Разработка и имитационные исследования термостойкости моделей внутрикамерных компонент термоядерных реакторов — токамаков

В последние десятилетия происходит интенсивное развитие физических и инженерно-технических основ создания термоядерных реакторов (ТЯР). Во всем мире создаются новые и эксплуатируются существующие установки. Доказательством актуальности создания будущих ТЯР является международный проект ИТЭР (международный термоядерный экспериментальный реактор), Рис. 1. О возрастающем значении инженерных аспектов создания ТЯР свидетельствуют регулярные российские и международные конференции. Одной из важных задач среди многообразия сложнейших инженерных проблем является работоспособность энергонапряженных внутрикамерных компонент (ЭНВК) ТЯР. Напряженность их условий работы обусловлена, прежде всего, воздействием термоядерной плазмы с одной стороны, и воздействием теплоносителя с другой.

К энергонапряженным компонентам относятся дивертор, лимитеры и первая стенка. Они ближе всего расположены к плазме и непосредственно контактируют с ней, что обуславливает их напряженный режим работы, поэтому к ним предъявляются особые требования. Функциональное назначение энергонапряженных компонент (Рис. 2) заключается в следующем [ 1, 2, 3]: дивертор расположен в нижней части камеры и служит для нейтрализации низкоэнергетичной диверторной плазмы, съема мощных тепловых нагрузок, приносимых из плазмы, и для формирования потока нейтрального газа в откачные каналы. Стенки диверторного устройства должны быть защищены специальными мишенями. В проекте ИТЭР для этого предусмотрены такие облицованные компоненты как вертикальная мишень, центральная сборка (дом) и баффл. Условия их работы (Таблица 1) обусловлены физическими особенностями реактора и на которых мы не будем останавливаться, существенно отличаются, что определяющим образом сказывается на их конструкции. Водоохлаждаемые облицованные компоненты дивертора, образующие замкнутые в тороидальном направлении мишени, работают в.

2 2 широком диапазоне тепловых нагрузок — от 1 МВт/м для лайнера до 20 МВт/м для вертикальной мишени, центральная сборка — и баффл занимают промежуточное положение (3−5) МВт/м2. В качестве облицовочных материалов приняты углеродный композит (для физической фазы, на технологической фазе возможен вольфрам) для сильно-нагруженной части вертикальной мишени и вольфрам для остальных компонент дивертора.

Дивертор состоит из 54 кассет, каждая 3.5 м в длину, 2 м в высоту и 0.9 м в ширину (вес кассеты -10.5 тонн).

Лимитер (стартовый) находится в экваториальной плоскости тора и контактирует с плазмой при старте разряда для формирования требуемой конфигурации, поэтому он подвержен квазистационарным тепловым потокам до 8 МВт/м. В качестве облицовочного материала принят бериллий, которым защищена так называемая водоохлаждаемая «первая стенка лимитера», выполняемая из медных сплавов. В реакторе используются два лимитера, каждый (высота 2.1 м, ширина 1.6 м и глубина 0.5 м) из которых представляет собой сборку из 36 стальных пластин толщиной по 45 мм, облицованных «первостеночными элементами».

Первая стенка (облицованные съемные панели на модулях бланкета), также как и лимитер находится в непосредственной близости от плазмы и работает при сравнительно низких тепловых потоках — не более 0.5 МВт/м. В качестве облицовочного материала выбран бериллий, соединяемый с теплоотводящей структурой из медного сплава.

Всего требуется 680 панелей, каждая из которых имеет размеры —1,0 м в длину, 0.5 м в ширину и 0.1 м в глубину.

Конструктивные особенности перечисленных компонент представлены на Рис. 2.

Условия работы данных компонент характеризуются целым комплексом повреждающих факторов, а именно, мощными тепловыми потоками, потоками частиц плазмы, нейтронным облучением, электромагнитными нагрузками и циклическим режимом работы.

Проектирование и разработка энергонапряженных компонентов, являющиеся задачами нашего коллектива, требуют учета всех деструктивных факторов, как их отдельного влияния, так и синергетических эффектов от их комплексного воздействия.

Это является сложной многогранной задачей большого круга специалистов, лабораторий, научных центров и, наконец, стран-участниц международного проекта ИТЭР.

