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.

Introduction. Modern plasma magnetic confinement systems use tungsten as a material in contact with plasma. Under the influence of high-density plasma irradiation, tungsten undergoes cracking, intense erosion, and macro-particle emission. High-temperature ceramics are considered a promising material for protective coating of plasma components, as they are resistant to thermal loads. One possible solution could be a boron carbide coating, which has a high melting temperature.Materials and Methods. The impact of an electron beam on samples of rolled tungsten and boron carbide and tungsten composite was studied in experiments on the BETA setup. The heat from the beam propagates into the samples, with the maximum temperature reached at the center and decreasing towards the edges. The modeling area represents a cross-section of the samples, optimal for a task with a cylindrical coordinate system. The numerical implementation is based on the correction scheme and the marching method.Results. A new model of heating the boron carbide and tungsten composite sample under the influence of surface heating by an electron beam is presented. The model is based on solving the heat conduction equation in an axially symmetric setup with constant values of specific heat capacity, density, and thermal conductivity of metals.Discussion and Conclusions. An analysis of the model of heating the composite material under the influence of surface heating by an electron beam at constant values of density, thermal conductivity, and specific heat capacity has been conducted. The modeling results are in demand for analyzing experimental results and planning experiments at the Beam of Electrons for Materials Test Applications (BETA) facility, created at the Budker Institute of Nuclear Physics SB RAS.