ES2312116T3 - Material compuesto de fibras de carbono, en forma de placa mejorado. - Google Patents
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Abstract
Material compuesto de fibras de carbono, CFC, en forma de placa y mejorado, que se expone a un flujo de partículas que provoca sobre la superficie afectada un flujo térmico, y protege los dispositivos situados detrás del mismo contra la acción destructiva del calor, como escudo térmico para cuerpos que se sumergen con alta velocidad en una atmósfera, o que se desplazan en su interior, o como armadura para desviadores tóricos de una instalación de fusión del tipo tokamak o estelerator, en donde el material compuesto está formado por una disposición de fibras/por un tejido de soporte de fibras de brea, fibras de tejido y de costura, que están incluidas en una matriz de carbono, y las fibras de brea/carbono discurren en el material compuesto de tal manera que están situadas perpendicularmente con respecto a las superficies atacadas, que resultan calentadas por el flujo térmico de partículas gaseosas o de plasma, procedentes del plasma termonuclear, caracterizado porque las fibras de tejido y costura no están dispuestas paralelamente a esta superficie calentada, sino que lo están en un ángulo dentro del intervalo de 0º < alfa < 90º, preferentemente dentro del intervalo de 30º < alfa < 60º.
Description
Material compuesto de fibras de carbono, en
forma de placa mejorado.
La invención se refiere a un material compuesto
de fibras de carbono, CFC (siglas en inglés de carbon
fibre composite), en forma de placa mejorado.
Estos materiales compuestos de CF en forma de
placa sirven para la protección de dispositivos que, cuando se
exponen a un flujo de partículas, resultarían afectados o destruidos
por la acción del calor. Para protegerlos contra esa acción, estos
dispositivos sensibles están recubiertos, al menos en la superficie
expuesta al flujo de partículas, con dichas placas de CFC. Ejemplos
son cuerpos que ingresan en la atmósfera tales como aviones cohete
o naves espaciales o aviones que se mueven a alta velocidad en
atmósferas ligeras y regresan a atmósferas más densas. Pero también
se toman en consideración dispositivos provistos de alas que giran
en la atmósfera con una elevada velocidad de rotación, en especial
las superficies exteriores de dichas alas. En general, se puede
proporcionar protección contra la acción del calor a los cuerpos que
se encuentran expuestos a un flujo de partículas que, por su
incidencia, determina un flujo térmico altamente perjudicial.
Otro campo de aplicación adicional son las
máquinas de fusión del tipo tokamak o estelerator. En estos
dispositivos, los llamados desviadores se encuentran expuestos a un
flujo de partículas procedente del plasma termonuclear confinado de
forma magnética toroidal. La exposición inmediata de estos
desviadores, debido al flujo térmico provocado por el flujo de
partículas que incide sobre ellos, generaría una elevada sobrecarga
térmica que no permitiría su utilización productiva. Por este
motivo, los desviadores tales como, por ejemplo, en JET y
ASDEX-Upgrade, están recubiertos y reforzados
mecánicamente en la superficie expuesta a este flujo de partículas
con placas de este tipo, que producen una armadura de
aproximadamente 2 cm de espesor, cuyo tamaño es de aproximadamente
10 x 10 cm^{2}. El flujo térmico procedente de este plasma incide
sobre esta pared/armadura y la calienta. En general, el flujo
térmico estacionario y controlable de 10 - 20 MW/m^{2} se solapa
en estos dispositivos con breves picos de aproximadamente 10
GW/m^{2}, es decir, 1000 veces más elevados, que incrementan
considerablemente la intensa sobrecarga térmica, aun cuando ésta
sea de muy breve duración.
Los materiales compuestos de fibra de carbono,
CFC, de categorías NB31 y NS31 fueron desarrollados para el
refuerzo de los desviadores del tokamak ITER proyectado. Poseen una
alta capacidad de conductividad térmica y un ritmo de erosión bajo,
y son apropiados para el funcionamiento estacionario de tokamaks a
temperaturas características de 1.000 - 1.500 K [1]. Sin embargo,
los experimentos en dispositivos de radiación electrónica y las
investigaciones numéricas de la erosión de los materiales compuestos
CFC bajo un flujo térmico extremo y los acontecimientos ITER no
normales, tales como modos localizados en el borde del plasma, ELM
(siglas en inglés de edge localized
mode), y acontecimientos de deflexión vertical, VDE
(siglas en inglés de vertical deflection
event), pusieron de manifiesto los altos índices de
erosión de NB31 por rotura de fragilidad en el intervalo de
temperaturas de 3.000 - 3.500 K [2].
