Прочность вакуумной камеры и дивертора термоядерного реактора-токамака при динамических электромагнитных и тепловых нагрузках

Комаров, Виктор Михайлович

Прочность вакуумной камеры и дивертора термоядерного реактора-токамака при динамических электромагнитных и тепловых нагрузках тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

Комаров, Виктор Михайлович АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2004 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.13 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Прочность вакуумной камеры и дивертора термоядерного реактора-токамака при динамических электромагнитных и тепловых нагрузках»

Автореферат диссертации на тему "Прочность вакуумной камеры и дивертора термоядерного реактора-токамака при динамических электромагнитных и тепловых нагрузках"

На правах рукописи

Комаров Виктор Михайлович

ПРОЧНОСТЬ ВАКУУМНОЙ КАМЕРЫ И ДИВЕРТОРА ТЕРМОЯДЕРНОГО РЕАКТОРА-ТОКАМАКА ПРИ ДИНАМИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ И ТЕПЛОВЫХ НАГРУЗКАХ

01.04.13 - электрофизика, электрофизические установки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2004

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте

электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова.

Научный руководитель кандидат технических наук, старший

научный сотрудник В. М. Сорин

Официальные доктор физико-математических наук,

оппоненты: старший научный сотрудник

СЕ. Сычевский

кандидат технических наук, И. 3. Штилерман

Ведущая организация: Троицкий институт инновационных

и термоядерных исследований

Защита диссертации состоится " 3 " ноября 2004 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 201.006.01 Научно-исследовательского института электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова в Доме Ученых НИИЭФА (196641, Санкт-Петербург, пос. Металлострой, ул. Полевая, д. 12).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЭФА. Автореферат разослан " / "СЖгЯ&РЯ 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор ИА Шукейло

zoos-ij

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Важным этапом практической реализации научно-технических исследований в области управляемого термоядерного синтеза является создание международного экспериментального термоядерного реактора-токамака ИТЭР (HER), опытно-конструкторские разработки которого начаты в 1989 году и продолжаются в настоящее время.

Одними из важнейших элементов реактора-токамака являются вакуумная камера (ВК) и дивертор. В варианте проекта ИТЭР на 2003 год корпус ВК, состоящий из 18 секторов, имеет диаметр ~20 м и высоту —11.5 м. Каждый сектор имеет по 3 патрубка. К ребрам жесткости двухслойной стенки корпуса крепятся элементы нейтронной защиты. ВК закреплена на силовой конструкции магнитной системы с помощью 18 опор. Общий вес ВК с содержимым — 10 тысяч тонн.

Кассета дивертора состоит из корпуса и навесных компонентов, включающих центральную сборку с лайнерами, внутреннюю и внешнюю вертикальные мишени. Длина корпуса 3.5 м, высота —2 м, ширина —0.7 м. Крепление кассеты к ВК обеспечивают 4 опоры. Навесные компоненты состоят из стальных подложек и теплоприемных элементов (ТПЭ). ТПЭ лайнеров выполнены в виде гипервапотрона. На плоской части мишеней ТПЭ выполнены в виде моноблоков с облицовкой из углеродного композита, на криволинейной части - в виде бронзового теплообменника с облицовкой из прямоугольных вольфрамовых плиток. Вес кассеты -12 тонн.

По сравнению с реакторами АЭС, при проведении расчетов напряженно-деформированного состояния (НДС), прочности и ресурса ВК и дивертора реактора-токамака приходится дополнительно учитывать следующее:

- ВК в целом может испытывать избыточное давление среды только при аварийных ситуациях, связанных с разрушением или разгерметизацией систем охлаждения ВК или внутрикамерного оборудования.

- Нарушения в управлении термоядерной реакцией приводят к различным срывам тока плазмы и, как следствие, к значительным электромагнитным нагрузкам (ЭМН), могущим вызывать заметное динамическое воздействие на ВК и дивертор.

- Дивертор испытывает большие тепловые нагрузки, экстремально высокие в случае срывов тока плазмы. Облучение нейтронами с энергией 14 Мэв существенно изменяет физико-механические свойства материалов.

- Форма многих конструкций часто не является осесимметричной.

- Существующие российские и зарубежные Нормы прочности разработаны для конструкций, форма и расчетные нагрузки которых в значительной мере отличаются от формы и нагрузок ВК и дивертора реактора-токамака.

Вопросы обеспечения прочности ВК (как первого барьера безопасности) и кассет дивертора, прогнозирования ресурса ТПЭ играют важную роль в повышении надёжности и снижении стоимости реактора-токамака.

В токамаках одними из основных расчетных нагрузок являются ЭМН, характеризующиеся значительным разнообразием причин возникновения, интенсивности и длительности воздействий. Только из-за всевозможных срывов тока плазмы в ИТЭР выделяют б типов ЭМН. Весьма показателен высокий уровень ЭМН: интегральные силы на ВК составляют в различных режимах 15-5-80 % от величины ее веса, а интегральные силы на кассету дивертора превышают ее вес в несколько раз.

Длительность действия ЭМН, составляющая от нескольких десятков до сотен миллисекунд, соизмерима с периодами низших тонов собственных колебаний многих элементов конструкций ВК и дивертора. Поэтому в расчете прочности необходим учет динамики нагружения, ибо использование только статического подхода может оказаться недостаточным и идти не в запас прочности для этих конструкций.

Высокий уровень ЭМН и относительная тонкостенность ВК и дивертора определяют важность определения критических значений ЭМИ, вызывающих потерю устойчивости этих конструкций. Наиболее точные оценки в этом случае дает анализ нелинейной устойчивости с учетом пластических деформаций материалов и начальных несовершенств конструкции.

Прогнозируемое число циклов механических напряжений в элементах конструкций ВК и дивертора за время эксплуатации ИТЭР только от действия ЭМН составляет ~104-Я05. Поскольку временная зависимость напряжений может иметь сложный характер, при расчете долговечности удобно использовать параметры эквивалентного цикла напряжений, вносящего такое же повреждение в конструкции, как и определенные динамическим расчетом переменные напряжения с изменяющейся в процессе нагружения амплитудой.

Сложная пространственная геометрия ВК и дивертора, разнообразие расчетных нагрузок и режимов требуют значительных усилий при разработке и верификации механических моделей.

ТПЭ дивертора испытывают значительные циклические тепловые нагрузки, нейтронное и ионное воздействия со стороны плазмы. Термическая усталость, характеризующаяся накоплением циклических пластических деформаций, деформация ползучести, изменение свойств из-за радиации, изменение толщины (выгорание) облицовки являются решающими факторами при выборе конструкции и материалов ТПЭ, поэтому оценка их влияния на

прочность и ресурс ТПЭ тоже является актуальной задачей.

Работа выполнена в соответствии с планами НИОКР:

- Федеральная целевая программа "Международный термоядерный реактор ИТЭР" на 2002-2005 годы (постановление Правительства РФ №604 от 21 августа 2001г.).

- Федеральная целевая научно-техническая программа "Международный термоядерный реактор ИТЭР и научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в его поддержку" на 1999-2001 годы (постановление Правительства РФ №1417 от 1 декабря 1998 г.).

- Федеральная целевая научно-техническая программа "Международный термоядерный реактор ИТЭР и научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в его поддержку" на 1996-1998 годы (постановление Правительства РФ №1119 от 19 сентября 1996 г.).

Дели работы

1. Оценка нестационарных ЭМН, влияющих на выбор основных размеров и прочность элементов конструкций ВК и дивертора термоядерного реактора-токамака.

2. Исследование динамического отклика ВК и дивертора реактора ИТЭР при действии ЭМН, включая разработку расчетных моделей, определение динамических характеристик и выбор методов динамического расчета.

3. Разработка методики определения характеристик эквивалентного цикла механических напряжений для оценки циклической прочности конструкций.

4. Модификация методики расчета нелинейной устойчивости конструкций и ее применение к анализу устойчивости ВК ИТЭР.

5. Исследование влияния механических свойств теплоотводящих подложек, размеров облицовки, радиации и ползучести на прочность и ресурс ТПЭ дивертора термоядерного реактора-токамака.

Научная новизна

1. Получены аналитические оценки ЭМН на элементы конструкций ВК и дивертора токамака, используемые для упрощения предварительных расчетов на начальной стадии проектирования и для разработки требуемой механической модели для проведения поверочных расчетов.

