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.

Гнниятулин Радмнр Нагимович

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:

Ведущая 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)

Защита состоится "2.Ц " СенГ&£р& 2003 г. в часов на заседа диссертационного совета Д.201.006.01 при Научно-исследовательском инспп электрофизической аппаратуры им Д. В. Ефремова в помещении Клуба уче] НИИЭФА (196641, Санкт-Петербург, п. Металлострой, ул. Полевая, д. 12).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЭФА.

Автореферат разослан « 2003 года.

Ученый секретарь ■ доктор технических наук, профессор

диссертационного ^ Щукейло И. А.

совета

щ-уальиость проблемы

Важнейшей задачей на современном этапе освоения термоядерной энергетики ляется формирование инженерно-физических основ создания термоядерных акторов (ТЯР). В настоящее время эти работы сконцентрированы вокруг проекта еждународного Термоядерного Экспериментального Реактора (ИТЭР). Одни из ючевых вопросов его проектирования - обеспечение работоспособности меняемых энергонапряженных внутрикамерных компонент (ЭНВК). К ним носятся дивертор и лимитеры, находящиеся в непосредственном контакте с шменным шнуром. Их напряженный режим работы обусловлен комплексом >вреждающих факторов, в числе которых мощные тепловые и корпускулярные >токи, нейтронное облучение, электромагнитные нагрузки и циклический режим ¡боты.

При разработке ЭНВК необходимо учитывать не только отдельные ¡структивные факторы, но и синергетические эффекты их совместного (здействия. Это сложная и многогранная задача большого круга специалистов, Мораторий и научных центров стран-участниц проекта ИТЭР, которая в принципе : может быть решена только расчетными методами. Поэтому, конструкторско-хнологическое макетирование и экспериментальные испытания моделей ЭНВК, литерующие различные факторы по отдельности или в каком-то сочетании, шяются обязательной стадией проектирования. Среди таких изысканий особое гсто занимает изучение влияния циклического теплового воздействия на 1ботоспособность ЭНВК. Данный способ исследований позволяет сравнивать ойкость различных материалов и соединений к термоудару и циклическому :пловому воздействию, выбирать наиболее эффективные технологии изготовления НВК и оценивать их ресурс при проектных условиях эксплуатации.

Названные обстоятельства определяют актуальность представленной гссергации.

[ель работы

азработка конструктивных решений и технологических приемов, обеспечивающих оделирование и создание перспективных вариантов ЭНВК;

озданне оборудования и методик проведения имитационных исследований заработанных моделей ЭНВК и определение предельных тепловых режимов их адежной эксплуатации;

>ормулирование рекомендаций по конструированию и технологическим режимам ри промышленном изготовлении ЭНВК для ИТЭР.

Научная новизна

Предложены и разработаны:

- комплекс технических средств и технологических приемов, позволяющю осуществлять «быструю» пайку крупномасштабных моделей многослойны? ЭНВК;

- технология припайки бериллиевой и вольфрамовой облицовок криволинейно! формы;

- способы изготовления вольфрам-медной облицовки крупноразмерны; моделей.

Предложены и экспериментально отработаны методики имитационны; исследований термостойкости и термоусталости моделей многослойных ЭНВК, 1 т.ч. в условиях одновременного воздействия нейтронного облучения циклического воздействия и водородной среды.

По результатам исследований сформирована база данных по предельнь» тепловым нагрузкам для параметрического ряда моделей многослойных ЭНВК бериллиевой и вольфрамовой облицовкой. Практическая ценность работы

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

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

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

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

Полученные результаты могут быть также использованы при создании друга типов энергетического оборудования, работающих при высоких тепловы нагрузках.