Las simulaciones numéricas para NB31 con el
Código Pegaso 3D han demostrado que el alto índice de erosión de
NB31 obedece al mecanismo de erosión resultante del
sobrecalentamiento local [3]. El mecanismo de erosión por
sobrecalentamiento local, LOEM (siglas en inglés de local
overheating erosion mechanism), surge a
causa de la estructura compleja del CFC. El CFC está compuesto por
una matriz de carbono y un refuerzo de fibras de carbono. El
componente principal del refuerzo, las fibras de carbono o brea,
posee una alta conductividad térmica y, en las armaduras del tipo
discutido en este documento, se encuentra siempre de forma vertical
en la superficie expuesta al flujo térmico. El material compuesto
de fibras de este tipo está tejido y cosido con fibras de
poliacrilonitrilo, PAN, que están dispuestas de forma paralela a la
superficie calentada.
La gran diferencia de los coeficientes de fibra
y matriz en la dilatación térmica es decisiva para el LOEM. La
potenciación de la erosión en el LOEM se produce, de manera
correspondiente a la rotura, en los puntos de intersección entre
las fibras y la matriz, seguida de un aislamiento térmico de las
fibras de PAN a través o debido a la matriz. Los experimentos y las
simulaciones numéricas ofrecen, en ambos casos, el mismo patrón de
erosión para el CFC de NB31. La erosión se inicia en el campo con
fibras de PAN que se encuentran paralelas a la superficie. El
índice de erosión de las fibras de PAN es siempre muy superior al de
las fibras de brea/carbono, dotadas de una buena conductividad
térmica, que se hallan dispuestas verticalmente con respecto a la
superficie. Los "valles" a lo largo de las fibras de PAN
socavan lateralmente los campos de fibras de brea, provocando, de
esta forma, una erosión adicional, véanse las Figuras 3 y 5, y
reducen intensa y crecientemente la duración de funcionamiento, tal
como ocurre en un proceso de retroacoplamiento positivo, hasta
llegar a una situación catastrófica.
La invención tiene como misión poner a punto una
estructura mejorada de CFC para la armadura de un desviador en un
dispositivo de fusión, para el confinamiento magnético toroidal del
plasma termonuclear, capaz de resistir, además de un flujo térmico
nominal, también los flujos térmicos repetidos y de breve duración
que, a modo de impulsos breves, superan en gran medida el flujo
térmico estacionario, y que dan lugar a intensos sobrecalentamientos
locales, y con la cual la erosión producida sea nula o, al menos,
se encuentre dentro de límites tolerables.
La tarea se resuelve mediante las medidas
descritas en la reivindicación única para la disposición de las
fibras de tejido y costura. A partir de los resultados de
simulaciones, se llegó a la conclusión de que para mejorar de
manera significativa la intensidad de erosión de CFC, la estructura
del CFC debería de tener tan pocas fibras paralelas a la superficie
de refuerzo como fuera posible, lo que hace referencia, de forma
especial, a las fibras de tejido y costura. Las fibras de PAN, que
determinan el refuerzo de la resistencia mecánica, no deben ser
retiradas de la estructura CFC. Deben estar dispuestas
perpendicularmente entre sí para actuar como base de la fuerza
mecánica a nivel de la superficie que desarrolla el refuerzo. Desde
este punto de vista, en la reivindicación 1 se señala que, para
obtener una reducción moderada del índice de erosión, las fibras de
tejido y costura deben disponerse en un ángulo adecuado con respecto
a la superficie y, de hecho, las fibras de tejido y costura no son
paralelas a la superficie afectada y calentada por el flujo de
partículas, sino que se encuentran en un ángulo dentro del
intervalo de
0º <
\alpha <
90º
y, preferentemente, dentro del
intervalo
de
30º <
\alpha <
60º.