2. Предложена методика определения характеристик эквивалентного цикла механических напряжений для упрощения оценки циклической прочности ВК и дивертора токамака при действии ЭМН.

3. Предложена модификация методики расчета нелинейной устойчивости конструкций, использующая рекомендации различных Норм прочности в части, касающейся метода расчета, модели материала, учета начальных несовершенств.

Практическая значимость

Разработаны и верифицированы расчетные механические модели ВК и кассеты дивертора ИТЭР. Проведен анализ и показана необходимость учета динамики нагружения от действия ЭМН для этих конструкций и при разработке аналогичного оборудования других токамаков. Предтожены изменения элементов конструкции дивертора для снижения механических напряжений до допускаемых пределов.

Предложенная модифицированная методика расчета нелинейной устойчивости позволила точнее определить критические нагрузки и коэффициенты запаса устойчивости для ВК ИТЭР.

Полученные оценки характеристик эквив&тентного цикла механических напряжений упростили оценку циклической прочности ВК и дивертора токамака при действии импульсных ЭМН.

Проведен анализ долговечности моноблока с облицовкой из углеродного композита и выбрана бронза, обеспечивающая заданный ресурс теплоотводящей подложки при действии циклических тепловых потоков. Предложены конструктивные размеры, позволяющие уменьшить общее число моноблоков и соответственно снизить стоимость изготовления дивертора.

Исследовано влияние и показана необходимость учета радиации, ползучести и изменения толщины облицовки при оценке циклической прочности ТПЭ дивертора. Установлено, что для повышения надежности ТПЭ следует проводить их циклические испытания с выдержками, а при прогнозировании ресурса принимать во внимание не только число нагружений, но и продолжительность действия тепловой нагрузки.

Достоверность полученных результатов обеспечивает: • Сравнение полученных результатов с результатами работ других российскихизарубежныхисследователей:

- Расхождение в величинах собственных частот, полученных Сорипым В.М. (НИИЭФА) для другой расчетной модели ВК ИТЭР, составляет не более 5-И 0 процентов.

- Не более 15*25 процентов разницы с результатами японских (JAERI) и европейских (Framatom, Ansaldo) участников проекта ИТЭР получено при расчетах НДС ВК от действия испытательного давления и ЭМН.

- Расхождение в результатах около 20 процентов показали расчеты НДС кассеты дивертора при действии ЭМН и тепловых нагрузок, проведенные европейскими (ENEA-Euroatom) участниками проекта ИТЭР с помощью программы ABAQUS для другой расчетной модели кассеты.

- Разница в величине интеграчьных ЭМН, полученных автором с помощью оценок, и сотрудниками НИИЭФА (НИВО) в результате численного моделирования с помощью программы TYPHOON, составляет —15*25 % •

• Сравнение результатов численных расчетов и оценок с результатами экспериментов:

Результаты расчетов НДС ВК экспериментального токамака Тлобус-М" при действии наружного равномерного давления в основном совпали с результатами механических испытаний, проведенных сотрудниками ФТИ им. А.Ф. Иоффе в объединении "Северный завод" на полномасштабном макете ВК. Отличия в показаниях некоторых тензометров от расчетных значений объяснились отклонениями реатьного профиля макета от теоретического профиля поперечного сечения камеры.

Результаты расчетов и измерений температуры макетов ТПЭ дивертора при термоциклических испытаниях совпали с точностью до 10 процентов. Изменение формы облицовки и появление трещин в медной прослойке некоторых макетов, полученное при испытаниях, прогнозировалось автором по результатам расчетов.

• Использование сертифицированного программного обеспечения для проведения численныхрасчетов:

Использованная для расчетов НДС программа ANSYS имеет сертификацию ISO 9001 для всей линейки программных продуктов. В соответствии с решением Совета по аттестации программных средств НТЦ по ядерной и радиационной безопасности Госатомнадзора России от 31.10.2002 г., программа ANSYS аттестована бессрочно дтя расчета статического НДС элементов активных зон и реакторного оборудования из металлов и сплавов в упр)гой линейной области, а также при наличии деформаций пластичности и ползучести. Практическая точность расчетов определяется точностью задания внешних воздействий, физико-механических характеристик материалов и точностью расчетной модели При заданных физико-механических характеристиках и моделях поведения материалов погрешность расчета в линейной и нелинейной постановках не превышает 2+5 % и 10 % соответственно.

Личный вклад автора является основным на всех этапах исследований. Приведённые в работе результаты получены автором лично либо при его непосредственном участии и руководстве расчетно-теоретической группой. На всех этапах работы автором формулировалась постановка задач, осуществлялось проведение исследований, обработка и обобщение полученных результатов.

Апробация работы

Результаты работы обсуждались на семинарах НИИЭФА, докладывались на международных технических совещаниях по проекту ИТЭР (Россия, Германия, США) с 1989 по 2004 гг., а также представлялись на Всерос. конферен. по инженерным проблемам термоядерных реакторов (С.-Петербург, 1984, 1988,1997, 2002), 3 междунар. конферен. "Радиационное воздействие на материалы термоядерных реакторов" (С.-Петербург, 1994), Российской научно-технической конференции "Инновационные наукоемкие технологии для России" (С.-Петербург, 1995), 3 конферен. пользователей про1раммного обеспечения CAD-FEM GmbH (Москва, 2003); на междунар. симпозиумах по термоядерным и ядерным технологиям (Карлсруэ, 1994; С.-Петербург, 1996; Токио, 1997; Мадрид, 2000; Хельсинки, 2002). Материал диссертации представлен в 26 публикациях, часть из которых включена в автореферат.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. В диссертации 149 страниц печатного текста, в том числе 58 рисунков, 37 таблиц и список литературы, включающий 80 наименований.

Содержание работы Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы цели работы, научная новизна и практическая ценность выносимых на защиту результатов, кратко излагается содержание работы.

В первой главе приведены основные соотношения электродинамики и термоупругости, используемые для выбора метода расчета напряжений и температур в тонкостенных токопроводящих конструкциях токамака при действии внешних электромагнитных полей. Освещены различные способы проведения сквозных расчетов "ЭМН-НДС" вакуумной камеры и дивертора.

На стадии предварительных расчетов задание нагрузок на расчетных моделях основано на оценках величин токов, сил и характера их распределения, используя разделение общей задачи анализа электромагнитных процессов на 2 независимые в силу суперпозиции магнитных полей токамака. Задача №1 состоит в определении ЭМН вследствие изменения тороидального тока плазмы, профиля его плотности, формы сечения и положения плазменного шнура. Задача №2 заключается в определении ЭМН, обусловленных перераспределением тороидального магнитного потока или появлением "halo" токов.

На стадии поверочных расчетов ЭМН задают в виде узловых сил, полученных в результате численного моделирования. При этом возможна как независимая разработка моделей для определения ЭМН и напряженного состояния (точность задания проверяют сравнением интегральных величин и характера распределения), так и использование общей КЭ модели конструкции.

Привлекательность использования аналитических оценок ЭМН определяется сокращением расчетных работ в . начале разработки конструктивно-силовой схемы конструкции. В дальнейшем при детальной проработке конструкции и проверке ее местной прочности используют значения ЭМН, полученные численно.

Во втором разделе приведено описание нестационарных ЭМН, действующих на ВК и дивертор токамака. Выделено 6 типов ЭМН, условно разделенных автором на циклически симметричные и асимметричные. К первым относят ЭМН в режимах центрального срыва тока плазмы (CD), "быстрого" вертикального смещения плазмы (VDE) и вывода тока из магнитной системы (ТТСГО). Ко вторым - ЭМН в режиме "медленного" вертикального смещения плазмы и возникновения асимметричных "halo" токов, меняющихся по закону косинуса вдоль тора с максимумом в зависимости от тороидального пикировочного фактора KTPF- Распределение асимметричных ЭМН на корпусе тороидальной ВК от действия "halo" токов автором дано в виде эквивалентного электромагнитного давления:

P4(RAt) = Po

fRo

•f(O-g(0),

где po

давление на радиусе параллельного круга R=Ro,

g(0) = —-—[1+(Кот -l)-cos(G)]- функция угла 0, отсчитываемого вдоль Ктрр

дуги параллельного крута, f(t) - функция времени. Дальнейшая детализация ЭМН связана с определением их интенсивности, вероятности возникновения в различных условиях эксплуатации и оценки последствий воздействия на конструкции. Результатом является уточнение параметров расчетных режимов эксплуатации конструкции.