Основные положения, выносимые на защиту

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

2. Функциональная схема и конструктивное исполнение экспериментально! внутриреакторного устройства для имитации комплекса повреждающи 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 бериллневой 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 литературы 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 НИИЭФА 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 введен и и описаны функции и условия эксплуатации ЭНВК проектируемого международного экспериментального термоядерного реактора-¡гокамака ИТЭР. Проанализированы основные физические факторы, влияющие на

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

Первая глава посвящена вопросам разработки и моделировани перспективных вариантов лимитера, баффла и вертикальной мишени дивертор ИТЭР. В качестве базовой использовалась концепция «многослойной» ЭНВК. В е основе лежит разделение функций восприятия теплового потока и его передач охлаждаемой подложке. Для изготовления облицовочных пластин используютс термостойкие материалы, а главным требованием к материалу подложки являете высокая теплопроводность. Их надежное соединение должно обеспечиват максимальную теплопередачу. Многослойная конструкция наилучшим образо соответствует функциональному назначению и условиям эксплуатации ЭНВК отвечает мировой практике. В частности, по этой идеологии разработаны ЭНВ) токамаков JET, JT-60, D-III-D, ASDEX и др. Однако, их эксплуатационные услови далеки от требований ИТЭР. Поэтому, имевшийся к началу диссертационно работы научно-технологический опыт был недостаточен для разработок ЭНВ 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 облицовк и для разных способов соединений многослойных конструкций;

- масштабирование технологий соединения применительно к крупноразмерны моделям компонент.

Сформулированы инженерно-физические и экономические критерии и обосновг выбор геометрии моделей. Минимальная ширина малых моделей составляет 20-2 мм, а длина - < 100 мм. Для крупноразмерных моделей минимальная ширина <i мм, а длина - >500 мм, при этих соотношениях количество облицовочных плите обеспечивает представительность моделирования и испытаний. Показано, чт прямоугольная форма облицовочной плитки оптимальна, а её толщина 5-20 м определяется предельно допустимой температурой эксплуатации и эрозионны сроком службы.

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

Промежуточный слой из меди необходим в качестве демпфирующего материала между элементами, существенно отличающимися коэффициентами температурного расширения. Тенлоотводящая 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 ЭНВК 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 1 м) баффла при требуемых параметрах: Т1гаПки=800 °С, \'1,ол,,ь,а= 3-5 град/с, I „„д. 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, юказал, что при омическом нагреве (прямым пропусканием тока) легче всего )беспечить оптимальный режим процесса. Кроме того, за счет теплоемкости 'едогретои части изделия можно ускорить процесс охлаждения.

Дано детальное описание конструктивно-технологических особенностей I! 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, отработю способов пайки криволинейной облицовки;

- оптимизация (расчетная и экспериментальная) геометрических параметро] облицовки;

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

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

Всего автором реализовано нескольких десятков малоразмерных моделей. Наиболе представительные из них представлены на Рис. 1. Для умеренно иагружеины компонент размер облицовки находился в диапазоне (20х20х10-44х44х10)мм3, а дл сильно нагруженных - (5х5х5-20х20х5)мм3. Отработанные способы соединения оптимизированные геометрические параметры применены при создани крупноразмерных изделий - баффла и вертикальной мишени дивертора и стартовог лимитера ИТЭР. Их успешные испытания продемонстрировали эффективное! разработанных методик, применимость и работоспособность выбранны материалов, способов соединения и геометрических параметров фрагментов ЭНВЬ Во второй главе описан комплекс технических и методических средств д; имитации теплового воздействия на модели ЭНВК.

Сопоставлены возможные способы имитации теплового воздействия 1 ЭНВК. Показано, что наиболее подходящим средством имитации является нагр< электронным пучком. Проведена оценка адекватности такого нагрева плазменной воздействию. Показано, что электронные пучки с энергией 10-И00 кэВ длительностью ~10с обеспечивают требуемый температурный градиент многослойной конструкции. Отмечена необходимость создания экспериментальнь установок для имитационных экспериментов с мощными стационарны» тепловыми потоками. Обоснованы их параметры: мощность С?- 60-5-200 кЕ плотность теплового потока я- до 100 МВт/м2, длительность воздействия т-долей секунды до стационарного, профиль тепловой нагрузки - от неподвижно колоколообразного до прямоугольного, площадь облучения в- до 1м2.