El ángulo de inclinación se encuentra,
preferentemente, entre 30º y 60º, y dependiendo de las relaciones
requeridas entre el índice de erosión y la rigidez mecánica hay
espacio para la optimización en un entorno específico o un caso de
aplicación específico.
La mejora se refiere solamente a las fibras de
tejido y costura, y conserva la misma disposición de las fibras de
brea que determina la conductividad térmica de NB31. Cuando las
fibras de tejido y costura de la estructura mejorada están
inclinadas en menos de 45º con respecto a la superficie térmica,
están dispuestas perpendicularmente entre sí, de modo que el
material alcanza una rigidez del refuerzo comparable a la de NB31.
La simulación numérica de la erosión para CFC con la estructura
mejorada ha confirmado que el índice de erosión es entre 4 y 5
veces más bajo en comparación con el de NB31.
El análisis del mecanismo de erosión conduce a
la proposición de una nueva estructura de fibras de CFC, que exhibe
una clara reducción del índice de erosión. La mejora afecta
únicamente a las fibras de tejido y costura. La disposición
perpendicular de las fibras de brea con respecto a la superficie que
recibe el flujo de partículas y sobre la que se manifiesta el flujo
térmico, se mantiene inalterada, al igual que en el CFC conocido del
tipo NB31. Las fibras de tejido y costura de la estructura mejorada
están dispuestas de forma perpendicular entre sí, de manera que
alcanzan una rigidez de la armadura comparable a la de NB31.
La invención se describirá, a continuación, de
manera más detallada sobre la base de las Figuras 1 a 6. Éstas
muestran:
Figura 1 la estructura de fibras de CFC NB31 y
la estructura mejorada, propuesta con relación a una erosión más
baja:
Figura 1a la estructura de NB31, con las fibras
de brea termoconductoras y las fibras PAN de tejido y costura, sin
matriz de carbono;
Figura 1b la misma muestra con matriz de
carbono, en donde se ha recortado el lado anterior para mostrar la
estructura de fibras;
Figura 1c la estructura de fibras mejorada con
la misma disposición de las fibras de brea y las fibras de tejido y
costura inclinadas en 45º;
Figura 1d vista de las fibras de tejido y de
brea.
\vskip1.000000\baselineskip
Figura 2 simulación numérica de dos muestras de
CFC, que han sido calentadas desde el canto superior representado en
la imagen;
Figura 2a la estructura de NB31;
Figura 2b la estructura de CFC mejorado;
\vskip1.000000\baselineskip
Figura 3 la evolución de la erosión en el tiempo
de la superficie de NB31;
Figura 3a el inicio en la primera capa;
Figura 3b la abertura de la primera capa;
Figura 3c la abertura de la segunda capa;
Figura 3d la erosión de la tercera capa;
\vskip1.000000\baselineskip
Figura 4 la evolución de la erosión en el tiempo
de la superficie del CFC mejorado;
Figura 4a la superficie de haz único todavía
prácticamente íntegra;
Figura 4b la superficie de haz único que
comienza a erosionarse;
Figura 4c el proceso de erosión poco
avanzado;
Figura 4d la estructura del tejido presente de
forma todavía completa;
\vskip1.000000\baselineskip
Figura 5 comparación del índice de erosión en
NB31 y CFC con una estructura de fibras mejorada;
\vskip1.000000\baselineskip
Figura 6a estructura de fibras de NB31 son
matriz de carbono;
Figura 6b estructura de fibras del CFC mejorado
sin matriz de carbono.
\vskip1.000000\baselineskip
El objeto, en este caso, es por ejemplo la
armadura de los desviadores en las instalaciones de fusión
mencionadas anteriormente. Las investigaciones y dimensionamientos
de los escudos térmicos/armaduras, que están sometidos a un intenso
flujo de partículas gaseosas y que desencadenarían, por lo tanto,
los correspondientes flujos térmicos en el interior de las
superficies afectadas, se pueden tratar de forma idéntica o, al
menos, prácticamente idéntica. Por consiguiente, la resolución de
la tarea propuesta en este documento tiene plena vigencia en estos
campos.