Изучение влияния любого из повреждающих факторов может проводиться расчетным или экспериментальным способами, а также их комбинацией. Но в любом случае испытания, имитирующие различные деструктивные факторы по отдельности или в каком-то сочетании, являются важнейшим этапом проектирования, т.к. расчетный путь не всегда может точно описать реальность. На современном этапе развития данной области науки и техники не существует стенда, полностью имитирующего реакторные условия эксплуатации энергонапряженных компонент.

В связи с этим, параллельно проводятся исследования более узких направлений. Среди таких направлений особое место занимает изучение влияния циклического теплового воздействия на работоспособность энергонапряженных компонентов.

Условия воздействия тепловых потоков на различные компоненты проектируемого реактора ИТЭР (FEAT) представлены ниже (Таблица 1). Из таблицы видно, что изучение теплового воздействия также является многогранной задачей, состоящей в учете установившегося теплового режима при горении разряда, переходного режима и различных импульсных режимов. В данной работе автором представлены результаты исследований разрабатываемых энергонапряженных компонент с учетом воздействия на них тепловых нагрузок, характерных только для установившихся и переходных режимов. Данное направление в течение последних десяти лет было одним из важнейших НИОКР для НИИЭФА им. Д. В. Ефремова.

Рис. 1. Схема термоядерного реактора ИТЭР.

Вертикальная мишень и баффл о ^jmp^.

Центральная сборка и.

Кассета дивертора дом iwkv vwinria мидтдничпи.

О 16 CR35 00-I2-Mv0.

G 16GR37 D0−12−0S WO. 1;

Стартовый лимитер front AccessD Penetration.

SS Back-plate A11 «.

I-^— Be Tile Cu-AlloyD.

SS Tube.

G 16 OR 25 00−12−08 WO. I.

G 16 GR26 00−12−08 WO. 1.

Панель первой стенки Рис. 2. Энергонагруженные компоненты реактора ИТЭР.

Решение данной задачи потребовало от автора комплексного подхода, включающего в себя следующие направления работ:

— Создание объектов исследований, т. е. фрагментов конструкций (моделей) разрабатываемых энергонапряженных компонентовотработка технологий многослойных соединений на фрагментах конструкцийтехническое обеспечение технологических операцийэкспериментальная оптимизация геометрических параметров облицовки компонентовмасштабирование отработанных технологических приемов и переход от малых моделей к крупноразмерным.

— Выбор и дооснащение существующих и создание новых технических средств имитации повреждающего фактора — поверхностной тепловой нагрузки.

— Создание специализированных устройств для проведения адекватных имитационных экспериментов (мишенные устройства, измерители параметров тепловых потоков, системы управления электронным пучком и его диагностики).

— Разработка, внедрение и верификация методик проведения имитационных экспериментов, а также оценка адекватности выбранного способа имитации теплового воздействия.

— Проведение экспериментов по изучению влияния поверхностных тепловых потоков на кандидатные материалы, образцы соединений и фрагменты конструкций (малые модели).

— Верификация работоспособности комплексных разработок «материал-конструкция-технология», воплощенных в крупноразмерных изделиях различных энергонапряженных компонентов.

— Получения набора экспериментальных данных о пределах работоспособности различных фрагментов конструкций — моделей с разными технологиями многослойных соединений и с разными геометрическими параметрами.

— Обобщение экспериментально-технологических данных и подготовка рекомендаций для проектирования и серийного изготовления внутрикамерных энергонапряженных компонентов реактора ИТЭР.

Таблица 1. Условия работы ЭНВК реактора ИТЭР.

Характеристики условий теплового воздействия Вертикальная мишень дивертора Дом и баффл дивертора Порт лимитер стартовый Первая стенка б л анкета.

Устано! лившийся режим.

Максимальный тепловой поток (МВт/м2) 10 1−5 0.5 0.5.

Длительность (сек) 400 400 400 400.

Количество циклов 30,000 30,000 30,000 30,000.

Поток частиц (Ю^/м^с) -10 -0.01−0. 1.

Переходной режим.

Максимальный тепл. поток (МВт/м2) 20 8.

Длительность (сек) 10 30.

Количество циклов 3000 60,000.

