Разработка и имитационные исследования термостойкости моделей внутрикамерных компонент термоядерных реакторов - токамаков тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

На правах рукописи УДК 621.039.

Гнвнятулнн Радмнр Нтгшмовнч

РАЗРАБОТКА И ИМИТАЦИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕРМОСТОЙКОСТИ МОДЕЛЕЙ ВНУТРИКАМЕРНЫХ КОМПОНЕНТ ТЕРМОЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ - ТОКАМАКОВ

01.04.13 - электрофизика, электрофизические установки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2003

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте электрофизической аппаратуры им Д. В. Ефремова.

Научный руководитель: Научный консультант:

Официальные оппоненты:

Вё'дущая организация:

доктор технических наук, профессор Саксаганский Георгий Леонидович

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Мазуль Игорь Всеволодович

доктор технических наук, старший научный сотрудник Энгелько Владимир Иванович

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Люблинский Игорь Евгеньевич

Московский государственный инженерно-физический институт (государственный университет)

Зашита состоится "2.М " 2003 г. в £3_ часов на заседании

диссертационного совета Д.201.006.01 при Научно-исследовательском институте электрофизической аппаратуры им Д. В. Ефремова в помещении Клуба ученых НИИЭФА (196641, Санкт-Петербург, п. Металлострой, ул. Полевая, д.12).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЭФА.

Автореферат разослан « ¡■¿¿О^ЛлЯ^ 2003 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор Шукейло И. А.

Актуальность проблемы

Важнейшей задачей на современном этапе освоения термоядерной энергетики является формирование инженерно-физических основ создания термоядерных реакторов (ТЯР). В настоящее время эти работы сконцентрированы вокруг проекта Международного Термоядерного Экспериментального Реактора (ИТЭР). Один из ключевых вопросов его проектирования - обеспечение работоспособности заменяемых энергонапряженных внутрикамерных компонент (ЭНВК). К ним относятся дивертор и лимитеры, находящиеся в непосредственном контакте с плазменным шнуром. Их напряженный режим работы обусловлен комплексом повреждающих факторов, в числе которых мощные тепловые и корпускулярные потоки, нейтронное облучение, электромагнитные нагрузки и циклический режим работы.

При разработке ЭНВК необходимо учитывать не только отдельные деструктивные факторы, но и синергетические эффекты их совместного воздействия. Это сложная и многогранная задача большого круга специалистов, лабораторий и научных центров стран-участниц проекта ИТЭР, которая в принципе не может быть решена только расчетными методами. Поэтому, конструкторско-технологическое макетирование и экспериментальные испытания моделей ЭНВК, имитирующие различные факторы по отдельности или в каком-то сочетании, являются обязательной стадией проектирования. Среди таких изысканий особое место занимает изучение влияния циклического теплового воздействия на работоспособность ЭНВК. Данный способ исследований позволяет сравнивать стойкость различных материалов и соединений к термоудару и циклическому тепловому воздействию, выбирать наиболее эффективные технологии изготовления ЭНВК и оценивать их ресурс при проектных условиях эксплуатации.

Названные обстоятельства определяют актуальность представленной диссертации.

Цель работы

Разработка конструктивных решений и технологических приемов, обеспечивающих моделирование и создание перспективных вариантов 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 ИТ

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 могут быть 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.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, трёх глав и заключения и содержит 154 страницы машинописного текста, 103 рисунка, 22 таблицы и список литераторы из 86 наименований.

Апробация работы

Результаты выполненных исследований и разработок представлены на всероссийских конференциях «Инженерные проблемы термоядерных реакторов» (Ленинград, октябрь 1990; Санкт-Петербург, май 1997; Санкт-Петербург, октябрь 2002); международной конференции «Исследования и разработка конструкционных материалов для реакторов термоядерного синтеза», Дубна, январь 1990; международных симпозиумах по термоядерным технологиям (Рим, сентябрь 1992; Карлсруэ, август 1994; Марсель, сентябрь 1998; Мадрид, сентябрь 2000); международных симпозиумах по ядерным технологиям УТС (Токио, апрель 1997; Рим, сентябрь 1999; Сан-Диего, апрель 2002); международной конференции по материалам для реакторов термоядерного синтеза (Сендай, октябрь 1997); международных совещаниях «Бериллиевые технологии для термоядерного синтеза» (Джексон-лэйк, сентябрь 1995; Мито, октябрь 1997; Карлсруэ, сентябрь 1999); международном симпозиуме по инженерным проблемам термоядерного синтеза (Альбукерк, ноябрь 1999) и опубликованы в 33 печатных работах. В автореферат вынесено 14 работ.

Созданные модели энергонапряженных компонент прошли испытания на имитационных установках в НИЙЭФА им Д.В.Ефремова, ВНИИНМ им A.A. Бочвара, НПО «Композит», KFA (Юлих, Германия), SNLA (Альбукерк, США) и на действующем токамаке TEXTOR (Юлих, Германия).

Содержание работы

Во введении описаны функции и условия эксплуатации ЭНВК проектируемого международного экспериментального термоядерного реактора-токамака ИТЭР. Проанализированы основные физические факторы, влияющие на

ресурсные характеристики ЭНВК. Обоснована актуальность диссертационной работы, её цели и методы их достижения.

Первая глава посвящена вопросам разработки и моделирования перспективных вариантов лимитера, баффла и вертикальной мишени дивертора ИТЭР. В качестве базовой использовалась концепция «многослойной» ЭНВК. В её основе лежит разделение функций восприятия теплового потока и его передачи охлаждаемой подложке. Для изготовления облицовочных пластин используются термостойкие материалы, а главным требованием к материалу подложки является высокая теплопроводность. Их надежное соединение должно обеспечивать максимальную теплопередачу. Многослойная конструкция наилучшим образом соответствует функциональному назначению и условиям эксплуатации ЭНВК и отвечает мировой практике. В частности, по этой идеологии разработаны ЭНВК токамаков JET, JT-60, D-III-D, ASDEX и др. Однако, их эксплуатационные условия далеки от требований ИТЭР. Поэтому, имевшийся к началу диссертационной работы научно-технологический опыт был недостаточен для разработок ЭНВК ИТЭР.

Сформулированы цели создания моделей:

- оптимизация геометрических параметров облицовки;

- отработка технологических методов создания фрагментов конструкций;

- тестирование используемых материалов, соединений и фрагментов конструкций;

- определение предельных тепловых потоков для различных геометрий облицовки и для разных способов соединений многослойных конструкций;

- масштабирование технологий соединения применительно к крупноразмерным моделям компонент.

