Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Разработка и моделирование энергонапряженных внутрикамерных компонент
1.1. Цель создания объектов исследований 11
1.2. Обоснование и выбор размеров моделей 11
1.3. Подбор материалов и принципы построения моделей 13
1.4. Технические и методические средства для создания моделей 18
1.5. Описание объектов исследований 26
1.6. Выводы по главе 1 47
Глава 2. Экспериментальное оборудование и методики для имитации поверхностных тепловых нагрузок
2.1. Способы имитации теплового воздействия 48
2.2. Адекватность имитации тепловых потоков электронным пучком 51
2.3. Подготовка экспериментальной базы 61
2.4. Методики проведения экспериментов по имитации поверхностной 81 тепловой нагрузки
2.5. Комплекс диагностических средств 88
2.6. Выводы по главе 2 90
Глава 3. Экспериментальные исследования
3.1. Испытания компонент с графитовой облицовкой 91
3.2. Испытания компонент с бериллиевой облицовкой 94
3.3. Испытания компонент с вольфрамовой облицовкой 126
Заключение 144
Список литературы
- Обоснование и выбор размеров моделей
- Технические и методические средства для создания моделей
- Подготовка экспериментальной базы
- Испытания компонент с бериллиевой облицовкой
Введение к работе
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/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 мв 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.
Рис. 1. Схема термоядерного реактора ИТЭР
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.
Вертикальная мишень и баффл
Центральная сборка и
Кассета дивертора
*ВЕ TILES'
COPPER
SS PLATES
OISHR^SCO-IMMWO.)
d is GR 37 QM2-os wa; 1.
ВвТіІе Cu-AItoyD
Heat Sink
Стартовый лимитер
G 16 GR 25 00-12-(18 WO. I
G 16 GR 26 00-12-08 W0.1
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.
8 Таблица 1 .Условия работы ЭНВК реактора ИТЭР
«
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
р 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
Результаты аппаратурно-методических решений для адекватных имитационных исследований и отдельных технологических операций.
Функциональная схема и конструктивное исполнение экспериментального внутриреакторного устройства для имитации комплекса повреждающих факторов на модели с берилл иевой облицовкой.
Результаты выполненных имитационных экспериментов с использованием разработанных малых и крупноразмерных моделей ЭНВК.
База данных по предельным тепловым нагрузкам и ресурсным характеристикам параметрического ряда моделей ЭНВК с бериллиевой и вольфрамовой облицовкой.
Обоснование и выбор размеров моделей
Как уже отмечалось во введении, имитация поверхностных тепловых нагрузок является актуальной задачей при разработке энергонапряженных компонент. Разработка компонент подразумевает моделирование отдельных фрагментов, оптимизацию конструкции и отработку способов изготовления. Возможности расчетной оптимизации зачастую не самодостаточны, поэтому возникает необходимость создания натурных моделей, реализуемых из кандидатных материалов или их аналогов. Моделированию подлежит, как правило, та часть конструкции, которая вызывает наибольшие трудности при ее разработке, например, соединения разнородных материалов и получаемые многослойные конструкции. Натурная модель может отражать как узкую часть конструкции, например, модель соединения облицовочной плитки с теплоотводящим блоком, так и всю конструкцию с учетом несущих элементов и коллекторов. При этом размеры моделей могут варьироваться с различным масштабным коэффициентом. Как правило, процесс отработки на малых моделях заканчивается более крупными изделиями, затем прототипами или опытными образцами.
Для автора цель выбора и создания объектов исследований, т.е. моделей различных масштабов, заключалась в следующем: - отработка технологических методов создания фрагментов конструкций; - оптимизация геометрических параметров облицовки; - проверка работоспособности 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.