Предложены полученные автором аналитические оценки ЭМН, используемые в расчетах прочности элементов конструкций ВК и дивертора токамака. В частности, интегральные вертикальную Fvi и горизонтальную Fhor силы на корпус ВК при асимметричных ЭМН от "halo" токов можно оценить сверху из выражений:

F* =PoRo2Tg(0)de j f

2tí

4« = PoRo jg(0)d0 j ^—PoRo2 Jq(R)dR,

O R, ""

TPF

где Rj и R - радиусы параллельных кругов, соответствующих областям входа "halo" тока в корпус ВК и выхода его обратно в плазму, dY- вертикальная проекция элемента меридионального сечения корпуса ВК, вдоль которого протекает "halo" ток.

Вторая глава посвящена анализу динамического отклика ВК и дивертора реактора ИТЭР при действии импульсных ЭМН, разработке упрощенной методики выбора параметров эквивалентного цикла механических напряжений, модификации методики анализа нелинейной устойчивости конструкций и ее применению к расчету устойчивости ВК ИТЭР.

В первом разделе изложены численные методы динамического расчета конструкций, обсуждены их преимущества и недостатки в различных частных случаях. Приведено описание разработанных автором расчетных моделей ВК и дивертора ИТЭР, позволяющих с требуемой точностью использовать их для определения динамической реакции этих конструкций.

Во втором разделе проведен анализ динамических характеристик ВК и кассеты дивертора ИТЭР, полученных автором в целях сравнения с результатами исследователей, использующих другие (объемные, стержневые) КЭ модели, и сопоставления с параметрами внешнего воздействия для прогнозирования динамической реакции конструкции и построения эффективной расчетной модели.

Тестирование расчетных механических моделей показало, что при определении динамического отклика ВК и кассеты от действия импульаых ЭМН наиболее точным является метод прямого пошагового интегрирования. Применение метода модальной суперпозиции при числе учитываемых собственных форм колебаний менее 110 для рассматриваемых механических систем с распределенными характеристиками массы и жесткости при импульсном воздействии ЭМН некорректно. Использование большего числа собственных форм неэффективно из-за плохой сходимости суммирования динамической реакции от множества тонов возбуждаемых колебаний.

В третьем разделе автором проведен анализ динамического отклика ВК при действии 6 типов расчетных ЭМН и кассеты дивертора при вертикальных смещениях плазмы (рисунок 1, 2). Динамический анализ ВК при действии симметричных ЭМН выполнялся с использовашем расчетных моделей 20 и 40-градусных секторов конструкции. При асимметричных ЭМН, когда на ВК действуют интегральные силы, использовалась также модель половины ВК.

Оценка прочности показала, что уровень напряжений в ВК находится в допускаемых пределах, а в опорах компонент кассеты дивертора превышает допускаемые значения в ~2*3 раза. Результаты анализа позволили сформулировать предложения по изменению конструкции элементовкассеты для снижения ЭМН и механических напряжений. По отношению к характеристикам динамического отклика ВК и дивертора, в наибольшей степени определяющим их прочность и жесткость, коэффициент динамичности оценен сверху величиной Кд~1.5, что указывает на необходимость учета динамики нагружения в расчетах прочности ВКи дивертора при действии расчетныхимпульсныхЭМН.

В четвертом разделе для оценки циклической прочности элементов конструкций ВК и дивертора токамака при действии импульсных ЭМИ автором предложена упрощенная методика выбора характеристик эквивалентного цикла механических напряжений, при которых накопленное повреждение в конструкции будет таким же, как и от расчетных динамических напряжений.

Основу методики составляют:

- предположение о характере изменения амплитуды напряжений в элементе конструкции во времени при различных значениях относительного демпфирования £;

- использование известных зависимостей, связывающих допускаемые амплитуды условных напряжений [о] и допускаемые числа циклов [Ыо].

Получена зависимость числа эквивалентных циклов N от величины относительного демпфирования С, в конструкции (рисунок 3). Так, эквивалентное повреждение в конструкции при £=0.02 имеет место при амплитуде эквивалентного цикла, равной максимальной амплитуде реальных колебаний, и числе эквивалентных циклов N =4.

с . _; ¡ j ; i ; ! ; ;

ü 0 +—'—i—■—i—■ i ■ i ■—i—1—i—■—i 1 i 1 i—'-I

S 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,18 0,18 0,21

7 Относительное демпфирование С,

Рисунок 3 Зависимость числа эквивалентных циклов N«[ от относительного демпфирования £

В пятом разделе автором предложена модифицированная методика определения критических нагрузок, объединяющая рекомендации различных Норм прочности, учитывающая начальные несовершенства, пластичность материалов и построенная следующим образом.

Вначале с помощью КЭ модели конструкции проводится ее расчет в линейной постановке для получения первых форм потери устойчивости. Эти формы используются для построения новой КЭ модели, в которой модифицированные координаты любого узла определяются как

(Xoi, Yol, Zoi)=(Xo+ Kmas (UK), Y0+ KmB (Uv), Zo+ Kmas (Urz)),

где - координаты узла до модификации;

относительные перемещения узла из решения задачи линейной устойчивости;

отношение максимума начальных несовершенств в конструкции к модулю максимальных относительных перемещений

(Urabs)max-

2. С помощью модифицированной модели далее проводится упругопласгический расчет с пропорционально увеличивающейся нагрузкой при механических характеристиках материала с учетом упрочнения и использования диаграммы истинных напряжений а -е.

3. Для анализа результатов используют графики зависимостей перемещений и(пр) от коэффициента нагрузки пР, равного отношению текущего значения нагрузки к номинальному расчетному значению.

Выделяют несколько характерных значений коэффициентов нагрузки. Коэффициент пРс определяется абсциссой пересечения кривой и(пр) и прямой, идущей из начала координат под углом ср=агс^(2^6), 'где 0 - угол наклона линейного участка графика Щпр). Условия прочности считаются выполненными при Коэффициент соответствующий

неограниченному приросту перемещений без увеличения нагрузки, определяется положением вертикальной касательной к кривой и(пр).

Методика применена к параметрическому анализу устойчивости ВК ИТЭР при различных значениях начальных отклонений геометрии 5,л от номинальных размеров и жесткости элементов конструкции (рисунок 4). В результате вариации параметров максимальное снижение Прь составляет ~30%, но минимум коэффициента запаса находится в допускаемых пределах

для всех расчетных ЭМН. Предложенная методика позволила уточнить величины критических нагрузок для ВК ИТЭР.

Третья глава посвящена исследованию влияния механических свойств материалов, толщины облицовки, радиации и ползучести на прочность и долговечность различных конструкций ТПЭ дивертора ИТЭР при действии циклических тепловых нагрузок.

В первом разделе проведен выбор бронзы с механическими свойствами, обеспечивающими заданный ресурс трубки охлаждения ТПЭ типа моноблок. Выполнены моноблока, учитывающие

кинетику пластических деформаций по мере накопления числа циклов и проводимые до момента стабилизации прироста амплитуд деформаций.

Оценка циклической прочности проведена с использованием правила линейного суммирования повреждений при выделении циклов с различными амплитудами деформации:

где N, - число циклов с амплитудой деформации ь ого типа за время эксплуатации; к— общее число типов циклов; [No], - допускаемое число циклов i- ого типа, V, - парциальное повреждение от деформаций i-oro типа, [VN]=1 -предельное значение накопленного усталостного повреждения V.

Анализ сопротивления разрушению' трубки из-за роста начального дефекта типа поверхностной полуэллиптической трещины проведен

методами линеинои механики разрушения с помощью интегрирования уравнения Пэриса

связывающего скорость роста трещины (скДМ) и размах коэффициента интенсивности напряжении ДЪч при заданных характеристиках материала С, пи ДКц! (трещина не растет, если ДК^ЛКц,). Определены конструктивные размеры моноблока, позволяющие уменьшить их число и соответственно снизить стоимость изготовления

« 20

2 :

. 5 15

ст

щ &10

р 8

§ 5

,а>

Ь 0

„Юсек ;

Тепловой гш« (МВт/1/) - - — Номжалшый поток (0-.10-0)

*•*■ - налаженный поток (10 - 20 -10)

100

Макет моноблока

200 300 400 500

Время, сек

Тепловой поток на моноблок, МВт/м2

ЯМ! ИМИ ИШ ИШ ИИ I

£ 0,01

0} С?