Малоразмерные модели

Крупноразмерные модели

Ветвь баффла ИТЭР:

5=20х80мм*

Б=20x60 мм

г г I о

о;

— ' ■ т." ?

5=20x50 мм

II 1 1\

I

20x100 мч2 5=20x100 мм2

20x80 мм

Ш

Э= 20x80 мм"

Г

г>= ¿их»и мм'

45x100 мм'

1.-0.8 м; 45x800 мм"

Модель стартового лимитера ИТЭР:

"V

4 г

он /

: М 8= 40x80мм2"" Б= 40x80мм2

; Б= 20x20мм2 ***5=~20х40м м2

: : . - - < к . .'-V;-. 20x20мм2 % 20х20мм:

У;..-' ! 5- 20x10мм2 ! 20x60мм2

I* ' I

5Ве= 90x400 мм*

1

-е-1

Модель вертикальной мишет) дивертора И'ГЭР:

' Г; ^ /

Ь~0.6 м; 5«'= 54x600 мм: Лимитер для токамак «ТЕКСТОР»:

5м, = 120x80 мм , Иц'цак- 50 мм

Рис. 1. Модели энергонапряженных компонент "ГЯР

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

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

Экспериментальный компле «ЭМО-бО» создан на 6¡ электроннолучевой плавильн установки во ВНЙИЬ им.А.А.Бочвара. Компл« оснащен специальны

устройствами: мишенш устройством, позволяющ устанавливать одновремен до 50 объектов испыташ мишенной камерой коллиматорами энергоприемником; средства измерений параметр

электронного пучка (зонд теплового поте

(калориметры), температу (пирометры, термопар

системой управления электронным лучом и мишенным устройством; систем охлаждения моделей и мишенного устройства.

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

Отклоняющие и фокусирующие катушки

Пирометр

Водоохлаждаемая маска-коллиматор

Вращаемый мишенный стол

Микроскоп

Исследуемый образец Мишенная камера

электропривод

охлаждение

Токоприемник

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

Таблица 1. Параметры электронно-лучевых имитационных установок

Параметр ЭМО-бО СТИ Цефей

Макс, мощность в пучке, Вт 60-80*103 60* Ю3 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 >3 >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 104 10"4 ю-4

Максимальная площадь облучения, см2 100 (5=10x10 см2) 100 (5=10x10 см2) 8=500x500

Направленность экспериментов Термоударные и термоциклические эксперименты с «С,\У-моделями и образцами» Термоциклические эксперименты с «Ве-моделямн» Термоциклические эксперименты с «С, Ве, W-мoдeлямн» 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 схем! ориентированные на применение мощных (0.5-6.0 МВт) промышленны электроннолучевых установок. Для установки ЭДП-07/500 (ВНИИН1 им.А.А.Бочвара) разработано мишенное устройство с системой измерени параметров тепловых потоков и определены параметры системы управлеш электронными пучками.

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

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

а) при изучении стойкости кандидатных материалов и неохлаждаемых фрагменте конструкций к термоудару большое количество образцов должно испытыва! воздействие одинаковых тепловых импульсов длительностью 0.1-5 с при плотное! мощности 0.5-10 МВт/м2. Контроль мощности осуществлялся путем периодически измерений с помощью калориметров и зондов. Длительность теплового импулы контролировалась продолжительностью импульса в отклоняющих катушка Требуемый размер поля облучения реализовывался набором охлаждаемых меднь или неохлаждаемых молибденовых диафрагм различной площади (5x5,10x10,20x2 и 20x100 и 40x40 мм2). Методика реализована на установке ЭМО-бО пр исследованиях образцов из аустенитных сталей и сплавов, ферритных и ферритт мартенситных сталей, тугоплавких металлов, углеграфитовых материалов, а такн неохлаждаемых фрагментов конструкций;

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

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 реализовала на установке ЕВТБ (лаборатория БЖА, 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 » 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)*103. Показано, что длительность термоцикла при имитации можно уменьшить до 25 с 0кгц1к1,а=15с + 4цаузы=Ю с), т.к. в штатном режиме длительность теплового нагружения составляет 400 с. Зоны сканирования электронного потока варьируются в пределах (20x20^-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 обеспечивал* теплопередачу по газовому зазору и наличие водородной среды. Цикличност теплового нагружения осуществлялась путем периодического помещения сборки активную зону. Методика успешно реализована в первом демонстрационно; эксперименте в канале ядерного реактора СМ-3.