Сформулированы инженерно-физические и экономические критерии и обоснован выбор геометрии моделей. Минимальная ширина малых моделей составляет 20-30 мм, а длина - < 100 мм. Для крупноразмерных моделей минимальная ширина <50 мм, а длина - >500 мм, при этих соотношениях количество облицовочных плиток обеспечивает представительность моделирования и испытаний. Показано, что прямоугольная форма облицовочной плитки оптимальна, а её толщина 5-20 мм определяется предельно допустимой температурой эксплуатации и эрозионным сроком службы.

Разработанные модели выполнены в виде плоской многослойной конструкции: облицовка - промежуточный слой - теплоотводящая подложка -несущий силовой блок. Облицовка выполнялась из термостойких материалов, совместимых с термоядерной плазмой (бериллий, графит и вольфрам).

Промежуточный слой из меди необходим в качестве демпфирующего материала между элементами, существенно отличающимися коэффициентами температурного расширения. Теплоотводящая подложка выполняется из медных сплавов (МАГТ, СиСгёг). Материалом несущего блока служит нержавеющая сталь. Для обеспечения условий теплосъема облицовка и подложка должны иметь соединение с хорошим тепловым контактом. Кроме того, данное соединение должно обладать достаточной прочностью, обеспечивающей его целостность в условиях циклических знакопеременных термонапряжений.

Описаны технико-технологические методы создания многослойных моделей ЭНВК. Автором использовано несколько способов соединений: диффузионная сварка, пайка, наплавка меди на сталь и вольфрам. Исходя из анализа комплекса ' требований к параметрам технологических процессов, литературных данных и имеющихся технических средств, автором разработаны и реализованы:

- процедура «быстрой» (1-3 град/с) пайки широкого ряда малых моделей различных ЭПВК с бериллиевой и вольфрамовой облицовкой, в т.ч. криволинейных, с применением электроннолучевого нагрева;

- режим пайки крупноразмерных элементов с использованием электроннолучевого нагрева, что позволило выполнить пайку двух элементов (Ь~1м) среднеразмерной модели вертикальной мишени;

- методика пайки крупноразмерных элементов баффла токовым нагревом -расчетным путем определена динамика нагрева и охлаждения, реализован метод импульсного нагрева, позволяющий существенно снизить неравномерность температуры вдоль изделия, реализована пайка двух полноразмерных элементов-ветвей (Ь~1м) баффла при требуемых параметрах: Тпа|1КИ=800 °С,

, Упольгма= 3-5 град/с, X выд. при ДТ=450-800 °С < 600 с;

- методики пайки крупно-размерных моделей стартового лимитера двухпанельная модель лимитера (300x90x300 мм3), в силу её конструктивных

► особенностей, паялась в традиционной изотермической печи, другая,

однопанельная модель (500x45x400 мм3), паялась на токовом стенде «Пекло», для чего автором предложена методика нагрева, основанная на разнице электропроводности (и соответственно тепловыделения) бронзы и нержавеющей стали.

Сравнительный анализ способов пайки, основанных на разных методах нагрева, показал, что при омическом нагреве (прямым пропусканием тока) легче всего обеспечить оптимальный режим процесса. Кроме того, за счет теплоемкости недогретой части изделия можно ускорить процесс охлаждения.

Дано детальное описание конструктивно-технологических особенностей и характеристик моделей ЭНВК, созданных и испытанных в процессе диссертационной работы.

Малоразмерные модели позволили решить следующие задачи:

- сравнение пайки и диффузионного соединения бериллия с бронзой;

- сравнение пайки и наплавки для соединения вольфрама с медью, отработка способов пайки криволинейной облицовки;

- оптимизация (расчетная и экспериментальная) геометрических параметров облицовки;

- определение предельных тепловых потоков для различных способов соединений и геометрических размеров;

- отработка экономичных способов создания компонент, тестирование ЭНВК при проектных циклических тепловых нагрузках.

Всего автором реализовано нескольких десятков малоразмерных моделей. Наиболее представительные из них представлены на Рис. 1. Для умеренно нагруженных компонент размер облицовки находился в диапазоне (20х20х] 0-44x44x10)мм3, а для сильно нагруженных - (5х5х5-20х20х5)мм3. Отработанные способы соединения и оптимизированные геометрические параметры применены при создании крупноразмерных изделий - баффла и вертикальной мишени дивертора и стартового лимитера ИТЭР. Их успешные испытания продемонстрировали эффективность разработанных методик, применимость и работоспособность выбранных материалов, способов соединения и геометрических параметров фрагментов ЭНВК.

Во второй главе описан комплекс технических и методических средств для имитации теплового воздействия на модели ЭНВК.

Сопоставлены возможные способы имитации теплового воздействия на ЭНВК. Показано, что наиболее подходящим средством имитации является нагрев электронным пучком. Проведена оценка адекватности такого нагрева плазменному воздействию. Показано, что электронные пучки с энергией 10-400 кэВ и длительностью ~10с обеспечивают требуемый температурный градиент в многослойной конструкции. Отмечена необходимость создания экспериментальных установок для имитационных экспериментов с мощными стационарными тепловыми потоками. Обоснованы их параметры: мощность О- 60-К200 кВт, плотность теплового потока до 100 МВт/м2, длительность воздействия т- от долей секунды до стационарного, профиль тепловой нагрузки - от неподвижного колоколообразного до прямоугольного, площадь облучения в- до 1м2.

Малоразмерные модели

Крупноразмерные модели

«г»

8=20х80мм2

Ветвь баффла ИТЭР:

5=20x60 мм

5 £

О

5=44x90 мм

«у.X

8-20x50 мм

гивС

5= 20x100 мм2 20x100 мьг2

1.-0.8 м; Бве&ч. = 45x800 мм" Модель стартовог о лимитера ИТЭР:

эве- уухчии мм Модель вертикальной мишеки дивертора ИТЭР:

Ю 6 м; Яда - 54x600 мм'

Лимитер для токамак «ТЕКСТОР»:

Рис. 1. Модели энергонапряженных компонент ТЯР

К началу диссертационной работы исследовательских установок с требуемыми параметрами не существовало. Так, в мощном (до 10 МВт) инжекторе нейтралов «JET Neutral Beam Test Bed» (Великобритания) не обеспечивается равномерности тепловой нагрузки. Установки лучистого нагрева (до 1 МВт) «Fiwatka» (Германия) и «Beta» (Италия) не дают нужной плотности мощности. Плазменные ускорители типа PISCES (США) и «Лента» (Россия) не обеспечивают требуемых профилей и плотностей тепловых нагрузок.