Сш >1вы плазмы.

Максимальный тепловой поток (МДж/м2) 10−30 ?

Длительность (мс) 0.1−3 0.1−3.

Частота (%) 10 10.

Вертикальн ые смешения пл: 13МЫ.

Максимальный тепловой поток (МДж/м2) 60 60.

Длительность (мс) 100−300 100−300.

Частота (%) 10 10.

Убеган >шие электроны.

Максимальный тепл. поток (МДж/м2) 50 50.

Длительность (мс) 10−100 10−100.

Цель работы.

Разработка конструктивных решений и технологических приемов, обеспечивающих моделирование и создание перспективных вариантов энергонапряженных внутрикамерных компонент (ЭНВК);

Создание оборудования и методик проведения имитационных исследований разработанных моделей ЭНВК и определение предельных тепловых режимов их надежной эксплуатации;

Формулирование рекомендаций по конструированию и технологическим режимам при промышленном изготовлении ЭНВК для международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР).

Научная новизна.

Предложены и разработаны:

— комплекс технических средств и технологических приемов, позволяющих осуществлять «быструю» пайку крупномасштабных моделей многослойных ЭНВК;

— технология припайки бериллиевой и вольфрамовой облицовок криволинейной формы;

— способы изготовления вольфрам-медной облицовки крупноразмерных моделей.

Предложены и экспериментально отработаны методики имитационных исследований термостойкости и термоусталости моделей многослойных ЭНВК, в т. ч. в условиях одновременного воздействия нейтронного облучения, циклического воздействия и водородной среды.

По результатам исследований сформирована база данных по предельным тепловым нагрузкам для параметрического ряда моделей многослойных ЭНВК с бериллиевой и вольфрамовой облицовкой.

Практическая ценность работы.

Оптимизирована геометрия облицовки фиксированной толщины и технология ее соединения с подложкой в моделях многослойных ЭНВК реактора ИТЭР.

Экспериментально определены предельные тепловые режимы надежной эксплуатации и ресурсные характеристики разработанных моделей ЭНВК.

Дополнена экспериментально-методическая база для адекватных имитационных исследований моделей многослойных ЭНВК под воздействием стационарных циклических тепловых нагрузок.

Сформулированы рекомендации по конструированию и технологической реализации разработанных вариантов лимитера, баффла и вертикальной мишени при промышленном изготовлении ЭНВК реактора ИТЭР.

Полученные результаты м.б. также использованы при создании других типов энергетического оборудования, работающих при высоких тепловых нагрузках.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты аппаратурно-методических решений для адекватных имитационных исследований и отдельных технологических операций.

2. Функциональная схема и конструктивное исполнение экспериментального внутриреакторного устройства для имитации комплекса повреждающих факторов на модели с бериллиевой облицовкой.

3. Результаты выполненных имитационных экспериментов с использованием разработанных малых и крупноразмерных моделей ЭНВК.

4. База данных по предельным тепловым нагрузкам и ресурсным характеристикам параметрического ряда моделей ЭНВК с бериллиевой и вольфрамовой облицовкой. и.

Заключение

.

В результате выполненных разработок и исследований получены следующие результаты:

— разработаны и успешно опробованы технологические приемы изготовления ЭНВК, позволившие создать ряд моделей с бериллиевой и вольфрамовой облицовкой: оптимизированы «быстрый» нагрев электронным лучом и прямым пропусканием тока (3−5 °С/с) — пайка криволинейных моделейэкономичные способы изготовления вольфрам-медной облицовки (наплавка крупногабаритных вольфрам-медных пластин (L>0.1 м), упрощенная процедура финальной обработки вольфрама, одноступенчатая пайка многослойных соединений);

— сопоставлены различные способы имитации поверхностного теплового воздействия на ЭНВК и обосновано применение электронных ускорителей с энергией пучка 10−100 кэВ. Определены основные режимы электроннолучевого нагрева, адекватного плазменному: при толщине материала 5−20 мм и длительности нагрева ~10с достигается установившийся температурный градиент. Созданы мишенные устройства, системы управления пучком, диагностические и другие технические средства, необходимые для проведения имитационных экспериментов на специализированных электроннолучевых установках «Цефей», ЭМО-бО, СТИ и др. Разработана аппаратура и проведены эксперименты на моделях с бериллиевой облицовкой при одновременном воздействии водородной среды, циклических тепловых и нейтронных потоков;