El mecanismo de erosión específico LOEM,
descrito en los anexos [2] y [3], se refiere al CFC NB31. El LOEM
da lugar a un incremento intenso y no lineal del índice de erosión a
temperaturas elevadas, dentro del intervalo de 3.000 hasta 4.000 K,
debido al sobrecalentamiento local de la matriz de CFC y de las
fibras, es decir, del tejido de soporte, próximo a las fibras de
PAN de costura paralelas a la superficie calentada. El
sobrecalentamiento se produce debido a la especial disposición de
la estructura de fibras de carbono, en particular sólo para NB31.
La estructura de NB31 es óptima para la conductividad térmica,
derivada de las fibras de brea y carbono que, como en el caso
anterior, están dispuestas de forma perpendicular a la superficie
calentada de la armadura. La fracción de fibras de brea con una
elevada conductividad térmica de hasta 1.000 W/mK a lo largo del eje
de fibras representa aproximadamente 30% de la parte volumétrica de
NB31. Además de la elevada conductividad térmica, la armadura de
los desviadores debe tener una rigidez suficiente. La rigidez total
de la armadura, generada por el tejido de soporte y, de hecho, por
el tejido, 4% de la parte volumétrica, y por la costura, 4%, de las
fibras de brea por medio de fibras de PAN, refuerza la armadura de
NB31 en dos direcciones, y de hecho de forma perpendicular con
respecto a las fibras de brea. Las Figuras 1a y 6 muestran esta
estructura actual conocida. Las fibras de tejido y costura están
dispuestas de forma paralela a la superficie afectada por el flujo
de partículas de la armadura. La Figura 1b muestra una sección de la
Figura 1a con la matriz de carbono en vista frontal para destacar
las fibras. Las propias fibras son haces de fibras aisladas, flojas,
trenzadas o entretejidas, en donde una de tales fibras aisladas
tiene un diámetro dentro del intervalo de 20 a 100 \mum.
Dependiendo de los requisitos de rigidez, tejido y costura, para la
fabricación del haz de fibras, es decir, del tejido de soporte, se
preparan 3 fibras: de brea, de tejido y de costura, en donde cada
uno de los haces está formado por varias hasta muchas de estas
fibras microdelgadas.
Junto a ellas, se representan en las Figuras 1c
y 1d la mejora de la estructura de fibras:
las mismas fibras de brea perpendiculares a la
superficie afectada por el flujo de partículas, las fibras de
tejido y costura inclinadas en 45º hacia las mismas. La Figura 1c
muestra la situación de las fibras de tejido y brea nuevamente, en
una vista ampliada. La superficie sometida al flujo de partículas y
que desencadena el flujo térmico, está arriba.
En NB31, el LOEM actúa en correspondencia con la
clara diferencia del coeficiente de dilatación térmica de las
fibras de carbono y la matriz de carbono, que rellena el espacio
intermedio entre las fibras. Estas grandes diferencias son
específicas para las fibras de brea y de PAN. La diferencia del
coeficiente de dilatación térmica da lugar a un esfuerzo térmico
durante el calentamiento de la armadura de NB31. El esfuerzo térmico
se concentra en el punto de intersección entre las fibras y la
matriz. Durante el ELM, la temperatura se eleva a 3.000 - 4.000 K,
y la concentración del esfuerzo térmico determina, preferentemente,
la rotura del punto de intersección entre fibras y matriz para
todas las fibras, independientemente de su orientación. Esta
reducción efectiva de la conductividad térmica tiene consecuencias
diferentes para las fibras de brea termoconductoras y para las
fibras de tejido y costura. Las fibras de brea se encuentran
dispuestas en ángulo recto con respecto a la superficie calentada
de la armadura, y el calor se dispersa a lo largo de las fibras. Las
roturas en la pared lateral de las fibras no protegen contra la
propagación/diseminación del flujo térmico, motivo por el que el
transporte térmico en el campo de la armadura, que está relleno de
fibras de brea, no depende de las roturas en los puntos de
intersección/contacto con la matriz de CFC. La situación es
completamente diferente para las fibras de tejido y costura que se
encuentran paralelas a la superficie. En estas regiones, el calor
se dispersa a través de las fibras, de manera que las roturas en los
puntos de intersección/contacto de estas fibras reducen de forma
importante la conductividad térmica eficaz en dirección al flujo
térmico. Una reducción de la conductividad térmica causa un
incremento de la temperatura de la superficie de la matriz de CFC
sobre las fibras de costura con paredes laterales/de camisa
rotas/reventadas.