Обоснование и выбор размеров моделей
Выбор геометрических размеров малоразмерных моделей определяется несколькими факторами: - экономический - очевидно стремление иметь минимальные геометрические размеры для уменьшения стоимости изготовления; - соответствие конструкции — всегда существует разумный предел уменьшения размеров модели, обусловленный минимальным размером облицовочной плитки и размером минимального фрагмента наборной конструкции; - воспроизводимость адекватных условий эксплуатации - получение необходимых градиентов температур в сечении, учет влияния соседних элементов (облицовочных плиток), достижение установившегося режима охлаждающего потока, правильное соотношение размеров (недопустимость продольного распространения теплового потока).
Так для конструкций внутрикамерных компонент ИТЭРа с круглым каналом охлаждения минимальная ширина модели будет определяться диаметром канала и уровнем тепловой нагрузки: для умеренно нагруженных компонент (Я 5МВт/ьҐ) она составит -40-50 мм, а для сильно нагруженных (q=5-20 МВт/м2) —20-30 мм.
Для моделей компонент с плоским каналом охлаждения (панель) ширина определяется ещё и прочностью коробчатой конструкции, но минимальная ширина всё равно привязана к размеру облицовочной плитки. Для наших компонент это 20-50 мм.
Минимальная длина моделей, исходя из вышеизложенного, составит 50-100 мм. Толщина облицовки не моделируется, т.к. определяется сроком службы (тепловая эрозия, срывы плазмы) и максимально допустимой температурой. В наших вариантах она находится в диапазоне 5-20 мм в зависимости от облицовочного материала и условий работы. Выбор формы облицовочных плиток проводился из физических, технологических и экономических соображений. В принципе, возможны следующие формы плиток: круг, многогранник, прямоугольник. По условиям работы проектируемых компонент зазоры между плитками должны быть минимальными, поэтому круг может рассматриваться лишь при очень малых диаметрах, кроме того, круглые облицовочные плитки дороже в изготовлении. Многогранник (6 граней) очень привлекателен - обеспечивает требуемые зазоры, но очень трудоемок. Прямоугольные (частный случай - квадратные) плитки представляются наиболее оптимальным вариантом, т.к. разумно удовлетворяют всем требованиям - собираются с требуемыми зазорами, требуют минимума механической обработки и могут вырезаться в любом направлении для правильной ориентации структуры материала.
Для крупноразмерных моделей главным является перенос отработанных способов изготовления на изделия, во много раз превышающие размер одной облицовочной плитки. При этом ширина модели, как правило, определяется минимум двумя фрагментами (для наборной конструкции) и составляет 55-100 мм. Длина выбирается из соображений статистики соединения большого числа облицовочных плиток и в нашем случае находится в диапазоне 0.3-1 м. Толщина изделия определяется габаритами несущей конструкции, её жесткостью и наличием в ней каналов охлаждения. В наших моделях она составила 50-400 мм.
Подбор материалов и принципы построения моделей Конструкции моделей энергонапряженных компонент реактора ИТЭР включают в себя комбинации соединений облицовочных материалов с тешгоотводящей подложкой. Как уже отмечалось выше для макетируемых компонент, эти соединения должны с приемлемыми ресурсом и надежностью выдерживать температурные, механические и нейтронные нагрузки в циклическом режиме и в вакууме. Наличие надежных технологий соединения имеет принципиальное значение для конструкции и стоимости моделей.
Технические и методические средства для создания моделей
Проведение процессов соединения элементов различных конструкций (L 100мм) потребовало разработки и реализации специальных оснасток-струбцин, основанных на применении материалов с различными коэффициентами теплового расширения и пружинных элементов, что позволяет получать необходимые удельные давления в процессе соединения.
Пайки криволинейных конструкций проводилась с прижимными элементами, повторяющими форму детали, или со специальными закладными элементами.