— разработаны и успешно реализованы методики имитации тепловых нагрузок для исследований термоударной и термоциклической стойкости кандидатных материалов и многослойных конструкций ЭНВК;

— создан широкий ряд малоразмерных моделей для оптимизации геометрических размеров облицовочных плиток и технологии соединения бериллия с бронзой, вольфрама с медью и меди с бронзой;

— проведенные испытания малых моделей позволили уточнить границы применимости технологий и оптимизировать размеры облицовки, определена предельная плотность тепловых потоков для ЭНВК с различной облицовкой: для плиток из бериллия толщиной 5−10 мм с размерами в плане.

2 2 2 от 5×5 мм до 44×44 мм она варьируется от 16 до 2 МВт/м, для вольфрамовых плиток толщиной 10 мм она находится в диапазоне от 20 МВТ/м2 (размер в плане 10×10 мм2) до 5 МВт/м2 (размер в плане 44×44 мм2) — опыт разработки малоразмерных моделей ЭНВК использован при создании крупноразмерных моделей баффла дивертора ИТЭР (бериллиевая и вольфрамовая облицовка), стартового лимитера ИТЭР (бериллиевая облицовка), лимитера токамака TEXTOR (вольфрамовая облицовка) и вертикальной мишени дивертора ИТЭР (вольфрамовая облицовка), работоспособность этих изделий подтверждена термоциклическими испытаниями при проектных, а в некоторых случаях существенно больших тепловых нагрузкахпредставленные в диссертации разработки и исследования, в совокупности с работами коллег, составили существенную часть программы НИОКР по созданию ЭНВК, выполняемой в НИИЭФА им. Д. В .Ефремова с участием других российских институтов в рамках проекта ИТЭР. Результаты реализации этой программы получили положительную оценку в международной команде ИТЭР. Созданы научные и технологические предпосылки для промышленного изготовления в НИИЭФА им. Д. В. Ефремова серийных изделий внутрикамерных компонент — «центральной сборки» с вольфрамовой облицовкой и «первой стенки» с бериллиевой облицовкой, а также, на проведение термоциклических испытаний серийных внутрикамерных компонент реактора ИТЭР.

Автор выражает благодарности:

Научному руководителю Саксаганскому Г. Л. за постановку задачи и плодотворное руководство работой;

Мазулю И.В. за научное руководство, консультации и за активную помощь в проведении работ;

Сотрудникам Барабашу В. Р., Комарову B.JI. и Одинцову В. Н за научно-технические консультации;

Сотрудникам Яблокову Н. А., Комарову А. О., Кречковскому В. Г, Литуновскому В. Н., Овчинникову И. Б, Кузнецову В. А, Титову В. А,. за техническую помощь при проведении экспериментов на установках «Токовый стенд», «Пекло» и «Цефей»;

Сотрудникам Кузьмину Е. Г., Жуку А. Н., Комарову В. М., Танчуку В. Н., Григорьеву С. Н. за помощь в конструкторской разработке и расчетных работах при подготовке моделей;

Коллегам из НПО «Композит» Выговскому Е. В., Сизеневу B.C., Струле И. А. и Гитарскому Л. С. за проведение работ по исследованию компонент с бериллиевой облицовкой;

Коллегам из ВНИИНМ им. А. А. Бочвара Коронцевичу В. К, Миловидову С. Н и Луку В. И. за техническую и организационную помощь при проведении работ на установке ЭМО-бО;

Коллегам из ИФХ РАН Захарову А. П. и Залавутдинову Р. А. за помощь при проведении металлографических исследований;

Коллегам из НИКИИЭТ Стребкову Ю. С. и Складнову К. С. за помощь в проведении совместных работ;

Коллегам из НИИАР Мельдеру P.P., Покровскому А. С. за помощь в проведении совместных работ по внутриреакторным экспериментам;

Американским коллегам Р. Ватсону, Д. Ечисону, М. Уриксону Б.Одегарду (Сандия, США) за сотрудничество и совместные эксперименты на установке EBTS.