50 100

Шаг нэгружения

О 60 100 150 200 250 300

Тепловые потоки интенсивностью я = 20 МВт/м'

Циклическая деформация в бронзовой размахи деформаций и парциальные трубке моноблока повреждения трубки моноблока

Рис\нок 5 Результаты расчета циклической прочности моноблока

Во втором разделе автором исследовано влияние радиации и уменьшения толщины ("выгорания"') облицовки при эксплуатации на характер НДС и долговечность моноблока (рисунок 5). В случае непринятия во внимание изменения характера НДС, наиболее консервативнои является оценка

долговечности, основанная на максимальных размахах деформаций Лешах, отвечающих середине периода эксплуатации при толщине облицовки над трубкой в 12 мм. Оценка долговечности, основанная на размахах деформаций аб, отвечающих началу либо концу периода эксплуатации, является слишком оптимистичной. Влияние радиации уменьшает допускаемое число циклов [N0] для трубки моноблока в -2.5 раза.

В третьем разделе автором проведен анализ влияния ползучести на долговечность ТПЭ дивертора ИТЭР с облицовкой из вольфрамовых прямоугольных плиток (рисунок 6) при циклическом нагружении тепловыми нагрузками.

Макет №2 с вольфрамовой Фрагмент КЭ модели гинервапотрона

облицовкой

I — Т0'<-3 =

Интервалы нагружения

Накопление деформации ползучести Деформация вольфрамовой облицовки в облицовке макета № 1 за 7 гипервапотрона

импульсов

Рисунок 6 Результаты расчета ТПЭ дивертора ИТЭР с учетом ползучести

Исследовано НДС 3 маторазмерных макетов вертикальной мишени дивертора с толщиной облицовки 10 мм и размерами в плане ~(5х5)-5-(1Ох1О) мм2. Методика исследования включала численное моделирование реальной истории нагружения при использовании зависимости скорости деформации ползучести ё§сг/Л от

приложенного напряжения ст и абсолютной температуры Т в форме:

где С7, Cg, Сю - постоянные для данных материала и температуры.

Оценка долговечности при влиянии ползучести (фактора времени) и цикличности нагружения получена с помощью кривых усталости по результатам обработки кинетики деформаций. Учет деформаций ползучести привел к уменьшению допускаемого числа циклов нагружения [No] ДДя ТПЭ с вольфрамовой облицовкой в ~2 раза.

В Заключении изложены основные результаты работы:

1. Получены аналитические оценки ЭМН на элементы конструкций ВК и дивертора токамака.

2. Предложена методика определения характеристик эквивалентного цикла механических напряжений.

3. Предложена модификация методики расчета нелинейной устойчивости конструкций.

4. Разработаны и верифицированы механические модели ВК и дивертора ИТЭР, проведен динамический анализ этих конструкций при действии расчетных ЭМН.

5. Исследовано влияние механических свойств, размеров облицовки, радиации, ползучести и учета кинетики деформирования на ресурс ТПЭ дивертора ИТЭР при циклическом тепловом нагружении.

Полученные в диссертации результаты использовались при проектировании и вошли в документацию технического проекта ИТЭР. Предложенные методики и аналитические оценки применялись при расчете прочности ВК и внутрикамерных элементов других электрофизических установок (Туман-ЗМ, ИФТ, ТСП, Глобус-М, Т-15М, КТМ, DEMO).

Список публикаций по теме диссертации

1. Арнеман А.Ф., Ваулина И.Г., Гвоздев А.Л., Гусев СВ., Комаров В.М., Одинцов В.Н., Спирченко Ю.В., Гайдайчук В.В., Гоцуляк ЕА -Исследование напряженно-деформированного состояния и устойчивости разрядной камеры установки "Туман" //В кн.: Доклады 3 Всесоюзной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов (Ленинград, 20-22 июня 1984). - М., ЦНИИатоминформ, 1984, т.4, с.162

2. Астапкович A.M., Дойников Н.И., Комаров В.М., Одинцов В.Н., Оаадаков С.Н. Расчет электродинамических нагрузок на камеру компактного токамака для исследования термоядерного горения //Тезисы докладов 4 конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов. (Ленинград, 19-21 января 1988): -Л., 1988, с.267

3. Астапкович A.M., Дойников Н.И., Комаров В.М., Коршаков В.В., Садаков С.Н. Численное моделирование процесса срыва тока плазмы в токамаке с учетом эволюции плазмешого шнура //Вопросы атомной науки и техники, сер. Термоядерный синтез. Вып.4. М.:ИАЭ, 1988, с.9-15.

4. Быков ВА, Боровков А.И., Дивнич А. В., Комаров В.М., Корольков М.Д., Малков АА, Мазуль И.В., Никулина Л.В., Пальмов ВА, Семенов А.С., Ширяев П.М. Исследование термонапряженного состояния и оценка долговечности приемных элементов дивертора термоядерной установки ИТЭР при циклическом тепловом нагружении /Яезисы докладов Ш международной конференции "Радиационное воздействие на материалы термоядерных реакторов", (С.-Петербург, сентябрь 1994), с. 115-117.

5. Боровков А. И., Быков В.А., Комаров В.М., Кузьмин Е.Г., Мазуль И.В., Никулина Л.В. Конечно-элементное исследование нестационарного теплового и термонапряженного состояния лайнера приемного диверторного устройства установки ИТЭР //Тезисы докладов Российской научно-технической конференции "Инновационные наукоемкие технологии для России", С.-Петербург, 25-27 апреля 1995, с.50.

6. Быков ВА, Гиниетулин Р.Н., Жук А.Н., Кокотков В.В., Комаров В.М., Корольков М.Д., Кузьмин Е.Г., Мазуль И.В., Маханьков А.Н., Одинцов В.Н. Разработка лайнеров прототипа диверторной кассеты ИТЭР //Тезисы докладов 6 Международной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов, (С.-Петербург, 27-29 мая 1997), с.40.

7. Boiovkov A.I., Bykov V.A., Komarov V.M., Mazul I.V., Semenov A.S. 3D thermal elasto-plastic analysis of HER divertor high heat flux elements //Plasma Devices and Operations, 1998,Vol.6, pp.55-63

8. Berchov N.F., Bykov V.A., Komarov V.M., Korolkov M.D., Mazul I.V. 3D stress

analysis of HER divertor cassette under thermal and electromagnetic loads //Plasma Devices and Operations, 1998,Vol. 6, pp.65-72.

9. Archipov I., Belov A., Divavin V., Federici G., Filatov V., Gorodetsky A., Grigoriev S., Ibbott C, Komarov V., Kuzmin Ye., Labusov A., Labusov I, Lipko A., Lamzin Ye., Mazul L, Makhankov A., Markin A., Tivey R., Tanchuk V., Rumyantsev M., Zhuk A. Design of private flux region PFC of the ITER FEAT Divertor //21-st Symposium on Fusion Technology, September 11-15, 2000, Madrid, Spain, p. 161

10. Arkhipov I, Federici G., Gorodetsky A., Ibbott C, Komarov V., Kuzmin E., Lipko A., Markin A., Machankov A., Mazul I., Odintsov V., Tivey R., Zakharov A. Design of a Radiative Semi-Transparent Liner for the ITER Divertor Cassette //Fusion Eng. And Design, v.49-50 (2000), 275-281

11. Barthel Th., Ioki K., Komarov V., Krylov V., Kuzmin E., Labusov I., Miki N.. Onozuka M., Rozov V., Sannazzaro G., Tesini A., Utin Yu., Yamada M. Vacuum vessel port structures for ITER-FEAT //Fusion Engineering and Design 58-59 (2001)821-825

12. Berchov N., Giniyatulin R., Grigoriev S., Divavin V., Ibbott C, Komarov V., Labusov A., Makhankov A., Mazul I., McDonald J., Tanchuk V., Youchison D. Investigation of Cascade Effect Failure for tungsten armour //Fusion Engineering and Design, 56-57 (2001), pp 337-342.