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

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

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

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

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

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

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

а) Модели с графитовой облицовкой

Экспериментально подтверждена длительная работоспособное! неохлаждаемой облицовки диверторной мишени и защитных экранов токама» ИФТ-1 (ч,10М=б МВт/м2, т~2с) и подвижной диафрагмы установки Т-15 (яНом.=1 МВт/м2, г ~2с). По итогам испытаний неохлаждаемых фрагментов ЭНВК 1 различных графитовых материалов и с разными способами крепления выявлен преимущество образцов из графита РГТК и рекомендована геометрия с плоским пазами для крепления.

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

б) Модели с бериллиевой облицовкой

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

- разрушения соединений бериллий-медь вызваны наличием хрупких интерметаллидных слоев СиВе и СшВе, 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 q -2.5 МВт/м2 и надежно работают при q= 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 q=16-12 МВт/м2, вплоть до плавления поверхности бериллия. Термоусталостные испытания моделей с облицовкой 5x5x5 мм3, испытанные на двух установках («Цефей» и «EBTS») при q=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 q=3.5 МВт/м2 выдержали 100 термоциклов без видимых повреждений, доза облучения составила 2.5* 1020 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 (L~ 0.8 м) в виде многослойной конструкции Be/CuCrZr/SS при q=1.5 МВт/м2 и N-1000, отработанной на малых моделях и перенесенную на крупноразмерное изделие;

10000

- испытания крупноразмерн модели стартового лимите ИТЭР (Ь~ 0.3 м) в диапазс 4=1 -8 МВт/м" позволи выявить технологичесн недостатки её подготовки. Результаты выполненн 144*44хю .»гю» экспериментов представлены

X 10x10*7 а 6*5*5

»5х5«5.р*х*»« ___*(М7Х?.10г1Ч5нм1И1Ц ОООбЩеННОМ ВИДе (РИС. 3) И

Рис. 3. Обобщенные результаты испытаний форме графической зависимо« моделей с беоиллиевой облицовкой допустимой плогности теплов(

потока от поперечного размера облицовочной плитки (Рис. 4). Эти зависимо« позволяют на этапе проектирования ЭНВК выбрать максимально возможн размеры плиток и, тем самым, минимизировать затраты на изготовление.

10 100 1000 Копггмесгео терма+жлое

.-Ве 40x40x10 5x5-10*10 10м* "тат.

6x5 10x10 20x20

Размер облицовочной плитки, мм'

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-ме выполненных методом пайки различными припоями (Си-Тк ТпаЙК1,— I ООО °С; Си-? ]М-Ре-51, ТпаЯк„=900-930 °С; Си-А§, ТШЙКИ=820-860°С). выявили приемущес припоя Си-Мп-№-Ре-51 Охлаждаемая модель (\V70F11СиА1АСТ) с применением продемонстрировала надежную работоспособность при q= 10 МВт и N=2000.

Эксперименты с охлаждаемыми малыми моделями дали следующие результат! - для умеренно нагруженных компонент, работающих при я < 5 МВт (центральная сборка, баффл) для размеров облицовки в диапаз

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

- для обеих технологий соединения модели с облицовочными плитками 20х20х10мм3 и 27х27х10мм3 являются работоспособными при q < 10 МВт/м2;

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

7 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> 100мм) 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 оолицовкои

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=5МВт/м2 и N-1000;

- на модели вертикальной мишени дивертора ИТЭР (L~ 0.6 м) показана работоспособность конструкции при ц=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, t=6 с).

