ES2312116T3 - Material compuesto de fibras de carbono, en forma de placa mejorado. - Google Patents

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.

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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;

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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;

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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;

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Figura 5 comparación del índice de erosión en NB31 y CFC con una estructura de fibras mejorada;

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Figura 6a estructura de fibras de NB31 son matriz de carbono;

Figura 6b estructura de fibras del CFC mejorado sin matriz de carbono.

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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.

Abreviaturas

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.

Bibliografía fuente

[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.