13. Komarov V., Labusov A., Malkov A. Acceptable mechanical properties of CuCrZr cooling tubes of HER divertor plasma facing components.//Plasma Devices and Operations, 2002, Vol. 10, ppl7-26.

14. Giniyatulin R., Komarov V., Labusov A., Labusov I., Makhankov A. Stress analysis and lifetime evaluation of HER divertor high heat flux components of the hypervapotron type//Plasma Devices and Operations, 2002,Vol. 10, pp27-37.

15. Berkhov N., Komarov V., Labusov A., Labusov I., Malkov A. Dynamic analysis of HER divertor cassette under electromagnetic loads //Plasma Devices and Operations, 2004, Vol.12, No.l, pp. 11-17.

16. Комаров В.М., Крылов ВА, Кузьмин Е.Г., Лабусов А.Н., Малков АА, Миронов ИА Расчет напряженно-деформированного состояния, устойчивости и оценка статической прочности вакуумной камеры Т-15М /Яезисы докладов 7 Международной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов (С.-Петербург, 28-31 октября 2002), ФГУПНИИЭФАим. Д.В. Ефремова, с.54-55

17. Иванов В.В., Комаров В.М., Лабусов И.Н., Смирнов О.Ю. Расчет напряженно-деформированного состояния, устойчивости и оценка статической прочности вакуумной камеры КТМ /Яезисы докладов 7 Международной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов (С.-Петербург, 28-31 октября 2002), ФГУП НИИЭФА им. Д.В. Ефремова, с.58-59.

18. Komarov V., Labusov A. Lifetime of Irradiated HER Divertor Heat Sink //Plasma Devices and Operations, 2003, Vol.11(1), pp.29-37.

19. Комаров В.М., Лабусов A.H., Лабусов И.Н., Малков АА Исследование динамического поведения вакуумной камеры термоядерного реактора ИТЭР при действии электромагнитных нагрузок //Сб. трудов 3 конференции пользователей программного обеспечения CAD-FEM GmbH (Москва, 23-24 апреля 2003 г.)./ Под ред. А. С. Шадского. - М.: Полигон-пресс, 2003. - 514 с, ил., с.457-468.

Заказ № 120. Подписано к печати 22.09.04. Формат 60x90/16. Уч.- изд. л.1. Тираж 100 экз.

Отпечатано в «ФГУП НИИЭФА им. Д.В. Ефремова»

»19100

РНБ Русский фонд

2005-4 16773

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Комаров, Виктор Михайлович

Введение.

1 Электромагнитные нагрузки на вакуумную камеру и дивертор термоядерного реактора-токамака.

1.1 Методы расчета напряженно-деформированного состояния конструкций при действии электромагнитных нагрузок.

1.1.1 Напряженно-деформированное состояние электропроводных оболочек в электромагнитном поле.

1.1.2 Способы задания электромагнитных нагрузок на расчетных механических моделях конструкций токамака.

1.2 Расчетные электромагнитные нагрузки на вакуумную камеру и дивертор реактора-токамака ИТЭР.

1.2.1 Переходные электромагнитные режимы в реакторе-токамаке.

1.2.2 Оценка электромагнитных нагрузок на вакуумную камеру и дивертор реактора-токамака.

1.2.3 Электромагнитные нагрузки на вакуумную камеру и дивертор реактора ИТЭР.

2 Прочность вакуумной камеры и дивертора реактора ИТЭР при действии электромагнитных нагрузок.

2.1 Выбор расчетных моделей и методов динамического расчета.

2.1.1 Уравнения вынужденных колебаний и методы динамического расчета

2.1.2 Расчетные механические модели вакуумной камеры и дивертора.

2.2 Предварительные численные исследования.

2.2.1 Анализ динамических характеристик вакуумной камеры и кассеты дивертора.

2.2.2 Практическое сравнение различных методов динамического расчета.

2.3 Динамический анализ вакуумной камеры и дивертора ИТЭР при действии расчетных электромагнитных нагрузок.

2.3.1 Предварительные замечания.

2.3.2 Динамический анализ вакуумной камеры.

2.3.3 Динамика кассеты дивертора при вертикальных движениях плазмы

2.4 Методика выбора характеристик эквивалентного цикла напряжений для оценки циклической прочности.

2.5 Анализ нелинейной устойчивости конструкций с учетом пластичности и начальных несовершенств.

2.5.1 Методика расчета нелинейной устойчивости.

2.5.2 Анализ устойчивости вакуумной камеры ИТЭР.

3 Влияние механических свойств, размеров облицовки, ползучести и радиации на прочность и ресурс теплоприемных элементов дивертора ИТЭР при циклических тепловых нагрузках.

3.1 Влияние механических свойств теплоотводящих подложек.

3.2 Влияние радиации и уменьшения толщины облицовки.

3.3 Влияние ползучести.

Введение диссертация по физике, на тему "Прочность вакуумной камеры и дивертора термоядерного реактора-токамака при динамических электромагнитных и тепловых нагрузках"

Актуальность проблемы

Важным этапом практической реализации научно-технических исследований в области управляемого термоядерного синтеза является создание термоядерного реактора-токамака с магнитным удержанием плазмы. Одним из примеров такого реактора является ИТЭР (ITER)-интернациональный термоядерный экспериментальный реактор, проектирование которого начато в 1989 году и продолжается в настоящее время. Сейчас также проводится работа по выбору площадки строительства и по подготовке основных компонент ИТЭР к производству.

Рисунок I - Общий вид реактора ИТЭР

По сравнению с реакторами АЭС [3], при проведении расчетов напряженно-деформированного состояния (НДС), прочности и ресурса ВК и дивертора реактора-токамака приходится дополнительно учитывать следующее [I, 47]:

- Форма многих конструкций часто не является осесимметричной.

Вопросы обеспечения прочности ВК (как первого барьера безопасности) и дивертора, прогнозирование их ресурса играют важную роль в повышении надёжности и снижении стоимости реактора-токамака.

В токамаках одними из основных расчетных нагрузок являются ЭМН [59, 63, 74, 77, 78], характеризующиеся значительным разнообразием причин возникновения, интенсивности и длительности воздействий. Только из-за всевозможных срывов тока плазмы в реакторе ИТЭР выделяют 6 типов нестационарных ЭМН. Весьма показателен высокий уровень ЭМН: интегральные силы на ВК составляют в различных режимах 15-5-80 % от величины ее веса, а интегральные силы на кассету дивертора превышают ее вес в несколько раз.

Длительность действия нестационарных ЭМН, составляющая от нескольких десятков до сотен миллисекунд, соизмерима с периодами низших тонов собственных упругих колебаний многих элементов силовых конструкций ВК и дивертора. Поэтому при исследовании их деформирования от действия ЭМН необходим учет динамики нагружения, ибо использование только статического подхода может являться неконсервативным и идти не в запас прочности для этих конструкций.

Сложная пространственная геометрия ВК и дивертора [65, 66, 69, 70], разнообразие типов нестационарных ЭМН требует значительных усилий по выбору и верификации методов динамических расчетов. Динамические расчеты являются весьма трудоемкими, и часто лишь сочетание известных аналитических решений [17, 22, 26, 42] и использование численных методов интегрирования уравнений движения с помощью современных программ [14, 35] позволяет получить результат с требуемой точностью [75, 76].

Проведение динамических расчетов при действии нестационарных ЭМН осложняется также отсутствием в настоящее время сертифицированных программных комплексов, объединяющих в себе и реализующих последовательно связанные сквозные расчеты сначала по поведению тока плазмы, затем по определению ЭМН и на последней стадии по определению НДС конструкций при этих нагрузках.

В настоящее время в основном методика сквозного расчета строится так, что сначала с помощью одних программ просчитываются различные сценарии поведения плазмы при нормальных условиях проведения реакции и при срывах тока плазмы. Результаты расчета поведения плазмы служат исходными данными для определения вихревых токов и ЭМН в токопроводящих элементах конструкций с помощью других программ [7]. Наконец, полученные ЭМН служат исходными данными для проведения анализа НДС с помощью третьих программ [14,35].