Поэтому, при непосредственном участии автора на базе имеющегося промышленного и лабораторного оборудования, было подготовлено несколько электроннолучевых имитационных установок, схема одной из них (ЭМО-бО) представлена на Рис. 2, а их параметры - в Таблице 1.

Экспериментальный комплекс ^ «ЭМО-бО» создан на базе электроннолучевой плавильной установки во ВНИИНМ им.А.А.Бочвара. Комплекс оснащен специальными

устройствами: мишенным устройством, позволяющим устанавливать одновременно до 50 объектов испытаний; мишенной камерой с коллиматорами и

энергоприемником; средствами измерений параметров

электронного пучка (зонды), теплового потока

(калориметры), температуры i (пирометры, термопары); системой управления электронным лучом и мишенным устройством; системой охлаждения моделей и мишенного устройства.

Установка «СТИ» создана на базе опытно-промышленного стенда для тепловых испытаний лазерных зеркал (НПО «Композит»), Её принципиальная особенность -возможность работы с бериллиевыми образцами. Для проведения термоциклических испытаний моделей ЭНВК с бериллиевой облицовкой установка дооснащена мишенным устройством и системой измерений параметров тепловых потоков.

Токоприемник

Отклоняющие и фокусирующие катушки

Пирометр

Водоохлаэвдаемая маска-коллиматор

Вращаемый мишенный стол

Микроскоп

■ Исследуемый

образец Мишенная камера

электропривод

Рис. 2. Функциональная схема электроннолучевой установки (ЭМО-бО) для имитации тепловых нагрузок

Параметр ЭМО-бО СТИ Цефей

Макс, мощность в пучке, Вт 60-80* 103 60* 103 60-80* 103

Энергия электронов, кэВ 20-22 60 20-30

Максимальный ток пучка, А 3.5 1.0 3.5

Диаметр пучка, мм >5 2:3 5:10

Длительность возд., с 0.01-стационарно 0.1 -стационарно 0.1 -стационарно

Максимальна плотность мощности, МВт/м2: - Неподвижный луч - Сканирование 160 40 (4x4 см2) 250 40 (4x4 см2) 100 30

Частота сканирования, Гц 50-800 (оси х,у) 25 (ось у) и 10000 (ось х) 1000 (оси х,у)

Давление в вакуумной камере, Па Ю"4 10"* ю-4

Максимальная площадь облучения, см2 100 (8=10x10 см2) 100 (8=10x10 см2) Э=500х500

Направленность экспериментов Термоударные и термоциклические эксперименты с «С,\У-моделями и образцами» Термоциклические эксперименты с «Ве-моделями» Термоциклические эксперименты с «С, Ве, \У-моделями» и технологические операции

Авторский вклад Мишенное устройство, диагностика пучка и тепловых потоков, система питания и управления пучком, методики имитации тепловых нагрузок, проведение испытаний

Установка «Цефей» создана в НИИЭФА им.Д.В.Ефремова в начале 90-х годов как специализированный экспериментально-технологический комплекс. На основе опыта, накопленного на установках ЭМО-бО и СТИ, были разработаны основные компоненты важнейшего узла - мишенного устройства, состоящего из водоохлаждаемого стола с объектами испытаний, набором сменных или регулируемых масок-коллиматоров для отсечения ореолов пучка и со средствами измерений параметров теплового потока.

Для испытаний крупноразмерных моделей ЭНВК автором разработаны схемы, ориентированные на применение мощных (0.5-6.0 МВт) промышленных электроннолучевых установок. Для установки ЭДП-07/500 (ВНИИНМ им.А.А.Бочвара) разработано мишенное устройство с системой измерений параметров тепловых потоков и определены параметры системы управления электронными пучками.

Для изучения многофакторного воздействия на фрагменты конструкций ЭНВК, автором реализовано устройство для испытаний в ядерном реакторе СМ-3 (НИИАР). Оно позволило провести испытания охлаждаемых моделей с бериллиевой облицовкой при одновременном воздействии трёх повреждающих факторов -циклической тепловой нагрузки, нейтронного облучения и водородной среды. Этот эксперимент стал началом отдельного направления подобных имитационных исследований.

В рамках выполнения задач диссертационной работы автором предложен и реализован комплекс методик, позволяющий имитировать поверхностные тепловые нагрузки в различных экспериментах:

а) при изучении стойкости кандидатных материалов и неохлаждаемых фрагментов конструкций к термоудару большое количество образцов должно испытывать воздействие одинаковых тепловых импульсов длительностью 0.1-5 с при плотности мощности 0.5-10 МВт/м2. Контроль мощности осуществлялся путем периодических измерений с помощью калориметров и зондов. Длительность теплового импульса контролировалась продолжительностью импульса в отклоняющих катушках. Требуемый размер поля облучения реализовывапся набором охлаждаемых медных или неохлаждаемых молибденовых диафрагм различной площади (5x5,10x10,20x20 и 20x100 и 40x40 мм2). Методика реализована на установке ЭМО-бО при исследованиях образцов из аустенитных сталей и сплавов, ферритных и ферритно-мартенситных сталей, тугоплавких металлов, углеграфитовых материалов, а также неохлаждаемых фрагментов конструкций;

б) при сравнительном анализе различных марок материалов на стойкость к циклическому тепловому воздействию требовалось испытать большое количество (60 шт., 14 марок) одинаковых неохлаждаемых образцов в одинаковых условиях. Требовалось воспроизвести импульсное циклическое воздействие в приповерхностном слое с получением заданного градиента температуры. Реализован метод облучения пакета образцов электронным пучком при низкочастотном (~1 Гц) сканировании. В пятне диаметром 2 мм низкий тепловой поток (1-1.5 кВт) обеспечивал плотность до 100 МВт/м2. При толщине образца Змм

продолжительность однократного теплового воздействия составляла 0.06с, что обеспечивало повышение температуры в приповерхностном слое в заданном диапазоне (25-700 °С). Методика разработана в соавторстве с Р.Ватсоном и реализована на установке ЕВТ5 (лаборатория 8ЫЬА, США) при испытаниях бериллиевых образцов. В дальнейшем таким же образом испытывались вольфрамовые образцы. Методика перспективна в различных экспресс-экспериментах (например - в горячих камерах);