Для пайки плоских бериллиевых плиток (размер в плане 5x5 мм ) к криволинейной поверхности (модели лимитера) автором предложены и реализованы два способа: фасетирование подложки и пайка двух плоских поверхностей; пайка плоской плитки к криволинейной (R 70MM) поверхности, при этом клиновидный зазор пмакс=0.1мм заполняется припоем. С целью реализации второго способа автором также предложены и реализованы способы одновременной пайки большого числа мелких плиток с соблюдением требуемых зазоров (0.2мм). Бериллиевая пластина толщиной 6мм надрезается с шагом (5x5) мм на глубину 5 мм, полученная гибкая «щетка» с «подошвой» прижимается и припаивается к криволинейной подложке «подошвой» кверху, затем «подошва» удаляется электроискровой обработкой. Второй способ заключается в предварительной пайке «щетки» к медной фольге и последующей пайкой «щетки» к криволинейной подложке и срезанием фольги. Третий способ отличается от второго тем, что вместо паяной фольги используется приклеенный картон. Перечисленные методы позволяют получать как плоские, так и криволинейные конфигурации.
Оснастка для диффузионной сварки малых моделей, обеспечивающая «само-натяг», состояла из пластин (жаропрочная сталь) и шпилек (молибден) с разными КТР. Такая оснастка позволяла проводить соединения изделий в печах, не имеющих пресса.
Для пайки малых моделей электронно-лучевым нагревом разработана струбцина (Рис. 1-2), отличительной особенностью которой является наличие экрана, диафрагмы и пружинного элемента: верхняя панель является одновременно и диафрагмой, через которую производится нагрев изделия сканирующим электронным лучом. Необходимое давление создается за счет пружины, которая остается относительно холодной.
Поскольку условием «быстрой» пайки является выдержка изделия при температуре Т 450 С в течении времени t 10-15 минут [18], то для проведения процесса «быстрой» пайки необходимо максимум тепловой энергии вкладывать в изделие, и минимум - в оснастку. Для этого применялся тугоплавкий экран, защищающий оснастку от «ореола» сканирующего пучка. Реализация временной диаграммы (Рис. 1-2) выглядела следующим образом: сначала проводился предварительный нагрев сканирующим пучком небольшой мощности до температуры Т 450С, (которая является безопасной для деградации свойств бронзы и роста интерметаллидов), на данном этапе время не ограничено; на следующем этапе осуществляется форсированный нагрев со скоростью 1-2 град/с до температуры пайки Тпайки=800 С. Остывание (при выключенном пучке) происходит за счет излучения, динамика остывания в диапазоне температур 800-450 С позволяет выполнить условие «быстрой» пайки.
На Рис. 1-2 представлена типичная диаграмма пайки малоразмерной модели, реализуемая на установке «Цефей». Одним из существенных преимуществ электронно-лучевого нагрева является безинерционность, что позволяет легко управлять вкладываемой мощностью путем ступенчатого включения-выключения пучка и регулировкой длительности и скважности импульсов нагрева. Гибкость в управлении вкладываемой мощностью, а также возможность организации пауз любой длительности, позволяет получать требуемую равномерность нагрева изделия, что принципиально при пайке крупных изделий.
Преимущества «быстрого» индукционного нагрева по сравнению с традиционной изотермической печью для пайки бериллия с медными сплавами было показано еще в работах [19, 20]. Требуемая динамика нагрева может быть реализована и другими способами. В данной работе автором реализованы два метода «быстрого» нагрева: нагрев электронным лучом (на установке «Цефей») и джоулев нагрев «прямым пропусканием тока» (на установках «Токовый стенд» и «Пекло»), Методы пайки крупногабаритных моделей
Методика «быстрого» нагрева электронным лучом применительно к малым изделиям описана выше, Аналогичная методика была реализована автором для пайки элементов среднеразмерной модели «вертикальной мишени» (L 600MM) на установке «Цефей». Для проведения процесса пайки применялся импульсный нагрев сканирующим электронным лучом (1=0.1 A, U=20 кВ), что позволило реализовать предварительный прогрев до 450 С, форсированный подъем до 800 С, а в процессе остывания при температуре 450 С проводилась выдержка ( 1час, для снятия остаточных напряжений). По данной методике реализована пайка двух ветвей вертикальной мишени с вольфрамовой облицовкой (Таблица 1-4).