Высокий уровень ЭМН и относительная тонкостенность конструкций ВК и дивертора реактора-токамака определяют важность определения критических (предельных) значений ЭМН, вызывающих потерю устойчивости конструкций, и коэффициентов запаса устойчивости ПсГ, определяемых отношением критических значений нагрузок к их номинальным значениям. Наиболее точные оценки в этом случае дает анализ нелинейной устойчивости с учетом пластических деформаций материалов и начальных несовершенств в конструкции [45,46, 56].

Выше затронуты некоторые особенности расчета прочности конструкций ИТЭР только от действия ЭМН. В целом, с точки зрения общего характера механических и тепловых воздействий, компоненты ИТЭР проектируется для работы при циклическом нагружении. Действительно, только запланированное количество номинальных циклов горения плазмы равно 30000 при длительности каждого цикла ~400 секунд. Каждому номинальному циклу сопутствуют электромагнитные и тепловые нагрузки на элементы конструкций, связанные с периодами подъема тока плазмы, его стационарного удержания и вывода. Примерно в десяти процентах из общего числа номинальных циклов предполагаются большие неустойчивости тока плазмы, переходящие в его срывы и ведущие к значительным тепловым и электромагнитным нагрузкам. Учитывая их нестационарный характер, можно прогнозировать реализацию нескольких циклов механических напряжений в конструкциях ВК и внутрикамерного оборудования при каждом срыве тока плазмы. Таким образом, общее число циклов механических напряжений за время эксплуатации только от действия ЭМН может быть порядка что требует проведения поверочных расчетов циклической прочности конструкций.

Поскольку временная зависимость механических напряжений при действии ЭМН может иметь довольно сложный характер, при оценке циклической прочности удобно иметь дело с одним так называемым эквивалентным циклом напряжений. Режим нагружения конструкции с таким эквивалентным циклом вносит такое же повреждение, как и определенные динамическим расчетом переменные напряжения с изменяющейся в процессе нагружения амплитудой [25].

Большое влияние на прочность и ресурс внутрикамерного оборудования ИТЭР оказывают радиация и циклические тепловые нагрузки. В особенно тяжелых условиях находятся теплоприемные элементы (ТПЭ) дивертора, непосредственно воспринимающие тепловые потоки, нейтронное и ионное воздействия со стороны плазмы [67, 68, 72]. Термическая усталость, характеризующаяся локализованным накоплением циклических пластических деформаций [15, 52, 61], деформация ползучести в высокотемпературной части цикла нагружения [73] часто являются решающими факторами, принимаемыми во внимание при выборе конструктивных форм и материалов ТПЭ.

После получения опыта в управлении реакторной плазмой и наработке данных по степени повреждения материалов за время эксплуатации, следующим шагом после ИТЭР будет создание нового стационарного реактора, в котором не будет значительных нестационарных ЭМН на ВК и дивертор, сейчас для таких компонент ИТЭР во многом определяющих их прочность и долговечность. С другой стороны, повышение общего уровня тепловых нагрузок, заданное увеличение общего срока службы и связанное с этим более значительное влияние ползучести [23, 46], радиации [11] и выгорания (уменьшения толщины) облицовки потребует применения жаропрочных и радиационно-стойких материалов для ТПЭ. Поэтому оценить влияние указанных факторов на прочность и ресурс ТПЭ важно уже сейчас на примере конструкций ИТЭР [30, 31], проводя соответствующие расчетно-экспериментальные работы. В настоящей работе автором использован описанный в [1, 3] подход к расчету малоцикловой усталости с учетом влияния деформации ползучести, сопротивления хрупкому разрушению при наличии исходных дефектов типа трещин [20, 60] и сопротивления развитию трещин при циклическом нагружении [41, 55].

Работа выполнена в соответствии с планами НИОКР: - Федеральная целевая программа "Международный термоядерный реактор ИТЭР" на 2002-2005 годы (постановление Правительства РФ №604 от 21 августа 2001 г.).

- Федеральная целевая научно-техническая программа "Международный термоядерный реактор ИТЭР и научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в его поддержку" на 1996-1998 годы (постановление Правительства РФ №1119 от 19 сентября 1996 г.).

Цели работы

4. Модификация методики расчета нелинейной устойчивости конструкций и ее применение к анализу устойчивости ВК ИТЭР

Научная новизна

1. Получены аналитические оценки ЭМН на элементы конструкций ВК и дивертора реактора-токамака, используемые для упрощения предварительных расчетов на начальной стадии проектирования и для разработки требуемой механической модели для проведения поверочных расчетов.

3. Предложена модификация методики расчета нелинейной устойчивости конструкций, использующая рекомендации, различных Норм прочности в части, касающейся метода расчета, модели материала, учета начальных несовершенств.

Практическая значимость

Разработаны и численно верифицированы расчетные механические модели сложных пространственных конструкций ВК и дивертора реактора ИТЭР, позволяющие с требуемой точностью проводить расчеты их прочности. В результате сравнительных численных исследований выбран наиболее эффективный метод динамического расчета этих конструкций при действии нестационарных ЭМН.

Анализ динамических расчетов ВК и кассеты дивертора ИТЭР, проведенных с помощью разработанных автором расчетных моделей:

- показал необходимость учета динамики нагружения от действия ЭМН для этих конструкций (коэффициенты динамичности по оценке сверху близки к ~1.5) и при разработке аналогичного оборудования других токамаков;

- позволил предложить изменения элементов конструкции дивертора для снижения механических напряжений до допускаемых пределов.

Полученные оценки характеристик эквивалентного цикла механических напряжений упростили оценку циклической прочности ВК и дивертора токамака при действии импульсных ЭМН.

Проведен анализ долговечности ТПЭ дивертора в виде моноблока с облицовкой из углеродного композита и выбрана бронза, обеспечивающая заданный ресурс теплоотводящей подложки при действии циклических тепловых потоков. Предложены конструктивные размеры, позволившие уменьшить общее число моноблоков и соответственно снизить стоимость изготовления дивертора. > Исследовано влияние и показана необходимость учета радиации, ползучести и изменения толщины облицовки при оценке долговечности ТПЭ дивертора. Установлено, что для повышения надежности ТПЭ следует проводить их циклические испытания с выдержками, а при прогнозировании ресурса принимать во внимание не только число нагружений, но и продолжительность действия тепловой нагрузки. Достоверность полученных результатов обеспечивает:

• Сравнение полученных результатов с результатами работ друггсс российских и зарубежных исследователей:

- Расхождение в величинах собственных частот, полученных Сориным В.М. (НИИЭФА) для другой расчетной модели ВК ИТЭР, составляет не более ~5-И0 процентов.

- Не более ~15-f25 процентов разницы с результатами японских (JAERI) и европейских (Framatom, Ansaldo) участников проекта ИТЭР получено при расчетах НДС ВК от действия испытательного давления и ЭМН.

- Разница в величине интегральных ЭМН, полученных автором с помощью оценок, и сотрудниками НИИЭФА (НИВО) в результате численного моделирования с помощью программы TYPHOON, составляет ~ 15-^25 %.

• Сравнение результатов численных расчетов и оценок с результатами экспериментов:

- Результаты расчетов НДС ВК экспериментального токамака "Глобус-М" при действии наружного равномерного давления в основном совпали с результатами механических испытаний, проведенных сотрудниками ФТИ им. А.Ф. Иоффе в объединении "Северный завод" на полномасштабном макете ВК. Отличия в показаниях некоторых тензометров от расчетных значений объяснились отклонениями реального профиля макета от теоретического профиля поперечного сечения камеры.

- Результаты расчетов и измерений температуры макетов ТПЭ дивертора при термоциклических испытаниях совпали с точностью до 10 процентов. Изменение формы облицовки и появление трещин в медной прослойке некоторых макетов, полученное при испытаниях, прогнозировалось автором по результатам расчетов.

• Использование сертифицированного программного обеспечения для проведения численных расчетов:

Использованная в расчетах программа ANSYS имеет сертификацию ISO 9001 для всей линейки программных продуктов, проведено более 7200 программных тестов и более 1600 тестов на аппаратную совместимость. В соответствии с решением Совета по аттестации программных средств НТЦ по ядерной и радиационной безопасности Госатомнадзора России от 31.10.2002 г., программа ANSYS аттестована бессрочно [35] для расчета статического НДС элементов активных зон и реакторного оборудования из металлов и сплавов в упругой линейной области, а также при наличии деформаций пластичности и ползучести (скорость ползучести конструкционных материалов не более 10"4 1/сек). Практическая точность расчетов определяется точностью задания внешних воздействий, физико-механических характеристик материалов и точностью расчетной модели. При заданных физико-механических характеристиках и моделях поведения материалов погрешность расчета в линейной и нелинейной постановках не превышает 2-^5 % и 10 % соответственно.