В заключении сформулированы основные результаты выполненны

разработок и исследований:

- разработаны и успешно опробованы технологические приемы изготовлеии ЭНВК, позволившие создать ряд моделей с бериллиевой и вольфрамово облицовкой: оптимизированы «быстрый» нагрев электронным лучом и прямьи пропусканием тока; пайка криволинейных моделей; экономичные способ! изготовления вольфрам-медной облицовки (наплавка крупногабаритны вольфрам-медных пластин, упрощенная процедура финальной обработк вольфрама, одноступенчатая пайка многослойных соединений);

- сопоставлены различные способы имитации поверхностного тепловог воздействия на ЭНВК и обосновано применение электронных ускорителей энергией пучка 10-100 кэВ. Определены основные режимы элеюронно-лучевог нагрева, адекватного плазменному: при толщине материала 5-20 мм длительности нагрева ~10с достигается установившийся температурный градиен в многослойной конструкции. Созданы мишенные устройства, систем] управления пучком, диагностические и другие технические средств, необходимые для проведения имитационных экспериментов н специализированных электроннолучевых установках Цефей, ЭМО-бО, СТИ и д] Разработана аппаратура и проведены эксперименты на моделях с бериллиево облицовкой при одновременном воздействии водородной среды, циклически тепловых и нейтронных потоков;

- разработаны и успешно реализованы методики имитации тепловых нагрузок дл исследований термоударной и термоциклической стойкости кандидаты материалов и многослойных конструкций ЭНВК;

- создан широкий ряд малоразмерных моделей для оптимизации геометрически размеров облицовочных плиток и технологии соединения бериллия с бронзо! вольфрама с медью и меди с бронзой;

- проведенные испытания малых моделей позволили уточнить границ] применимости технологий и оптимизировать размеры облицовки, определен предельная плотность тепловых потоков для ЭНВК с различной облицовкой: дл плиток из бериллия толщиной 5-10 мм с размерами в плане от 5x5 мм2 до 44x4 мм2 она варьируется от 16 до 2 МВт/м2, для вольфрамовых плиток толщиной 1 мм она находится в диапазоне от 20 МВТ/м2 (размер в плане 10x10 мм2) до МВт/м2 (размер в плане 44x44 мм2);

- опыт разработки малоразмерных моделей ЭНВК использован при создани крупноразмерных моделей баффла ИТЭР (бериллиевая и вольфрамова

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 11ИОКР 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 впутрикамерных компонент - «центральной сборки» с вольфрамовой облицовкой и «первой стенки» с бериллиевой облицовкой, а также, на проведение термоциклических испытаний других серийных впутрикамерных 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», Л. 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, I. 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 o Fusion Technology of American Nuclear Society, May 1996, p. 599-615.

6. V. Barabash, V. Bykov, R. Giniyatulin, A. Gervash, T. Gurieva, K. Egoro\ V.Komarov, M. Korolkov, I. Mazul, L. Gitarsky, I. Strulia, V. Sizenev, V. Pronyakir Beiyliium mock-ups development and ultrasonic testing for ITER divertor Condition; Proceedings of the 18th 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. Mazu N.Litunovsky, N. Yablokov, High heat flux tests of mock-ups for ITER divertc application, J. Fusion Engineering and Design, 39-40 (1998) 385-391.

8. R. Watson, D. Youchison, D. Dombrovski, R. Giniyatulin, I. Kupriyanov, Low cycl thermal fatigue testing of berylliums, J. Fusion Engineering and Design 37 (1997) 553 579.

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 th Third 1EA International Workshop on Beryllium Technology for Fusion, October 22 24,1997, Mito, Japan, p. 113-122.

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

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

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

13.R. Giniyatulin, V. Komarov, I. Mazul, N. Yablokov, R. Watson, C. Cadden, N. Yanj Some critical issues that influence on the Be-armored assemblies reliability Proceedings of the 4th IEA International Workshop on Beryllium Technology fc 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. Mazu N.A.Yablokov, A.N. Zhuk Optimization of armour geometry and bonding technique for tungsten-armoured high heat flux components, J. Fusion Engineering and Desigi 61-62 (2002) 185-190.