Ниже (Таблица 1-4) приведены параметры пайки элементов вертикальной мишени. В данных процессах пайки общее время выдержки при Т=450-800 С составило 1400 секунд, что было связано с длительными паузами на фазе нагрева, а паузы требовались для выравнивания температурной неравномерности по длине изделия. Для устранения данного недостатка требуется создание специального профиля тепловой нагрузки для нагрева криволинейного изделия.
Другой метод «быстрого» нагрева был реализован автором применительно к пайке элементов среднеразмерной (L 1M) модели на установке «Токовый стенд», где омический нагрев производился путем пропускания тока через изделие. Перед автором стояла задача отработать и реализовать процесс быстрой пайки применительно к полноразмерным изделиям дивертора ИТЭР - ветвям баффла с берил лиевой и вольфрамовой облицовкой (Таблица. 1-4). Здесь также было необходимо обеспечить условия процесса «быстрой» пайки. Другим требованием являлась равномерность нагрева (при Тпайки=800 С) по длине (неравномерность не более 10%). Для реализации данной задачи автором выполнен расчет динамики нагрева и охлаждения.
Подготовка экспериментальной базы
Так как в процессе работы энергонапряженные компоненты контактируют с плазмой или находятся в непосредственной близости от нее, тепловое воздействие является, в основном, поверхностным, поскольку глубина проникновения плазменных частиц в материалы облицовки колеблется от единиц до сотен ангстрем. Таким образом, при имитационных экспериментах с образцами материалов, соединений и фрагментов конструкций надо также обеспечить поверхностную тепловую нагрузку. Исходя из этого, а также из условий работы макетируемых компонент, изложенных во введении, можно сформулировать следующие требования к источнику теплового потока: - возможность поверхностного (одностороннего) приложения тепловой нагрузки; - интегральная мощность тепловых потоков - до единиц мегаватт; - время облучения - от миллисекунд до стационара; - среда - вакуум; - нейтральность испытываемых поверхностей к источнику нагрева; - приемлемая глубина энерговыделения; - доступность испытываемой поверхности для диагностических средств; - простота управления потоком энергии и формирование произвольного профиля тепловой нагрузки; - доступность и надежность оборудования.
Характерное для ТЯР тепловое воздействие может имитироваться различными способами нагрева поверхности: контактными нагревателями, потоками света, лазерным и высокочастотным излучением, плазменными потоками, ионными и нейтральными потоками и электронными потоками. Большинство перечисленных методов имеют ограниченные возможности. Кроме того, специализированных устройств, выпускаемых промышленностью для подобных целей, не существует. Кратко рассмотрим возможности перечисленных методов нагрева.
Нашими коллегами проводились работы по созданию источников тепловых нагрузок, основанных на применении резистивных вставок [34]. Удалось получить тепловые потоки (30-40) МВт/м на площади (20-30) см . Данный метод применим лишь для узкого круга задач, т.к. контактные нагреватели имеют ограниченный диапазон тепловых потоков по сравнению с требуемым (особенно для крупногабаритных моделей). Другими недостатками этого метода является недоступность поверхности нагреваемых объектов для диагностических средств и химическое взаимодействие нагреваемой поверхности с материалом резистивной вставки. Однако такие устройства могут быть полезны для теплофизических экспериментов, например, при изучении процессов коррозии в каналах энергонапряженных устройств, работающих в условиях стационарных тепловых нагрузок и для которых важны процессы на внутренней поверхности объекта, а не в его объеме или на поверхности.
Световые потоки имеют существенные ограничения по мощности, хотя и применяются для небольших тепловых нагрузок (0.1-1 МВт/м ). Их главным преимуществом является простота в управлении тепловыми потоками, облучение поверхности любой геометрической конфигурации, а также, относительно низкая стоимость оборудования. Такие устройства («EDA-Beta», Brazimona, Италия [35]; «Fiwatka» и «TFTF», FZK, Германия [36]) применяются для испытаний слабо-нагруженных компонент, например, моделей или прототипов «Первой стенки».