в) при аналогичных испытаниях образцов соединений различных материалов тождественность температурных полей в биметаллических образцах обеспечивалась их частичным погружением в водоохлаждаемую ванночку с жидким галлием. Слой галлия между образцом и дном ванночки обеспечивал тепловой контакт и позволял оперативно заменять образцы. Дополнительный перепад температур в контактном слое измерялся с помощью термопар и учитывался при планировании экспериментов. Эта методика реализована на установке «Цефей» при испытаниях соединений бериллия с медными сплавами;

г) при тестировании неохлаждаемых моделей соединений «облицовка-подложка» для обеспечения температурных и термомеханических полей, соответствующих проектным, предложено перфорировать подложку модели каналами, параллельными плоскости контакта. Подбирая длительность воздействия (0.1-0.5 с) и плотность Мощности (5-30 МВт/м2), можно достичь требуемых градиентов температуры, и соответственно, полей термомеханических напряжений по сечению модели в неустановившемся режиме. Эта методика реализована на установке ЭМО-бО в экспериментах с моделями с графитовой и вольфрамовой облицовками;

д) при экспериментальном определении предельных тепловых потоков на моделях ЭНВК для сокращения продолжительности испытаний увеличивалась мощность облучения до 20 МВт/м2 при количестве термоциклов (1-4)* 10"3. Показано, что длительность термоцикла при имитации можно уменьшить до 25 с (1,шрева=15с + 1паузы=10 с), т.к. в штатном режиме длительность теплового нагружения составляет 400 с. Зоны сканирования электронного потока варьируются в пределах (20x20-5-40x80) мм2 - (90x1000) мм2. Методика реализована на установках: ЭМО-бО -с малоразмерными моделями с графитовой и вольфрамовой облицовкой; СТИ - с малоразмерными моделями с бериллиевой облицовкой; «Цефей» - с мало- и крупноразмерными моделями с бериллиевой и вольфрамовой облицовкой;

е) в экспериментах по имитации циклических тепловых нагрузок в условиях нейтронного облучения и водородной среды для нагрева моделей использовался тепловой поток, эмитируемый танталовым блоком, нагретым ядерным излучением.

Зазор между блоком и моделями заполнялся водородом, что обеспечивало теплопередачу по газовому зазору и наличие водородной среды. Цикличность теплового нагружения осуществлялась путем периодического помещения сборки в активную зону. Методика успешно реализована в первом демонстрационном эксперименте в канале ядерного реактора СМ-3.

Для диагностики и измерений физических параметров в процессе имитационных экспериментов использовались:

- система неподвижных токовых зондов (качественное измерение профиля электронного пучка);

- теплоаккумулирующие и градиентные калориметры (измерение плотности и абсолютного значения теплового потока с точностью 5-10%);

- термопарные преобразователи (объемная термометрия, точность 1-3%);

- инфракрасные камеры и оптические пирометры (поверхностная термометрия, точность 5-10%).

Для обеспечения необходимой точности измерений и сопоставимости их результатов осуществлялась систематическая калибровка аппаратуры.

В третьей главе проанализированы результаты выполненных имитационных исследований моделей со всеми тремя видами облицовочных материалов -графитом, бериллием и вольфрамом.

а) Модели с графитовой облицовкой

Экспериментально подтверждена длительная работоспособность неохлаждаемой облицовки диверторной мишени и защитных экранов токамака ИФТ-1 (я„ом=6 МВт/м2, т~2с) и подвижной диафрагмы установки Т-15 (Чном.=14 МВт/м2, т ~2с). По итогам испытаний неохлаждаемых фрагментов ЭНВК из различных графитовых материалов и с разными способами крепления выявлено преимущество образцов из графита РГТК и рекомендована геометрия с плоскими пазами для крепления.

Испытания охлаждаемых моделей дивертора позволили сделать вывод, что паяная конструкция типа моноблок с облицовкой из графита РГТК и с молибденовой трубкой охлаждения работоспособна при циклических тепловых потоках 10-15 МВт/м2.

б) Модели с бериллиевой облицовкой

Испытания малых моделей, выполненных на установках Цефей, СТИ, ЭМО-бО и ЕВТБ, позволили сделать следующие выводы (Рис. 3):

- разрушения соединений бериллий-медь вызваны наличием хрупких интерметаллидных слоев СиВе и Си2Ве, превышением предела прочности соединения при стационарном тепловом потоке и ростом микродефекта в зоне соединения при термоциклировании;

- повреждения облицовки при термоциклировании представляют собой сетку микротрещин в приповерхностном слое, при правильной ориентации структуры (параллельно тепловому потоку), трещины ориентированы параллельно тепловому потоку и не сказываются на работе соединения;

- повреждения в облицовке и в зоне соединения не приводят к повреждениям материала теплоотводящей подложки;

- модели с диффузионным соединением бериллий-бронза по предельному тепловому потоку уступают паянным, поэтому предпочтительным способом соединения облицовки с теплоотводящей подложкой является пайка;

- модели умеренно нагруженных компонент с облицовочными плитками 44x44x10 мм3 имеют предельный я -2.5 МВт/м2 и надежно работают при 4=1.5-2.0 МВт/м2 в течение 2000-3000 циклов теплового нагружения;

- модели сильно нагруженных компонент с облицовкой толщиной 7-10 мм и размером в плане (5х5)мм2-(10х10)мм2, показали надежную работу при потоках 6-7 МВт/м2 в течение 1000 циклов;

- модели сильно нагруженных компонент с облицовкой толщиной 5 мм и размером плиток в плане от 5x5 мм2 до 20x20 мм2 выдерживают предельный я=16-12 МВт/м2, вплоть до плавления поверхности бериллия. Термоусталостные испытания моделей с облицовкой 5x5x5 мм3, испытанные на двух установках («Цефей» и «ЕВТБ») при я=12-13 МВт/м2 в течении 1000-4500 термоциклов, одинаково показали их надежную работу и стали рекордным результатом;

- модели, испытанные в условиях нейтронного облучения и водородной среды при Я=3.5 МВт/м2 выдержали 100 термоциклов без видимых повреждений, доза облучения составила 2.5* Ю20 н/см2;

- расчетные температурные поля, полученные для различных моделей, хорошо согласовывались с экспериментальными результатами.