Апробация работы Результаты работы обсуждались на семинарах в НИИЭФА, докладывались на международных технических совещаниях по проекту ИТЭР (Россия, Германия, США) с 1989 по 2004 гг., а также представлялись:

- на Всероссийских конференциях по инженерным проблемам термоядерных реакторов (С.-Петербург, 1984, 1988, 1997, 2002), III международной конференции "Радиационное воздействие на материалы термоядерных реакторов" (С.-Петербург, 1994), Российской научно-технической конференции "Инновационные наукоемкие технологии для России" (С.Петербург, 1995), 3 конференции пользователей программного обеспечения CAD-FEM GmbH (Москва, 2003);

- на международных симпозиумах по термоядерным и ядерным технологиям (Карлсруэ, Германия, 1994; С.-Петербург, 1996; Токио, Япония, 1997; Мадрид, Испания, 2000; Хельсинки, Финляндия 2002). В диссертацию включены материалы, опубликованные в 26 печатных работах. Структура и объем диссертации.

Заключение диссертации по теме "Электрофизика, электрофизические установки"

Основные результаты работы:

1. Получены аналитические оценки нестационарных электромагнитных нагрузок на элементы конструкций вакуумной камеры (ВК) и дивертора термоядерного реактора-токамака, используемые для упрощения предварительных расчетов на начальной стадии проектирования и для разработки требуемой механической модели для проведения поверочных расчетов.

2. Предложена упрощенная методика выбора параметров эквивалентного цикла механических напряжений для расчета циклической прочности ВК и дивертора реактора-токамака при импульсном нагружении. Так, эквивалентное повреждение в элементах конструкции при величине относительного демпфирования £=0.02 имеет место при амплитуде эквивалентного цикла, равной максимальной амплитуде реальных колебаний, и числе таких эквивалентных циклов, равном 4.

3. Предложена модификация методики анализа нелинейной устойчивости конструкций, объединяющая рекомендации различных Норм прочности в части, касающейся метода расчета, модели поведения материала и учета начальных несовершенств в конструкции. Применение методики позволило точнее определить критические нагрузки и коэффициенты запаса для ВК.

4. Разработаны и верифицированы механические модели ВК и кассеты дивертора реактора ИТЭР, позволяющие с требуемой точностью проводить расчеты их прочности. Определены динамические характеристики ВК и кассеты. Численное тестирование моделей показало, что при действии нестационарных электромагнитных нагрузок более эффективным методом динамического расчета является метод прямого пошагового интегрирования. Использование метода модальной суперпозиции при числе учитываемых собственных форм менее 110 для этих конструкций некорректно, а использование их большего числа неэффективно из-за плохой сходимости суммирования динамической реакции от множества тонов возбуждаемых колебаний.

5. Проведен анализ динамического поведения ВК и кассеты дивертора ИТЭР при действии расчетных ЭМН, показавший, что коэффициенты динамичности для многих основных элементов этих конструкций можно сверху оценить величиной, близкой к ~1.5. Таким образом, учет динамики нагружения ВК и кассеты является необходимым условием при расчете их прочности и прогнозировании ресурса. Результаты анализа, показавшие превышение допускаемых значений для механических напряжений в элементах кассеты, позволили сформулировать предложения по изменению их конструкции для снижения ЭМН и механических напряжений. Так, предложено ввести электрические разъемы в полоидальной плоскости вертикальных мишеней для снижения ЭМН от вихревых токов. Изменение конструкции центральной сборки привело к снижению напряжений в ее опорах до допускаемого уровня. Результаты динамического анализа могут использоваться при сравнении вариантов элементов конструкции ВК и дивертора, для планирования динамических испытаний, прогнозирования ресурса, выбора параметров аппаратуры и схемы размещения датчиков диагностики реактора при эксплуатации.

6. Проведен анализ влияния механических свойств бронзовой теплоотводящей подложки теплоприемного элемента дивертора ИТЭР, выполненного в виде моноблока с облицовкой из углеродного композита, на прочность и ресурс при циклическом тепловом нагружении. В результате выбрана бронза со свойствами, обеспечивающими наибольший ресурс трубки охлаждения моноблока. Предложены конструктивные размеры, позволяющие уменьшить общее число моноблоков и снизить стоимость изготовления дивертора в целом. Определено, что в случае воздействия радиации и уменьшения толщины облицовки для уточнения оценки долговечности моноблока нужно принимать во внимание постоянное изменение его НДС при эксплуатации. В противном случае, наиболее консервативной является оценка, основанная на максимальных размахах деформаций, отвечающих середине периода эксплуатации. В то же время оценка, основанная на величинах размахов деформаций, отвечающих только началу или только концу периода эксплуатации, является слишком оптимистичной. Влияние радиации уменьшило допускаемое число циклов нагружения для бронзовой трубки моноблока в ~2.5 раза.

7. Проведенный анализ показал значительное влияние ползучести на прочность и ресурс ТПЭ дивертора ИТЭР с облицовкой из прямоугольных вольфрамовых плиток. Например, учет деформаций ползучести в гипервапотроне уменьшил допускаемое число циклов тепловой нагрузки для его бронзовой подложки в ~2 раза. Таким образом, для создания надежных конструкций ТПЭ следует проводить их циклические испытания с выдержками, а при прогнозировании ресурса принимать во внимание не только число нагружений, но и продолжительность действия тепловой нагрузки.

Полученные в диссертации результаты использовались при проектировании и вошли в документацию технического проекта ИТЭР. Предложенные методики и аналитические оценки применялись при расчете прочности вакуумных камер и внутрикамерных элементов других электрофизических установок (Туман-ЗМ, ИФТ, ТСП, Глобус-М, Т-15М, КТМ, DEMO).

Заключение

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Комаров, Виктор Михайлович, Санкт-Петербург

1. ITER Interim Structural Design Criteria, Section A, S 74 RE 2 96-06-18 W 1.1

2. Бирбраер A.H., Шульман С.Г. Прочность и надежность конструкций АЭС при особых динамических воздействиях: Москва, Энергоатомиздат, 1989.

3. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок (ПНАЭ Г-7-002-86)/Госатомэнергонадзор СССР.- М.: Энергоатомиздат, 1989.-525 с.

4. Damping Values for Seismic Design of Nuclear Power Plants. Regulatory Guide161 //U.S. Atomic Energy Commission. Oct. 1973.

5. ITER Material Assesment Report, Appendix C. Recommended Physical and Mechanical Properties of Materials for In-Vessel Components, G 74 MA 10 01-07-11 W 0.2

6. ITER Material Properties Handbook. Inconel 625. S 74 MA 2. Publication package7. 2001

7. Belov A.V., Doinikov N.I., Duke A.E., Kokotkov V.V., Kotov V.L., Kuchtin V.P., Lamzin E.A., Sytchevski S.E.Transient electromagnetic analysis in tokamaks using TYPHOON code //Fusion Engineering and Design 31 (1996), pp.167-180.

8. Technical Basis for the ITER Final Design Report, Chapter 2.2, ITER,G AO FDR 1 01-03-05 W0.2

9. ITER Materials Assessment Report, G A1 DDD1 98-05-28 W 0.3, 1998.

10. Kalinin G. M. Design Allowable Specification of the Irradiated Copper Alloys //IdoMS: G 74 MD 2 00-06-30 W 0.1

11. ITER Material Properties Handbook. Tungsten. Publication package 6,1998

12. ANSYS, User's Manuel Volume III Elements 00049 Updo ANSYS Revision 5.2, SAS IP August 31, 1995

13. Мэнсон С. Температурные напряжения и малоцикловая усталость. М.: Машиностроение, 1974. - 344 е.: ил.

14. Подстригач Я.С., Бурак Я. И., Гачкевич А. Р., Чернявская J1. В. Термоупругость электропроводных тел. Киев, "Наукова думка", 1977. -248 с.

