ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОМУ КОРРОЗИОННОМУ ВЗАИМОДЕЙСТВИЮ ОЛОВЯННО-ЛИТИЕВОГО СПЛАВА С НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛЬЮ И ТУГОПЛАВКИМИ МЕТАЛЛАМИ

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.

1. Krasin. 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.2018.04.008

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.2022.101152

13. 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.