По результатам испытаний крупноразмерных моделей, выполненных на установке

Цефей, сделаны следующие выводы:

- показана требуемая работоспособность модели баффла ИТЭР (Ь~ 0.8 м) в виде многослойной конструкции Ве/СиСгёг^ при я=1.5 МВт/м2 и N-1000, отработанной на малых моделях и перенесенную на крупноразмерное изделие;

- испытания крупноразмерной модели стартового лимитера ИТЭР 0.3 м) в диапазоне 4=1-8 МВт/м: позволили вьивить технологические недостатки её подготовки. Результаты выполненных экспериментов представлены в

форме графической зависимости

1 10 100 1000 10000 Komwecreo тер«хи<лов ..Ве«мах10 »2СК206

10x10 ТСМлпиги, Х1Ог10х7 «Еи£г5(Цвфем(

«aes**«« ..."<6>s wiacin_s«e7oiMt обобщенном виде (Рис. 3) и в Рис. 3. Обобщенные результаты испытаний

моделей с беоиллиевой облицовкой

допустимом плотности теплового

потока от поперечного размера облицовочной плитки (Рис. 4). Эти зависимости

позволяют на этапе проектирования ЭНВК выбрать максимально возможные

размеры плиток и. тем самым, минимизировать затраты на изготовление.

_N-10Q0 '__

Нв,И0мм,, без разруцЯний

5x5 10x10 20x20

Размер облицовочной плитки мч'

10x10 20x20 44x44

Размер облицовочной плитки мм*

Рис. 4. Предельные плотности циклических тепловых потоков как функция поперечного размера бериллиевых плиток

в) Модели с вольфрамовой облицовкой

Испытания неохлаждаемых моделей дивертора типа вольфрам-медь, выполненных методом пайки различными припоями (Си-И, ТлаЙЮ1=1000 °С; Си-Мп-ТчЧ-Ре-БК Тгшим,=900-930 °С: Си-А& ТнаЙМ=820-860°С). выявили приемущество припоя Си-Мп-]\Ч-Ре-5ь Охлаждаемая модель (^'/ОРНСи/МАСТ) с его применением продемонстрировала падежную работоспособность при я - 10 МВт/м" и N=2000.

Эксперименты с охлаждаемыми чалыми моделями дали следующие результаты: - для умеренно нагруженных компонент, работающих при ч < 5 МВт/м2 (центральная сборка, баффл) для размеров облицовки в диапазоне

20x20x10^40x40x10 мм3 применимы обе технологии соединения вольфрама с медью - пайка и наплавка;

- для обеих технологий соединения модели с облицовочными плитками 20х20х10мм3 и 27x27x10мм3 являются работоспособными при q < 10 МВт/м2;

- модели с облицовочными плитками 10x10x10мм3, соединенные с медным слоем методом пайки, работоспособны при q < 15 МВт/м2;

- обобщенные зависимости предельной плотности теплового потока от размеров облицовочной плитки при фиксированной толщине (Рис. 5), позволяют выбрать наиболее экономичный вариант при проектировании ЭНВК;

Результаты испытаний позволяют

обосновать следующие экономичные

технологические приемы

изготовления ЭНВК:

- формирование длинно размерных

(L>100mm) биметаллических

заготовок вольфрам-медь методом

наплавки и их разрезкой на блоки

необходимых размеров;

, _ .. - сегментация макроблоков

Рис. 5. Результаты испытании малоразмерных

„ _ „ вольфрам-медь без шлифовки

моделей с вольфрамовой облицовкой

зазоров;

- одноступенчатая пайка многослойных конструкций бронза-медь-вольфрам.

Применимость отработанных способов получения многослойных фрагментов конструкций с оптимальными размерами облицовки была подтверждена испытаниями крупноразмерных изделий:

- на модели баффла ИТЭР (L~ 0.8 м) показана работоспособность конструкций типа W/Cu/CuCrZr/SS при q=5MBT/M2 и N-1000;

- на модели вертикальной мишени дивертора ИТЭР (L~ 0.6 м) показана работоспособность конструкции при я=5МВт/м2 (N~1000) для её умеренно нагруженной области (размер плиток 27x27x10 мм3) и при q=20MBT/M2 (N-1000) для сильно нагруженной зоны (размер плиток 9x9x10мм3);

- вольфрам-медный лимитер, изготовленный методом наплавки, площадью S=120x80mm2 (hw=50 мм) выдержал испытательную компанию на действующем токамаке TEXTOR при тепловых потоках q~40 МВт/м2 (30 разрядов, т=6 с).

В заключении сформулированы основные результаты выполненных

разработок и исследований:

- 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; пайка криволинейных моделей; экономичные способы изготовления вольфрам-медной облицовки (наплавка крупногабаритных вольфрам-медных пластин, 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 электронно-лучевого нагрева, адекватного плазменному: при толщине материала 5-20 мм и длительности нагрева ~10с достигается установившийся температурный градиент в многослойной конструкции. Созданы мишенные устройства, системы управления пучком, диагностические и другие технические средства, необходимые для проведения имитационных экспериментов на специализированных электроннолучевых установках Цефей, ЭМО-бО, СТО 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 от 5x5 мм2 до 44x44 мм2 она варьируется от 16 до 2 МВт/м2, для вольфрамовых плиток толщиной 10 мм она находится в диапазоне от 20 МВТ/м2 (размер в плане 10x10 мм2) до 5 МВт/м2 (размер в плане 44x44 мм2);

- опыт разработки малоразмерных моделей ЭНВК использован при создании крупноразмерных моделей баффла 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 нагрузках;

- представленные в диссертации разработки и исследования, в совокупности с работами коллег, составили существенную часть программы ННОКР 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 других серийных внутрикамерных компонент реактора ИТЭР.

По теме диссертации в научной периодике и трудах конференций опубликованы

следующие работы:

1. Р. Гиниятулин, А. Касаткин, В. Комаров, В. Коронцевич, В. Лук, И. Мазуль,

C.Миловидов, Установка для исследования материалов и элементов конструкций разрядных камер ТЯР под действием тепловых нагрузок, Вопросы атомной науки и техники, серия «Электрофизическая аппаратура», JI. Энергоатомиздат, 1993, выпуск 26 (1-80), с.36-42.