15. Тимошенко С. П. Колебания в инженерном деле: Москва, " Наука", 1967

16. ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section VIII Rules for construction of Pressure Vessels, Division 2 -Alternative Rules, Appendix4, 4-136.5, Appendix 6, 6153. 1992 Edition, United Engineering Center, New York

17. Махутов H.A., Фролов K.B., Стекольников B.B. и др. Прочность и ресурс водо-водяных энергетических реакторов. М.: Наука, 1988 311 с. -(Исследование напряжений и прочности ядерных реакторов).

18. Коллинз Дж. Повреждение материалов в конструкциях. Анализ, предсказание, предотвращение: Пер. с англ. — М.: Мир, 1984.-624 е., ил.

19. Vacuum Vessel Design and Analysis. EUHT Final Report on task agreement G15TD38.01 FE (D460-E-1), October 2001, EFET, Contract No.: ERB 5004 CT, Task Order No.: EFDA-93/851-GO

20. Пановко Я.Г. Основы прикладной теории колебаний и удара.- Л.: Политехника. 1990, 272 е.: ил.

21. Работнов Ю. Н. Механика деформируемого твердого тела. М.: Наука. 1979.-744 с.: ил.

22. Vacuum Vessel Design and Analysis. JAHT Final Report on task agreement G15TD39.02 FJ (D460-J-2), June 7, 2001, JAERI.

23. Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Иосилевич Г.Б. Расчет на прочность деталей машин. Справочник. -4-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1993. -640 е.: ил.

24. Шиманский Ю.А. Динамический расчет судовых конструкций. —Л.: Судпромгиз, 1948. 408 е.: ил.

25. Кузнецов О.А., Погалов А.И. Прочность паяных соединений. — М.: Машиностроение, 1987 К 89 -112 е.: ил.

26. Berchov N.F., Bykov V.A., Komarov V.M., Korolkov M.D., Mazul I.V. 3D stress analysis of ITER divertor cassette under thermal and electromagnetic loads //Plasma Devices and Operations, 1998,Vol. 6, pp. 65-72.

27. Komarov V., Labusov A., Malkov A. Acceptable mechanical properties of CuCrZr cooling tubes of ITER divertor plasma facing components //Plasma Devices and Operations, 2002,Vol. 10, pp. 17-26.

28. Астапкович A.M., Комаров В.М., Садаков С.Н., Филатов В.В. Численное моделирование нестационарных электромагнитных процессов в вакуумной камере ИТЭР. -М., ЦНИИатоминформ, 1989. 15 с. (Препринт/НИИЭФА: Б-0835)

29. Аттестационный паспорт № 145 программного средства ANSYS 5.2-5.7. НТЦ по ядерной и радиационной безопасности, Госатомнадзор России, 31.10.2002.

30. Komarov V., Labusov A. Lifetime of Irradiated ITER Divertor. Heat Sink //Plasma Devices and Operations, 2003, Vol.11(1), pp.29-37

31. Чумакова И. В., Вайнерман А.Е., Архипова Л.Т. Сварка медных сплавов со сталями //Тезисы докладов III-й международной конференции "Радиационное воздействие на материалы термоядерных реакторов", 26-28 сентября 1994 г., С.Петербург, с.51-52.

32. Бирбраер А.Н. Расчет конструкций на сейсмостойкость.- СПб.: Наука, 1998.- 255 е., ил.70.

33. Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчет индуктивностей: Справочная книга, -3-е изд., перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат, 1986. — 488 е.: ил.

34. Балина B.C., Мядякшас Г.Г. Прочность, долговечность и трещиностойкость конструкций при длительном циклическом нагружении. СПб.: Политехника, 1994.-204 е.: ил.

35. Ден-Гартог Дж. П. Механические колебания. М.: Государственное издание физико-математической литературы, 1960. - 580 е.: ил.

36. ITER Design Description Document of WBS 1.5 Vacuum Vessel. G 15 DDD 4 01-06-25 R0.1. ITERGarching JWS, June 2001.

37. Лизин В. Т., Пяткин В. А. Проектирование тонкостенных конструкций. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1985. - 344 е.: ил.

38. Качанов JI. М. Основы теории пластичности. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Наука, 1969. - 420 е.: ил.

39. Вольмир А. С. Устойчивость деформируемых систем. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Наука, 1967. - 984 е.: ил.

40. Под редакцией В. А. Чуянова. Ядерная и термоядерная энергетика будущего. М.: Энергоатомиздат, 1987. - 192 е.: ил.

41. Тимошенко С. П. Прочность и колебания элементов конструкций.- М.: Наука, 1978. 704 е.: ил.

42. М. Verrecchia. FEAT category III FAST/SLOW DOWNWARD/UPWARD VDE simulations G 73 MD 34 00-04-19 W0.1, ITER Garchin JWS, 19 April, 2000.

43. G.Pautasso, O. Gruber. Study of disruptions in ASDEX UPGRADE. Fusion science and technology, Max-Planck-Institute fur Plasmaphysik, Garching, Germany,V. 44, pp. 716-729.

44. Серенсен С. В., Когаев В. П., Шнейдерович Р. М. Несущая способность и расчеты деталей машин на прочность. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машгиз, 1963.-452 е.: ил.

45. Гейтвуд Б. Е. Температурные напряжения. М.: Издательство иностранной литературы, 1959. - 350 е.: ил.

46. Тимошенко С. П. Сопротивление материалов, т. И. Более сложные вопросы теории и задачи. М.: Наука, 1968. - 480 е.: ил.

47. Seismic Analysis of the Full ITER-FEAT Tokamak Structure. RFHT Final Report on task agreement No.: G81TD03 FR (D457), IDOMS: G73RE13 00-07-12 W 0.2, November 29,2000, NIIEFA.

48. Елисеев В. В. Новые разделы теории упругости: дефекты, разрушение и композиты. С.-Петербург: СПГТУ, 1995. - 68 е.: ил.

49. Феодосьев В. И. Десять лекций-бесед по сопротивлению материалов. 2-е изд., стереотипное М.: Наука, 1975. - 176 е.: ил.

50. P. Barabaschi. Load Specification and Combination. DRG Annex. G AO MA 0106-11 W0.2, ITER GarchingJWS, June 11, 2001, pp. 18-20.

51. Иродов И. E. Электромагнетизм. Основные законы. 3-е изд., испр. М.: Лаборатория базовых знаний, 2000. - 252 е.: ил.

52. Астапкович А.М., Комаров В.М., Садаков С.Н. Расчет электродинамических нагрузок на вакуумную камеру компактного токамака при срыве тока плазмы. -М., ЦНИИатоминформ, 1988. 17 с. (Препринт/НИИЭФА: Б-0790)

53. Астапкович A.M., Комаров В.М., Садаков С.Н., Филатов В.В. Результаты численного исследования переходных электромагнитных процессов при срыве тока плазмы в установке ИТЭР. М., ЦНИИатоминформ, 1990. - 17 с. (Препринт/НИИЭФА: Б-0850)

54. Borovkov A.I., Bykov V.A., Komarov V.M., Mazul I.V., Semenov A.S. 3D thermal elasto-plastic analysis of ITER divertor high heat flux elements //Plasma Devices and Operations, 1998,Vol.6, pp.55-63

55. Barthel Th., Ioki K., Komarov V., Krylov V., Kuzmin E., Labusov I., Miki N., Onozuka M., Rozov V., Sannazzaro G., Tesini A., Utin Yu., Yamada M. Vacuum vessel port structures for ITER-FEAT //Fusion Eng. and Design 58-59 (2001) 821825

56. Giniyatulin R., Komarov V., Labusov A., Labusov I., Makhankov A. Stress analysis and lifetime evaluation of ITER divertor high heat flux components of the hypervapotron type //Plasma Devices and Operations, 2002,Vol. 10, pp27-37.

57. Berkhov N., Komarov V., Labusov A., Labusov I., Malkov A. Dynamic analysis of ITER divertor cassette under electromagnetic loads //Plasma Devices and Operations, 2004,Vol.12, No.l, pp. 11-17.

58. Амбарцумян С.А., Багдасарян Г. Е., Белубекян М. В. Магнитоупругость тонких оболочек и пластин. М.: Наука, 1977. - 272 е.: ил.