La Figura 2 muestra la simulación numérica de
dos ejemplos de CFC que se calientan desde la superficie de
cubierta:
Figura 2a de NB31 y Figura 2b, del CFC
mejorado.
Los ejemplos se muestran en la sección a través
de las fibras de costura y a lo largo de las fibras de brea, que
tienen un recorrido vertical. Las imágenes superiores de las Figuras
2a y 2b muestran la estructura de CFC con las fibras, en tanto que
las imágenes inferiores muestran la estructura perteneciente a las
imágenes superiores, a una temperatura superficial de 3.500 - 4.000
K. La temperatura de las estructuras inferiores se establece por el
grado de ennegrecimiento, la escala de temperaturas se incluye
verticalmente en la imagen, en donde el color blanco se asigna a
4.000 K y el color negro a 1.000 K. La matriz bajo las fibras de
costura está sobrecalentada en NB31, Figura 2a, comparada con el
CFC mejorado en la Figura 2b. Se muestran las secciones
transversales de la muestra representada, que se encuentra
sobrecargada desde la superficie hacia abajo con un flujo térmico
constante de 5 GW/m^{2}. El flujo térmico indicado es
característico para el ELM de Tipo I en el ITER. La parte superior
muestra la estructura de fibras de NB31 con las fibras de brea
termoconductoras, que están dispuestas verticalmente hacia delante
con respecto a la superficie superior calentada, y las fibras de
costura dispuestas paralelamente con respecto a la superficie, que
se representan como círculos. Los espacios intermedios entre las
fibras están rellenos con material de matriz de carbono. A las
citadas temperaturas, las camisas/superficies próximas a la
superficie de las tres primeras fibras ya están
rotas/reventadas/resquebrajadas, de modo que la conductividad
térmica efectiva queda reducida por las roturas, y la temperatura de
la matriz por encima de las fibras es mayor que la temperatura
superficial de las fibras de brea y de la matriz adyacente.
La rotura del material de grafito se determina
por la carga térmica existente durante el calentamiento desde el
exterior. La rotura de la armadura de grafito tiene dos razones
físicas. La primera es la anisotropía de los gránulos o fibras de
grafito adyacentes, de manera que la rotura es proporcional a la
propia temperatura del grafito. La segunda contribución surge de
acuerdo con los gradientes de temperatura en/dentro de la
armadura/escudo térmico. Las estimaciones, descritas en [5], han
demostrado que bajo las condiciones de calentamiento que son
características para el ELM, las roturas de plasma y otros
acontecimientos no normales en el ITER, las aportaciones
anisotrópicas para la rotura son siempre mayores que las que
proporcionan los gradientes de temperatura. Tomando en
consideración este resultado, se debe concluir que las regiones
sobrecalentadas del CFC de NB31, adyacentes a las fibras de tejido
y costura, se rompen de acuerdo con las diferencias térmicas, y
sufren una erosión más intensa que las regiones del CFC con fibras
de brea.
En la Figura 3 se muestran los siguientes
estados del proceso de erosión de NB31, simulado por la aplicación
del Código PEGASO 3D. Dicha figura muestra el desarrollo del proceso
de erosión de la superficie de la armadura/escudo de NB31 bajo el
sobrecalentamiento repetido de la superficie con un flujo térmico de
5 GW/m^{2}, que simula una secuencia de ELM. La simulación
llevada a cabo utiliza el Código PEGASO 3D. La vista frontal de la
prueba/muestra ha sido seccionada para poner de manifiesto la
profundización de la erosión. La erosión se evidencia principalmente
en el lado de las fibras de costura y transcurre paralela a la
superficie calentada. Inicialmente, se erosiona el material de
matriz sobre las fibras de costura, véase la Figura 3a, de acuerdo
con su sobrecalentamiento, como se ha mostrado en la Figura 2a.