2. S. Alekseev, V.Baranov, Yu. Chernyatjev, S. Dimitrov, R. Giniyatulin, V. Kharitonov, V. Komarov, V. Kurnaev, V. Teryaev, Yu. Prokofjev, S. Turkulets, I. Vizgalov, The high heat loads testing of PFC in BPD facility at positive and negative biasing, Journal of Nuclear Materials 220-222 (1995) p.721-725.

3. V. Barabash, R. Giniyatulin, V. Komarov, Yu. Prokofiev, D. Miloslavsky, 1. Mazul, G.Saksagansky, V. Korontsevich, V. Khorunov, S. Fabritsiev, Thermocyclic tests of the divertor plate mock-ups for the ITER reactor, J. Fusion Engineering and Design, 18 (1991), 151-156.

4. V. Barabash, T. Burtseva, A. Gervash, R. Giniyatulin, T. Gurieva, R. Duwe, J. Linke, Thermal cycling tests of RGTi/Mo monoblocks divertor moduls, Journal of Nuclear Materials, 212-215 (1994) 1360-1364.

5. D. Youchison, R. Giniyatulin, J. McDonald, V. Beloturov, I. Mazul, A. Zakharov,

D.Walsh, B. Mills, D. Bochme, V. Savenko. Thermal Fatigue Testing of Diffusion

Bonded Beryllium Divertor Mock-up under ITER Relevant Conditions. Journal on Fusion Technology of American Nuclear Society, May 1996, p. 599-615.

6. V. Barabash, V. Bykov, R. Giniyatulin, A. Gervash, T. Gurieva, K. Egorov, V.Komarov, M. Korolkov, I. Mazul, L. Gitarsky, I. Strulia, V. Sizenev, V. Pronyakin, Beryllium mock-ups development and ultrasonic testing for ITER divertor Conditions, Proceedings of the IS4 Symposium on Fusion Technology, August 1994, Karlsruhe, Gemany, v.l,p.307-310.

7. R. Ginyatulin, A. Gervash, V. Komarov, A. Makhankov, I. Mazul, I. Mazul, N.Litunovsky, N. Yablokov, High heat flux tests of mock-ups for ITER divertor application, J. Fusion Engineering and Design, 39-40 (1998) 385-391.

8. R. Watson, D. Youchison, D. Dombrovski, R. Giniyatulin, I. Kupriyanov, Low cycle thermal fatigue testing of berylliums, J. Fusion Engineering and Design 37 (1997) 553579.

9. R. Giniyatulin, A. Gervash, V. Komarov, N. Litunovsky, I. Mazul, N. Yablokov, Investigation of Be/Cu joints via HHF tests of small-scale mockups, Proceedings of the Third IEA International Workshop on Beryllium Technology for Fusion, October 2224,1997, Mito, Japan, p. 113-122.

10.R. Giniyatulin, I. Mazul, R. Melder, A. Pokrovsky, V. Sandakov, A. Shuchkin, In-Pile Thermocycling Testing and Post-Test Analysis of Beryllium Divertor Mockup, Proceedings of the Third IEA International Workshop on Beryllium Technology for Fusion, October 22-24, 1997, Mito, Japan, p. 221-227.

11.A. Gervash, R. Giniyatulin, I. Mazul, R. Watson, Beryllium armoured mockups for fusion high heat flux application, Proceedings of the 20th Symposium on Fusion Technology, 7-11 September 1998, Marseille, France, v.l p. 47-51.

12.1. Mazul, R. Ginyatulin, V. Komarov, V. Krylov, Ye. Kuzmin, A. Makhankov, V.Odintsov, A. Zhuk, Manufacturing and testing of ITER gas box liner, Proceedings of the 20th Symposium on Fusion Technology, 7-11 September 1998, Marseille, France, V. 1, p.77-80.

13.R. Giniyatulin, V. Komarov, I. Mazul, N. Yablokov, R. Watson, C. Cadden, N. Yang, Some critical issues that influence on the Be-armored assemblies reliability, Proceedings of the 4th IEA International Workshop on Beryllium Technology for Fusion, September 15-17,1999, Karlsruhe, Germany, p.200-205.

14.R.N. Giniyatulin, V.L. Komarov, E.G. Kuzmin, A.N. Makhankovl, I.V. Mazul, N.A.Yablokov, A.N. Zhuk Optimization of armour geometry and bonding techniques for tungsten-armoured high heat flux components, J. Fusion Engineering and Design, 61-62(2002) 185-190.

Зак. № 3/115. Подписано в печать 26.06.2003 г. Офсетная печать.

_Формат 60x90/16. Уч.-изд. л. 1. Тираж 100 экз._

Отпечатано в "ФГУП НИИЭФА им. Д.В. Ефремова"

!

t

\

i i

i

i

i

!

t í í

f

i

i

-ft

I 12 6 2 4

Введение

Глава 1. Разработка и моделирование энергонапряженных внутрикамерных компонент

1.1. Цель создания объектов исследований

1.2. Обоснование и выбор размеров моделей

1.3. Подбор материалов и принципы построения моделей

1.4. Технические и методические средства для создания моделей

1.5. Описание объектов исследований

1.6. Выводы по главе

Глава 2. Экспериментальное оборудование и методики для имитации поверхностных тепловых нагрузок

2.1. Способы имитации теплового воздействия

2.2. Адекватность имитации тепловых потоков электронным пучком

2.3. Подготовка экспериментальной базы

2.4. Методики проведения экспериментов по имитации поверхностной 81 тепловой нагрузки

2.5. Комплекс диагностических средств

2.6. Выводы по главе

Глава 3. Экспериментальные исследования

3.1. Испытания компонент с графитовой облицовкой

3.2. Испытания компонент с бериллиевой облицовкой

3.3. Испытания компонент с вольфрамовой облицовкой

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-M\v0.

G 16GR37 D0-12-0S WO. 1;

Стартовый лимитер front AccessD Penetration

SS Back-plate A11 „

I-^— Be Tile Cu-AlloyD

SS Tube <ti10x12mm /——" Heat Sink

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 компонентов; отработка технологий многослойных соединений на фрагментах конструкций; техническое обеспечение технологических операций; экспериментальная оптимизация геометрических параметров облицовки компонентов; масштабирование 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 моделей; экономичные 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 5x5 мм до 44x44 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 10x10 мм2) до 5 МВт/м2 (размер в плане 44x44 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 нагрузках; представленные 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.

