doi: 10.1016/j.fusengdes.2017.01.041.Dejarnac R., Horacek. J., Hron. M., M. Jerab., Adamek. J., Atikukke. S., Barton. P., Cavaliera. J., Cecrdle. J., Dimitrova. M. Gauthier. E., Iafrati. M., Imrisek. M., Marin Roldan. A., Mazzitelli. G., Naydenkova. D., Prishvitcyn. A., Tomes. M., Tskhakaya. D., Van Oostf. G., Weinzettla. V. Overview of power exhaust experiments in the COMPASS divertor with liquid metals // Nuclear Materials and Energy.– 2020.– Vol. 25.Dejarnac R., Horacek. J., Hron. M., M. Jerab., Adamek. J., Atikukke. S., Barton. P., Cavaliera. J., Cecrdle. J., Dimitrova. M. Gauthier. E., Iafrati. M., Imrisek. M., Marin Roldan. A., Mazzitelli. G., Naydenkova. D., Prishvitcyn. A., Tomes. M., Tskhakaya. D., Van Oostf. G., Weinzettla. V. Overview of power exhaust experiments in the COMPASS divertor with liquid metals // Nuclear Materials and Energy.– 2020.– Vol. 25.Reimerdes. H., Aho-Mantila L., Albanese R., Ambrosino.R., Arter W., Brezinsek S., Bufferand H., Calabro G., Ciraolo G., Coster D., Fernandes H., Harrison J., Kaldre I., Lackner K., Lielausis O., Loureiro J., Lunt T.,. Mazzitelli G,. McIntosh S, Militello F., Morgan T., Pelekasis N., Pelka G., Pericoli V., Philipps V., Subba F., Tabares. F., Viola B., Wenninger. R., Zagorski. R.and Zohm. H. Towards an Assessment of Alternative Divertor Solutions for DEMO // 42nd EPS Plasma Physics (Lisbon, Portugal, ECA).– P4.117.Reimerdes. H., Aho-Mantila L., Albanese R., Ambrosino.R., Arter W., Brezinsek S., Bufferand H., Calabro G., Ciraolo G., Coster D., Fernandes H., Harrison J., Kaldre I., Lackner K., Lielausis O., Loureiro J., Lunt T.,. Mazzitelli G,. McIntosh S, Militello F., Morgan T., Pelekasis N., Pelka G., Pericoli V., Philipps V., Subba F., Tabares. F., Viola B., Wenninger. R., Zagorski. R.and Zohm. H. Towards an Assessment of Alternative Divertor Solutions for DEMO // 42nd EPS Plasma Physics (Lisbon, Portugal, ECA).– P4.117.Lyublinski, I. E., Vertkov A.V., mirnov S.V., Lasarev V. Protection of tokamak plasma facing components by a capillary porous system with lithium // Journal of Nuclear Materials. − 2015. − Vol. 463. − P. 1156–1159. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2014.12.017.Lyublinski, I. E., Vertkov A.V., mirnov S.V., Lasarev V. Protection of tokamak plasma facing components by a capillary porous system with lithium // Journal of Nuclear Materials. − 2015. − Vol. 463. − P. 1156–1159. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2014.12.017.Tabarés, F.L., Oyarzabal E., Martin-Rojo A.B., Tafalla D., A. de Castro and Soleto A. Reactor plasma facing component designs based on liquid metal concepts supported in porous systems // Nuclear Fusion. – 2017.– 57, 016029. https://doi.org/10.1088/0029-5515/57/1/016029.Tabarés, F.L., Oyarzabal E., Martin-Rojo A.B., Tafalla D., A. de Castro and Soleto A. Reactor plasma facing component designs based on liquid metal concepts supported in porous systems // Nuclear Fusion. – 2017.– 57, 016029. https://doi.org/10.1088/0029-5515/57/1/016029.Gordienko Yu, Ponkratov Yu., Kulsartov T., Tazhibayeva I., Zaurbekova Zh, Koyanbayev Ye., Chikhray Ye and Kenzhina I. Research Facilities of IAE NNC RK (Kurchatov) for Investigations of Tritium Interaction with Structural Materials of Fusion Reactors // Fusion Sci. Technol.– 2020.– Vol. 76.– P. 703–709.Gordienko Yu, Ponkratov Yu., Kulsartov T., Tazhibayeva I., Zaurbekova Zh, Koyanbayev Ye., Chikhray Ye and Kenzhina I. Research Facilities of IAE NNC RK (Kurchatov) for Investigations of Tritium Interaction with Structural Materials of Fusion Reactors // Fusion Sci. Technol.– 2020.– Vol. 76.– P. 703–709.Tazhibayeva I.., Ponkratov Yu., Lyublinsky I., Gordienko Yu., Vertkov A., Tulubayev Ye., Samarkhanov K., Bochkov V., Kozhakhmetov Ye., Orazgaliyev N. Study of liquid tin-lithium alloy interaction with structural materials of fusion reactor at high temperatures // Nuclear Materials and Energy Volume 30, March 2022, 101152. https://doi.org/10.1016/j.nme.2022.101152Tazhibayeva I.., Ponkratov Yu., Lyublinsky I., Gordienko Yu., Vertkov A., Tulubayev Ye., Samarkhanov K., Bochkov V., Kozhakhmetov Ye., Orazgaliyev N. Study of liquid tin-lithium alloy interaction with structural materials of fusion reactor at high temperatures // Nuclear Materials and Energy Volume 30, March 2022, 101152. https://doi.org/10.1016/j.nme.2022.101152Ponkratov Yu., Tazhibayeva I., Gordienko Yu., Bochkov V., Tulubayev Ye., Karambayeva I., Samarkhanov K. Ampoule device for producing samples of tin-lithium alloy // For utility model KZ No. 6918 (G01N 1/31 (2006.01), G01N 1/38 (2006.01), Bulletin No. 9, 04.03.2022.Ponkratov Yu., Tazhibayeva I., Gordienko Yu., Bochkov V., Tulubayev Ye., Karambayeva I., Samarkhanov K. Ampoule device for producing samples of tin-lithium alloy // For utility model KZ No. 6918 (G01N 1/31 (2006.01), G01N 1/38 (2006.01), Bulletin No. 9, 04.03.2022.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.