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

• Автор: Гиниятулин, Радмир Нагимович
• Шифр специальности: 01.04.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 154 с. : ил

Оглавление
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 1
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 2
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
Заключение Список литературы

Введение
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 широком диапазоне тепловых нагрузок - от 1 МВт/м2 для лайнера до 20 МВт/м2 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/м2. 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/м2. 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

1.5.2.2. Масштабирование технологий при создании моделей с бериллиевой облицовкой Конечной задачей макетирования является создание работоспособной полноразмерной конструкции моделируемой компоненты. Реализация широкого ряда малоразмерных моделей компонент и проведение их испытаний позволили автору использовать технологические и конструктивные подходы при масштабировании моделей. Автором реализована пайка облицовки следующих крупноразмерных изделий (Таблица 1-5):
- Среднеразмерная модель баффла дивертора - ширина 1:4, длина 1:1, толщина 1:1, бериллиевая облицовка 1:1;
- Малоразмерная панель стартового лимитера - ширина 1:1, длина 1:10, толщина 1:2, бериллиевая облицовка 1:1;
- Среднеразмерная панель стартового лимитера - ширина 2:1, длина 1:10, толщина 1:2, бериллиевая облицовка 1:1;
- Крупноразмерная панель стартового лимитера - ширина 1:1, длина 1:5, толщина 1:1, имитатор облицовки 1:1.
Создание среднеразмерной модели баффла дивертора
На этапе инженерного проектирования ИТЭР российской команде было поручено (в рамках проекта Ь-5 ИТЭР) разработать, изготовить и испытать полноразмерный фрагмент баффла дивертора с бериллиевой и вольфрамовой облицовкой [26]. Проект модели разработан на базе проекта баффла коллективом НТЦ «Синтез» при участии автора. Основной целью модели была проверка и демонстрация технологии изготовления бериллий- и вольфрам-бронзовых конструкций, отработанных на малоразмерных моделях, в изделиях с реальными размерами. Модель состоит из двух вогнутых (11~600 мм) водоохлаждаемых бронзовых ветвей, закрепленных на опоре и объединенных коллекторами из нержавеющей стали. Каждая ветвь длиной ~800 мм и шириной 44 мм облицовывается девятью бериллиевыми плитками 44x44x10 мм3 и восемью вольфрам-медными плитками (44х44х(5-8)) мм3. Изготовление модели состояло из двух этапов - пайка облицовки на бронзовые ветви и сборка облицованных ветвей на стальной опоре с коллекторами. Непосредственно перед автором стояла основная задача - пайка облицовки. Для пайки плоских плиток на вогнутые поверхности бронзовых ветвей было выполнено фасетирование. Пайка двух ветвей была реализована на стенде «Токовой пайки» (раздел 1.4). После финальной сборки модель была подвергнута