1. R.P.Parker, Design and issues of ITER in-vessel components, Fusion Engineering and Design 39-40 (1998) 1-16.

2. G.Janeschitz et al, Divertor development for ITER, Fusion Engineering and Design 39-40 (1998) 173-187.

3. A.Cardella et al, Design of the ITER EDA plasma facing components, Fusion Engineering and Design 39-40 (1998) 377-384.

4. J. Hackmann, J. Unlenbusch, J. Nucl. Mater. 128-129 (1984) 418.

5. P.K. Mioduszewsi et al., Nucl. Fus. 26 (1986) 1171.

6. J. Dietz et al, Properties and performances of beryllium and carbon for plasma-facing components, Fusion Technology, 19, (1991) 2031-2034.

7. E.B. Deksnis, A.T. Peacock, H. Altmann, C. Ibbot, H.D. Falter, Beryllium plasma-facing components: JET experience, Fus. Eng. Design 37 (1997) 515-530.

8. Beryllium Science and Technology, Vol. 1, D. Webster and G.J. London eds., Vol. 2D.R. Floyd and J.N. Lowe eds., Plenum Press, New York, 1979.

9. V.Barabash, M. Akiba, I. Mazul, M. Ulrickson, G. Vieider, Selection, development and characterization of the plasma facing materials for ITER application, J. Nucl.Mat. 233-237(1996)718-723.

10. V.Barabash, M. Akiba, J.P. Bonal, G.Federici et al., Carbon Fibre Composites Application in ITER Plasma Facing Components, J. Nucl. Mat. 258263 (1998) 149-159.

11. Material Assessment Report,§ 1.4. Copper Alloys (G 74 MA 9 00-11-10 W 0.1).

12. F.Brossa, P.Ghiselli, G.Tommei et al., "Experimental tests concerning the use of the tungsten copper couple design concept on the divertor system", Fusion Technology 1 (1982) 491-496.

13. S.J. Zinkle, S.A. Fabritsev, B.Singh." Evaluation of copper alloys for fusion reactor divertor and first wall components", J. Nucl. Mat. 233-237 (1994) 127137.

14. И.Е.Люблинский, Г.М.Грязнов, В.А.Евтихин, Л.П.Завяльский, А.Я.Косухин, Материаловедение жидкометаллических систем термоядерных реакторов, М.: Энергоатомиздат, 1989, 240 с.

15. И.Е.Люблинский, В.Н.Михайлов, В.А.Евтихин, А.В.Вертков, А.Н.Чуманов, Литий в термоядерной и космической энергетике XXI века, М.: Энергоатомиздат, 1999, 528 с.

16. G. Kalinin, IDoMS G 74 MD 1 97-06-12 Fl, ITER MEMO "Stainless Steel Designation".

17. Material Assessment Report, §3.3 Armour/Heat Sink Joining Technologies (G 74 MA 9 00-11-10 W 0.1).

18. С.М. Ibott, H.D. Falter, P. Meurer et al., Further development in the Brazing of Beryllium to CuCrZr, Proc. of the 18th SOFT, Karsruhe, Aug. 1994, p. 431-434.

19. E. Frankoni, G.C. Ceccottiand L.Magnoli, J.Nucl.Mater. 191-194 (1992) 493.

20. Mazul, R. Ginyatulin, V. Komarov, V. Krylov, Ye. Kuzmin, A. Makhankov,

21. V.Odintsov, A. Zhuk, Manufacturing and testing of ITER gas box liner, Proceedings of the 20th Symposium on Fusion Technology, 7-11 September 1998, Marseille, France, V. 1, p.77-80.

22. G. Vieider, V. Barabash, A. Cardella, P. Chappuis et al., Overview of the EU small mock-up tests for ITER high heat flux components, Fusion Engineering and Design 39-40 (1998) 211-218.

23. A.Gervash, R. Giniyatulin, I Mazul, A. Gonenko, L. Gitarsky, V. Sizenev, D.Davydov, Metallographic analysis and strength investigation of different Be-Cu joints in the temperature range RT-350 °C, Journal of Nuclear Materials 233-237 (1996) 626-631.

24. A.Gervash, R. Giniyatulin, V.L. Komarov, I. Mazul et al., Comparative Thermal Cyclic Testing and Strength Investigation of Different Be-Cu Joints. Fusion Engineering and Design, 39-40 (1998), p. 543-549.

25. B.Kalin, V. Fedotov, O. Sevryukov, A. Plyuschev, I. Mazul, A. Gervash, R.Giniyatulin. Be-Cu Joints Based on Amorphous Alloy Brazing for Divertor and First Wall Application, Journ. ofNuclear Materials 271-272, (1999), p. 410-414.

26. ITER Task T221, RF Final report, 1998.

27. Найдич Ю.В., Лавриненко И.А., Евдокимов B.A., Исследование процесса уплотнения при жидкофазном спекании под давлением в системе вольфрам-медь.- Порошковая металлургия, 1974, №1, с.34-39.

28. М. Nicholas, D.M. Poole, "Interfacial Bonding in the Copper-Tungsten System", Applied Materials Research, Oct., 1965.

29. ITER Task T222, RF Final report, 1998.

30. Т. Hirai, V.Philips et al, Performance and erosion of a tungsten brush limiter exposed at the TEXTOR tokamak, Journal of Nuclear Materials 313-316 (2003) 69-70.

31. N.Litunovsky, V.Komarov, I.Mazul, Development of alternative methods for surface thermal loading simulation, Fusion Engineering and Design 51-52 (2000) 803-807.

32. G.Dell'orco et al, Thermal mechanical tests on ITER primary first wall mockups, Fusion Engineering and Design 61-62 (2002) 117-122.

33. P.Lorenzetto et al, The EU HT test program of ITER primary wall small scalemockups, Proceedings of the 20th SOFT, Marseille, France, Sept. 1998, 195-198.

34. B.I.Khripunov et al, Proceedings of 18th Europe Conference on Controlled Nuclear Fusion Plasma Physics, Berlin, 1991, v. 15c, part III, p.209-212.

35. KJ.Dietz et al, Experience with high heat flux components in large tokamaks, Fusion Engineering and Design 16 (1991) 229-251.

36. S. Suzuki, T Suzuki, K. Nakamura and M. Akiba, Development of divertor high heat flux components at JAERI, Proc. 17th IEEE/NPSS Symposium on Fusion Engineering, San Diego, USA, Oct. 6-10 1997, vol.1, pp 385 388.