Después de la erosión del material de matriz, se sobrecalientan por
los mismos motivos las primeras fibras de costura
liberadas/desenvainadas. El material de matriz de CFC tiene
estructuras microcristalinas y se erosiona mediante pequeñas
partículas de polvo. Las fibras de carbono son más resistentes
contra la sobrecarga térmica y se erosionan en fragmentos largos. En
las Figuras 3b y 3c se representan los desprendimientos y la
separación de las fibras. Tras la separación de la capa de fibras,
el proceso continúa de la misma forma en las capas siguientes del
material de matriz y en las fibras, véase la Figura 3d.
A partir del mecanismo de erosión descrito, se
deduce de inmediato que la disposición de las fibras de tejido y
costura en la armadura/escudo de NB31 es la peor posible, porque
están situadas paralelas a la superficie calentada y el flujo
térmico las atraviesa de forma transversal. La conductividad
dirigida de manera transversal a las fibras es extremadamente baja,
por lo menos 50 veces menor que en dirección axial. Más aún, sobre
la base de la rotura preferida de las fibras sobre la superficie de
la camisa, la conductividad disminuye todavía más de forma oblicua
a través de las fibras de tejido y costura.
La inclinación de las fibras de tejido y costura
hacia las fibras en haces (antigua dirección PAN) hacia la
superficie calentada mejora la conductividad térmica, dado que el
flujo térmico también se muestra en la dirección axial de las
fibras. La inclinación de los dos tipos de fibra, de tejido y de
costura, en 45º con respecto a la superficie calentada, manteniendo
simultáneamente la disposición de las fibras de brea, es la mejor
solución desde el punto de vista de la conservación de la máxima
conductividad térmica y la resistencia mecánica. En este caso, las
fibras de costura y tejido están dispuestas perpendicularmente entre
sí y pueden tener el mismo porcentaje volumétrico que en NB31, de
modo que dispongan de una rigidez de la armadura/escudo comparable
con la de NB31. Es más, con la inclinación de las fibras de tejido y
costura de 45º en relación con la superficie calentada, el calor es
transmitido a lo largo de las fibras, y el flujo térmico es
prácticamente independiente de las roturas en el punto de
intersección de las fibras y la matriz. Se toman en consideración
ángulos diferentes de 45º para las fibras de tejido y costura
cuando se deben incluir requisitos adicionales debidos a la
utilización prevista, o cuando una de las dos debe predominar a
causa de exigencias técnicas.
Las Figuras 1c y 1d explican el CFC mejorado. La
estructura termoconductora de las fibras de brea permanece
inalterada e idéntica a la de NB31. La simulación numérica de la
erosión para el CFC con la estructura de fibras mejorada se llevó a
cabo utilizando el Código PEGASO 3D. Para calcular la reducción del
índice de erosión, el CFC con una estructura de fibras mejorada
posee los mismos parámetros termofísicos y mecánicos para las
fibras y la matriz que los que se han usado para NB31. El patrón de
erosión para el CFC mejorado se muestra en las Figuras 4a hasta 4d,
después del mismo número de ELMs que se han utilizado para el CFC de
NB31 en las Figuras 3a hasta 3d.
La Figura 4 representa el desarrollo de la
superficie de armadura del CFC mejorado, que muestra el proceso de
erosión bajo el calentamiento repetitivo de la superficie con las
mismas condiciones que en el caso de NB31. Se muestran vistas de
muestras tras el mismo número de ELMs que en la Figura 3 para NB31.
La erosión del CFC mejorado es mucho menor y no existe ninguna
diferencia marcada para la erosión en los puntos de las fibras de
tejido y costura inclinadas hacia la superficie calentada, y
próximas a las fibras de brea. La comparación de los resultados de
simulación pone de manifiesto que, al contrario que con NB31, el CFC
mejorado no exhibe incremento alguno de la erosión correspondiente
al LOEM. Como se esperaba, la estructura mejorada de las fibras de
tejido y costura no conduce al sobrecalentamiento del material de
matriz y de las fibras. A pesar de que la rotura en los puntos de
intersección entre la matriz y las fibras es la misma que en NB31,
la conductividad térmica media no disminuye de manera llamativa en
las regiones de las fibras de tejido y costura, porque el flujo
térmico principal discurre a lo largo de las fibras que se
encuentran inclinadas en un ángulo de 45º con respecto a la
superficie calentada. La estructura de fibras y el campo de
temperaturas en el interior de la muestra de NB31 mejorada aparecen
representados en la Figura 2b. El CFC con una estructura mejorada
no exhibe el incremento de temperatura sobre las fibras de costura
rotas, que es característico de NB31 y que determina la existencia
de LOEM. La simulación numérica de la erosión para el CFC de NB31 y
para el CFC con las mejoras de la estructura de fibras propuesta,
tiene lugar bajo una carga repetida de ELM.