Высокочастотное (ВЧ) излучение очень чувствительно к материалу и состоянию его поверхности, а испытываемые компоненты имеют широкий ряд разнородных материалов и их комбинаций. Поверхность исследуемых компонент может модифицироваться в процессе испытаний, что существенно скажется на поверхностном тепловыделении. Кроме того, ВЧ-нагрев приводит к объемному тепловыделению, что может существенно искажать градиенты температур в многослойных охлаждаемых объектах. Такой метод нагрева хорошо подходит для быстрого нагрева однородных материалов, а также применяется для «быстрой» пайки моделей или образцов энергонапряженных компонент. Так, на установке JET (Великобритания), индукционный нагрев широко применяется для пайки внутрикамерных компонент (глава 1).
Использование мощных лазеров (например, газовых) в качестве источников поверхностной тепловой нагрузки возможно, однако, лазерное излучение трудно применимо в связи с необходимостью его ввода в вакуум, а облучение в защитной газовой среде или на воздухе не обеспечивает адекватных условий с точки зрения теплообмена и химических реакций на поверхности.
Плазменные потоки, в силу своей природы, обеспечивают наиболее полную имитацию условий «ТЯР, т.к. имеют необходимую глубину проникновения излучения и могут иметь очень близкий состав ионов, но главный их недостаток — ограниченная возможность получения стационарного теплового потока q 10 МВт/м . Кроме того, дополнительные трудности связаны и с управлением параметрами пучка. Существующие плазменные ускорители типа «PISCES» (США) , «Лента» (РНЦ КИ, Россия) [37], «МК-200» (ТРИНИТИ, Россия), «111IP» (МИФИ, Россия) и другие, широко применяются для имитации плазменных потоков с целью изучения процессов эрозии материалов и процессов взаимодействия, характерных для переходных режимов. Создание же плазменных имитаторов, имитирующих большую часть повреждающих факторов, было бы очень дорого.
Применение мощных пучков нейтралов, доступных в лабораториях при действующих термоядерных установках, практикуется для наших задач. Так, на установке JET (Великобритания), применяется установка «JET Neutral Beam Test Bed» общей мощностью до 10 МВт [38] для экспериментов с моделями и фрагментами дивертора. В лаборатории JAERI (Япония) для подобных задач применяется установка «PBEF», также мощностью 10 МВт [39]. Главным недостатком таких имитаторов является неравномерный характер тепловой нагрузки, а именно, колоколо-образный. Другой особенностью является отсутствие возможности управления (сканирования) потоком энергии и импульсный режим работы. Кроме того, это очень крупногабаритные (L-Юм) и дорогостоящие установки.
Испытания компонент с бериллиевой облицовкой
Стойкость неохлаждаемых фрагментов конструкций к термоудару Автором выполнялись эксперименты по оптимизации конструкции неохлаждаемой облицовки для диверторной мишени и защитных экранов токамака ИФТ-1 (q„0M=6 МВт/м2, t 2c) [64] и подвижной диафрагмы установки Т-15 (qH0M=14 МВт/м , t 2c) [65] (Рис. 3-1). Требовалось экспериментально подтвердить работоспособность нескольких вариантов облицовочных элементов, отличающихся габаритными размерами и способом крепления. Для элементов облицовки компонент ИФТ-1 эксперименты проводились для 6 вариантов образцов из графитов марок МПГ-8 и РГТК размером (40x40) мм2 и (40x100) мм разной высоты которые закреплялись на мишенном устройстве установки ЭМО-60 (направление структуры - параллельно тепловому потоку). Испытания проводились в два этапа. На 1-м этапе проводился нагрев до 600 С с последующим охлаждением до 20 С (всего 15 циклов). На 2-м этапе образцы подвергались термоударному нагружению. Для ускорения проведения сравнительных испытаний был реализован «форсированный» режим увеличенная плотность теплового потока и уменьшенная площадь теплового нагружения. Облучение проводилось равномерным пятном (25x25) мм в центре образца тепловым потоком 11 МВТ/м с длительностью импульса 2с. Образцы из графита МПГ-8 разрушились после 1-го импульса для высоты 18 мм и после 6-го импульса для высоты 22 мм. Остальные образцы из графита РГТК выдержали 3 5 импульсов без разрушений.
