MATHEMATICAL MODELING OF TUNGSTEN MELTING IN EXPOSURE TO PULSED ELECTRON BEAM

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The paper is devoted to mathematical modeling of the melting process in a sample under the influence of a pulsed thermal load based on the solution of the two-phase Stefan problem. The free boundary is ignoring during the calculation, since the numerical model is based on the Samarsky approach. The calculation in axially symmetric geometry allowed us to show that about a quarter of the incident energy is consumed in the center of the melt region. This is five times more than estimates based on the solution of the one-dimensional heat equation give. Considering the evaporation of the substance a good correspondence between the calculated and experimental temperatures of the cooling surface and the rate of narrowing of the melt region is obtained. The results of mathematical modeling confirmed the existence of an evaporation cooling mode when tungsten is heated by an electron beam significantly above the melting threshold.

About the authors

G. G. Lazareva

Рeoples Friendship University of Russia

Author for correspondence.
Email: lazarevanovosibirsk@gmail.com
Russian, Moscow

A. S. Arakcheev

Budker Institute of Nuclear Physics of Siberian Branch Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: asarakcheev@gmail.com
Russian, Novosibirsk

V.A. Popov

Budker Institute of Nuclear Physics of Siberian Branch Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: v.a.popov94@gmail.com
Russian, Novosibirsk

References

  1. Carpentier-Chouchana S., Hirai T., Escourbiac F., Durocher A., Fedosov A., Ferrand L., Firdaouss M., Kocan M., Kukushkin A.S., Jokinen T., Komarov V., Lehnen M., Merola M., Mitteau R., Pitts R.A., Stangeby P.C., Sugihara M., “Status of the ITER full-tungsten divertor shaping and heat load distribution analysis” Physica Scripta, T. 159, 014002, 2014.
  2. Shi Y., Miloshevsky G., Hassanein A., “Boiling induced macroscopic erosion of plasma facing components in fusion” Fusion Engineering and Design, Т. 86(2–3), p. 155–162, 2011.
  3. Huber A., Arakcheev A., Sergienko G., Steudel I., Wirtz M., Burdakov A.V., Coenen J.W., Kreter A., Linke J., Mertens Ph., Philipps V., Pintsuk G., Reinhart M., Samm U., Shoshin A., Schweer B., Unterberg B., Zlobinski M., “Investigation of the impact of transient heat loads applied by laser irradiation on ITER-grade tungsten” Physica Scripta, T. 159, 014005, 2014.
  4. Safronov V.M., Arkhipov N.I., Klimov N.S., Landman I.S., Petrov D.S., Podkovyrov V.L., Poznyak I.M., Toporkov D.A., Zhitlukhin A.M. , “Investigation of erosion mechanisms and erosion products in tungsten targets exposed to plasma heat loads relevant to ELMS and mitigated disruptions in ITER” Problems of Atomic Science and Technology. Series: Plasma Physics (14), pp. 52–54, 2008.
  5. Huber A., Burdakov A., Zlobinski M., Wirtz M., Coenen J. W., Linke J.,. Mertens Ph, Philipps V., Pintsuk G., Schweer B., Sergienko G., Shoshin A., Samm U., Unterberg B., “Investigation of the impact on tungsten of transient heat loads induced by laser irradiation, electron beams and plasma guns” Fusion Science and Technology, 63 (1T), pp. 197–200, 2013.
  6. Vyacheslavov L., Arakcheev A., Burdakov A., Kandaurov I., Kasatov A., Kurkuchekov V., Mekler K., Popov V., Shoshin A., Skovorodin D., Trunev Y., Vasilyev A. Novel electron beam based test facility for observation of dynamics of tungsten erosion under intense ELM-like heat loads, AIP Conference Proceedings, 1771, 060004 (2016).
  7. Apushkinskaya D. Free boundary problems: Regularity properties near the fixed boundary, Lecture Notes in Mathematics, 2218. Springer (2018).
  8. Trunev Yu.A., Arakcheev A.S., Burdakov A.V., Kandaurov I.V., Kasatov A.A., Kurkuchekov V.V., Mekler K.I., Popov V.A., Shoshin A.A., Skovorodin D.I., Vasilyev A.A., Vyacheslavov L.N., Heating of tungsten target by intense pulse electron beam, AIP Conference Proceedings 1771, 060016 (2016).
  9. Самарский А.А., Вабищевич П.Н. Вычислительная теплопередача // М.: Едиториал УРСС, 2003, 784 с.
  10. Яненко Н.Н., Метод дробных шагов решения многомерных задач математической физики // Новосибирск, 1967. 196 с.
  11. Davis J.W., Smith P.D., ITER material properties handbook, J. Nucl. Mater. 233 (1996) 1593–1596.
  12. Ho C.Y., Powell R.W., Liley P.E. Thermal conductivity of elements, Journal of Physical and Chemical Reference Data, 1, p. 279 (1972).
  13. Талуц С.Г. Экспериментальное исследование теплофизических свойств переходных металлов и сплавов на основе железа при высоких температурах: Автореф. дис. д-ра физ.-мат. наук: 01.04.14, Екатеринбург: 2001. 38 с.
  14. Arakcheev A.S., Apushkinskaya D.E., Kandaurov I.V., Kasatov A.A., Kurkuchekov V.V., Lazareva G.G., Maksimova A.G., Popov V.A., Snytnikov A.V., Trunev Yu.A., Vasilyev A.A., Vyacheslavov L.N. Two-dimensional numerical simulation of tungsten melting under pulsed electron beam, Fusion Engineering and Design, vol. 132, p. 13–17 (2018).
  15. Vasilyev A.A., Arakcheev A.S., Bataev I.A., Bataev V.A., Burdakov A.V., Kandaurov I.V., Kasatov A.A., Kurkuchekov V.V., Mekler K.I., Popov V.A., Shoshin A.A., Skovorodin D.I., Trunev Yu.A., Vyacheslavov L.N., In-situ imaging of tungsten surface modification under ITER-like transient heat loads, Nucl. Matter Energy 12 (2017) 553–558.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (343KB)
3.

Download (80KB)
4.

Download (567KB)

Copyright (c) 2023 Г.Г. Лазарева, А.С. Аракчеев, В.А. Попов

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».