37. V.Engelko, R.Kurunov, I.Landam, B.Ljublin, L.Smirnov, H.Wuerz, Test of divertor materials under simulated plasma disruption conditions at the SOM electron beam facility, Journal of Nuclear Materials, 1995, p.818.

38. V.Engelko, A.Andreev, T.Burtseva, O.Komarov, V.Kovalev, B.Ljublin, H.Wuerz, Investigation of the candidate divertor materials erosion at the powerfullelectron beam, Journal of Nuclear Materials, 1996, p. 1071.

39. G.Muller, H.Bluhm, V.Engelko, B.Yatsenko, Pulsed electron beam facilities for surface treatment of materials, Vacuum 2001, v.62, p.211.

40. Коваленко В.Ф., Теплофизические процессы и электровакуумные приборы, М.Сов.Радио, 1975.

41. Давиденков Н.Н., Лихачев В.А., Необратимое формоизменение металлов при циклическом тепловом воздействии, М-Л. Машгиз, 1962.

42. М.А. Hoffman, Heat Flux Capabilities of First Wall Tube Arrays for an Experimental Fusion Reactors, Nuclear Engineering and Design V.64(1981)N2, p.283-299.

43. Дж.Н.Гудьер, Ф.Р.Хожд, Математическая теория упругости (В книге «Упругость и пластичность», М.,ИЛ, 1960), с.45.

44. Г.Паркус, Неустановившиеся температурные напряжения, М. 1963.

45. З.Шиллер, У.Гайзик, З.Панцер, Электронно-лучевая технология, перевод с немецкого, М.Энергия, 1980.

46. Н.Н. Рыбалкин, И.В. Зуев, А.А.Углов, Основы электронно-лучевой обработки металлов, М.Машиностроение, 1978.

47. V.K.Gagen-Torn et al, Experimental Complex for High Heat Flux Materials Interaction Results, Proceedings of the 18th SOFT, Karlsruhe, Germany, August 1994, p.363-366.

48. E.Kny et al, Electron Beam Disruption Simulation of Refractory metals, Fusion Technology, 1986, 1069-1076.

49. E.Kny et al, Thermal Shock Evaluation of metal in a Simulated Disruption Tests for Fusion Application, Fusion Engeneering and Design, 9(1989), 271-276.

50. F.Brossa et al, Structual and Chemical Modifications of AISI316SSFT Limiters Compared with the Disruption Simulation, Journal of Nuclear Materials, 141-143(86), 210-215.

51. M.Akiba et al. Perfomance of JAERI Electron Beam Irradiation Stand, Plasma Devices and Operation, 1991, v 1, pp. 205 212.

52. M.Rodig, M.Akiba, P.Chappuis, R.Duwe, M.Febvre, A.Gervach, J.Linke, N.Litunovsky, S.Suzuki, B.Wiechers, D.Youchison, Comparison of Electron Beam Test Facilities for Testing of High Heat Flux Components, Fusion Eng. and Design 51 52 (2000 ) , 715 - 722.

53. Н.Ф.Берхов, В.В.Дрогалов, А.В.Козлов, Ю.В.Спирченко, Температурные поля и напряженно-деформированное состояние рабочего элемента подвижной диафрагмы установки Т-15, НИИЭФА П-ОМ-0714, Москва, ЦНИИатоминформ, 1985.

54. T.Kuroda, G.Vieider, ITER Plasma Facing Components, ITER Documentation Series No.30 IAEA, Viena, 1991.

55. V.Barabash, T. Burtseva, A. Gervash, R. Giniyatulin, T. Gurieva, R. Duwe, J.Linke, Thermal cycling tests of RGTi/Mo monoblocks divertor moduls, Journal of Nuclear Materials, 212-215 (1994) 1360-1364.

56. R.D.Watson, D.L.Youchison, D.E Dombrovski, R.N.Giniyatulin, I.B.Kupriyanov, Low cycle thermal fatigue testing of beryllium, J. Fusion Engeneering and Design 37 (1997) 553-579.

57. Р.Н. Гиниятулин, А.А. Герваш, В.Л. Комаров, В.Н. Одинцов, Н.В. Литуновский, И.В. Мазуль, А.Н. Маханьков, Н.А. Яблоков, Е.Г. Кузьмин,

58. Макетирование и тепловые испытания элементов дивертора ИТЭР на электронно-лучевой установке «Цефей», Шестая Всероссийская Конференция Инженерные Проблемы Термоядерных Реакторов, 27-29 мая 1997, Санкт-Петербург, Тезисы докладов, с.41.

59. V.Divavin, V.Tanchuk, A.Shrubok, R.Watson, J.Gonzalez, An experimental and numerical investigation of post-CHF heat transfer for one-side heat load with high sub-cooled flow boiling, Fusion Engeneering and Design 31 (1996) 189-200.

60. J.Roth, W.Ecksten, Beryllium self-sputtering, J.Nuclear Materials, 165-199 (1989).

61. R.Giniyatulin, I. Mazul, A. Gorodetsky, R. Zalavutdinov, S. Rybakov, V.Savenko, Analysis of a beryllium-copper joint after HHF test, Journal of Nuclear Materials 233-237 (1996) 616-619.

62. H.D.Falter et al, Thermal Test Results of the JET Divertor Plates, High Heat Flux Engineering in Proc.Soc.Photo Opt. Instrum.Eng., 1739, 162 (1992).

63. R.Ginyatulin, A. Gervash, V. Komarov, A. Makhankov, I. Mazul, N. Litunovsky, N. Yablokov, High heat flux tests of mock-ups for ITER divertor application, J.Fusion Engineering and Design, 39-40 (1998) 385-391.

64. A.Gervash, R. Giniyatulin, I. Mazul, R. Watson, Beryllium armoured mockups for fusion high heat flux application, Proceedings of the 20th Symposium on Fusion Technology, 7-11 September 1998, Marseille, France, v.l p. 47-51.

65. A.Gervash, R.Giniyatulin and I.Mazul. Comparative Thermal Cyclic Test of Different Beryllium Grades Previously Subjected to Simulated Disruption Loads. Fusion Engineering and Design 46 (1999), p.229-23 6.

66. R.Giniyatulin, V. Komarov, A. Labusov, and A. Makhankov, Stress analysis and lifetime evaluation of ITER divertor high heat flux components of the hypervapotron type, Jur. Plasma Device and Operation, 2002,Vol. 10, pp.27-37.