Для вариантов испытываемых моделей ИФТ-1 выполнялись предварительные расчеты температурных полей и термонапряжений в наиболее опасных точках. По результатам расчетов сделаны следующие выводы: - При заданном коэффициенте теплоотдачи (104Вт/м2 град) наиболее высокая температура в момент окончания теплового импульса наблюдается у графитового образца из материала МПГ-8 (1700 С), т.е. при многократном термоциклировании должна наблюдаться тепловая эрозия материала.
Наибольшие растягивающие напряжения направлены поперек структуры материала и действуют в середине образца. Для варианта высоты 18 мм они достигают наибольшего значения 270 кг/см2 для МПГ-8 и 306 кг/см2 для РГТК, а для 22мм-высоты они существенно меньше — 127 кг/см2 и 100 кг/см2 соответственно. Это означает, что разрушение более толстых образцов должно наступить позже.
Образцы для
Образцы углеграфитовых материалов на мишенном устройстве установки ЭМО-60 Последний вывод абсолютно точно подтвердился экспериментально. Также экспериментально было показано преимущество модельных образцов из графита РГТК, что объясняется его более высокими прочностными характеристиками и более высокой теплопроводностью.
Облицовочные плитки из графита МПГ-8 для диафрагмы установки Т-15 также испытывались на установке ЭМО-60 (совместно с Мазулем И.В.). При этом они закреплялись на стальном водоохлаждаемом мишенном столе, как и на реальной мишени (Рис. 3-1). Испытания в номинальном режиме показали их надежную работу в течение 50 циклов. Сравнение различных вариантов крепления проводилось нарастающим от импульса к импульсу тепловым потоком в зоне (25x25) мм односекундными импульсами, в результате было показано, что: плитка с круглым отверстием для крепления разрушается при тепловых потоках 20 МВт/м , причем трещина формируется вдоль отверстия; плитки с центральным или боковыми пазами разрушаются при потоках -40 МВт/м2; плитка с надрезами типа «щетка» выдерживает тепловые потоки до 70 МВт/м . По результатам экспериментов была рекомендована геометрия с плоскими пазами для крепления. Необходимо также отметить, что щеточная конструкция имеет максимальную термопрочность, но она требует замены механического крепления на пайку.
На этапе концептуального проектирования реактора ИТЭР перед автором стояла задача проведения испытаний моделей без охлаждения, основной целью котррых были термоциклические ресурсные испытания моделей, имеющих соединения с низкими остаточными напряжениями. В данном случае испытывалась модель графит-медь, подготовленная по тому же принципу, что и вольфрамовые модели без охлаждения (глава 1) [66]. Графитовые плитки (20x20x10) мм3 (4 шт.) были припаяны к блоку из чистой меди припоем Cu-Ga при Тпайки=20С (отжиг при 100 С), такой способ пайки казался привлекательным ввиду очень низких остаточных напряжений. Испытания проводились на установке ЭМО-60 тепловым потоком 20 МВт/м с длительностью импульсов 0.3 с, что с точки зрения температуры в плоскости пайки (ТЗОНЫ=230 С), по расчету, соответствует стационарному потоку 10 МВт/м . Модель проработала 160 циклов теплового нагружения, после чего три из четырех плиток потеряли тепловой контакт, что было зафиксировано резким ростом температуры их поверхности. Основными причинами столь ограниченного ресурса работоспособности соединения были значительная разница в КТРах фафита и меди (4 10"6 и 16 10"6 град"1), приводящая к значительным термонапряжениям, и очень низкая пластичность припоя Cu-Ga. Практическая польза данного эксперимента заключалась еще и в том, что он продемонстрировал методическую возможность испытаний неохлаждаемых моделей, имитирующих охлаждаемые фрагменты конструкций. Кроме того, это были одни из первых термоциклических экспериментов на установке ЭМО-60, показавшие работоспособность и полезность модернизированной автором установки (см. главу 2).