Las Figuras 6 muestran la estructura de CFC sin
matriz de carbono, de manera que se exhibe claramente el
correspondiente recorrido de las fibras; de hecho, la Figura 6a
muestra el diseño actual del tipo NB31, y la Figura 6b, el del CFC
mejorado, con una situación inalterada de las fibras de brea, en el
que las fibras de tejido y costura están dispuestas de forma
paralela entre sí, e inclinadas en 45º con respecto a la superficie
atacada.
La comparación de los índices de erosión de dos
CFC, NB31 y CFC con la estructura mejorada, bajo el calentamiento
repetido de la superficie por medio de un flujo térmico de 5
GW/m^{2}, en el que se simulan ELMs, se muestra en la Figura 5.
La erosión se define como el volumen erosionado total del patrón
numérico, dividido por la superficie calentada. De acuerdo con los
resultados numéricos, con la mejora de la estructura de CFC se
consigue una reducción decisiva del índice de erosión.
Se ha demostrado/confirmado la propiedad
principal de LOEM - erosión preferida de los puntos con fibras de
tejido y costura - paralelo a la superficie calentada.
La descripción del mecanismo de erosión, LOEM,
del escudo de NB31/la armadura de NB31 evidencia un índice de
erosión especialmente elevado para la clase de CFC. Los experimentos
confirman una erosión potenciada de NB31 bajo cargas repetitivas,
características para los ELMs de tipo I en el ITER.
CFC = materiales compuestos de fibras de
carbono
LOEM = mecanismo de erosión por
sobrecalentamiento local
PAN = poliacrilonitrilo
ELM = modo localizado en el borde del plasma
VDE = acontecimiento de deflexión vertical.
[1] G. Federici et al; Key ITER
plasma edge and plasma material interaction issues. Journal of
Nuclear Materials Volumes 313-316, March
2003, 11-22
[2] S. Pestchanyi, V. Safronov I.
Landman, Estimation of carbon fibre composites as ITER
divertor armour, Journal of Nuclear Materials, Vol.
329-333 (2003) 697-701
[3] S. Pestchanyi et al,
3-D simulation of macroscopic erosion of CFC under
ITER off-normal heat loads, Fusion Engineering
and Design. V. 66-68 (2003)
271-276.
[4] S. Pestchanyi, H. Wuerz,
Brittle destruction of carbon based materials under
off-normal ITER-FEAT conditions,
Phys. Scr. T91 (2001) 84- 89.
[5] S. E. Pestchanyi_ and I. S.
Landman, Effective Thermal Conductivity of Graphite Materials
with Cracks, Physica Scripta. Vol. T111,
218-220, 2004.
Claims (1)
1. Material compuesto de fibras de carbono, CFC,
en forma de placa y mejorado, que se expone a un flujo de
partículas que provoca sobre la superficie afectada un flujo
térmico, y protege los dispositivos situados detrás del mismo contra
la acción destructiva del calor,
como escudo térmico para cuerpos que se sumergen
con alta velocidad en una atmósfera, o que se desplazan en su
interior,
o
como armadura para desviadores tóricos de una
instalación de fusión del tipo tokamak o estelerator,
en donde el material compuesto está formado por
una disposición de fibras/por un tejido de soporte de fibras de
brea, fibras de tejido y de costura, que están incluidas en una
matriz de carbono,
y
las fibras de brea/carbono discurren en el
material compuesto de tal manera que están situadas
perpendicularmente con respecto a las superficies atacadas, que
resultan calentadas por el flujo térmico de partículas gaseosas o de
plasma, procedentes del plasma termonuclear,
caracterizado porque
las fibras de tejido y costura no están
dispuestas paralelamente a esta superficie calentada, sino que lo
están en un ángulo dentro del intervalo de
0º <
\alpha <
90º,
preferentemente dentro del
intervalo
de
30º <
\alpha <
60º.
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