Описание конструктивного элемента

В настоящее время наиболее перспективными энергетическими установками представляются реакторы управляемого термоядерного синтеза. Основными компонентами корпуса ТЯР являются рабочая (разрядная, взрывная) камера с необходимыми устройствами для обеспечения горения плазмы, и бланкет соответствующего исполнения с устройствами (системами) для отвода тепла, извлечения трития и ядерного топлива [1,2]. На рис.1.1 приведена схема поперечного сечения рабочей камеры с магнитным удержанием плазмы.

Рисунок 1.1 - Общая схема термоядерного реактора с магнитным удержанием плазмы (поперечное сечение рабочей камеры):

1- зона плазмы; 2 – вакуумный зазор между плазмой и первой стенкой; 3 – защитный экран или диафрагма; 4 – корпус рабочей камеры (тороидальной, цилиндрической или сферической формы); 5- бланкет и радиационная защита; 6 – обмотки катушек магнитного поля; 7 – внешний корпус [1]

В реакторах, работающих на дейтерий-тритиевом (D-T) топливном цикле, бланкет предназначен для преобразования кинетической энергии нейтронов синтеза в тепловую энергию и для воспроизводства трития.

Основные узлы ТЯР, как видно на рисунке 1.2, состоят из следующих конструктивных элементов: рабочая (разрядная, взрывная) камера с необходимым устройством для обеспечения горения плазмы, бланкет соответствующего исполнения с устройствами для отвода тепла, извлечения трития и ядерного топлива. Эти узлы, а также защита реактора - наиболее энергонапряжённые с точки зрения работы материалов. Существует несколько вариантов устройства бланкета: структурно непрерывная полость, модульный бланкет. Первый вариант не применим с точки зрения эксплуатации, так как в случае повреждения бланкета выходит из строя весь реактор. Второй вариант более подходящий, так как бланкет состоит из нескольких частей, в случае поломки одной из них необходимо поменять только эту часть, так же упрощается процесс изготовления, испытания термоядерного реактора, повышается надёжность, понижается стоимость; использование отдельных элементов позволяет создать довольно жесткую конструкцию даже для больших по размерам реакторов благодаря выбору оптимального напряжённого состояния в элементе, минимальной толщины материалов и уровня термонапряжений.

Рисунок 1.2 - Модуль рабочей камеры ТЯР

Основное излучение плазмы будет восприниматься первой стенкой реактора. Основным продуктом D-T реакции являются нейтроны (Е=14,08 МэВ) и ядра гелия (Е= 3,48 МэВ). Тепловое и корпускулярное излучение плазмы в виде отходов реакции синтеза и вторичное γ-излучение бланкета воспринимаются первой стенкой, что в результате приведет к объемным и поверхностным повреждениям (изменениям) структуры материалов, степень которых будет определяться параметрами плазмы. В конечном счёте в стенке реактора выделяется 15-25%, а в бланкете 75-85% энергии D-T реакции синтеза. Наряду с радиационным воздействием первая стенка будет находится в сложном напряжённом состоянии, из-за нестационарности температурных и силовых условий работы реактора. Также, для реакторов с магнитным удержанием плазмы, работающих в циклическом режиме, характерным являются срывы плазмы, сопровождаемые мощным локальным тепловым и радиационным воздействием излучением.

Корпус разрядной камеры обеспечивает прочность, герметичность, служит для размещения оборудования реактора. В процессе работы на материал стенки оказываю воздействие следующие факторы:

-радиационное воздействие нейтронов;

-термомеханическое напряжение обусловленное действием температурных полей и силовых нагрузок напряжений; силовые нагрузки имеют механическую, электромагнитную, тепловую и радиационную природу, например, давление теплоносителя, собственная масса камеры и бланкета, внешнее атмосферное давление, вибрация оборудования, распухание материалов, силы обусловленные электромагнитными явлениями;

-воздействие теплоносителя (в данном случае: Pb-Bi).

Основные параметры ТЯУ и ТЯР, определяющие условия работы материалов, приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 – Основные параметры термоядерных установок и реакторов [1]

Параметры		Экспериментальные
М	И	Мкс	Ми	И
Мощность тепловая, МВт Длительность горения, с Длительность полного цикла, с Нагрузка на стенку, МВт·м^-2 Энерговыделение в стенке, МВт·м^-3 Поток частиц на стенку, м^-2·с^-1: нейтроны, Е=14МэВ нейтроны, 0<Е<14МэВ D^+ T^+ He ^+ Температура стенки, К Скорость повреждений, сна·с^-1	-   0,3-20 0,5-631 0,1-0,5   -   - - - - - 290-870 -	-   10^-9-10^-10 0,1   -   -   - - - - -   -	9-1500   0,11-6000 25-6030   0,08-2,50   1,7-5,0   7,6·10^12   7,6·10^12 (9,5÷20)·10^12 5·10^1^4 5·10^1^4 10^1^3 370-1320   2,2-4,5	0,1-1,0   -   -   -   -   - - - -   -	100-540   (1÷5)·10^-10 0,1   0,14-0,64   -   -   -   - - - 770-1270   -

М – магнитное удержание плазмы, И – инерциальное удержание плазмы, Мкс – магнитный, квазистационарный режим работы, Ми – магнитный, импульсный режим работы.

В таблице 1.3 приведены некоторые кандидатные конструкционные материалы, их достоинства и недостатки, примеры предполагаемого использования в разрабатываемых конструкциях.

Таблица 1.3 – Достоинства и недостатки кандидатных конструкционных материалов [1]

Класс материалов	Примеры использования в проектах ТЯР	Достоинства	Недостатки
Аустенитные нержавеющие стали: SS -316, SS-316 [(ХД-10%)+ +отжиг (1050К, 2ч) + (ХД-10%) ]     Ферритные (хромистые) стали НТ-9, Х13, Х9М1   Сплавы тугоплавких металлов: Mo-W, Ta-W, V-20Ti, Nb-1Zr, FS-85	UWMAK, TFTR, LLL   STARFIRE     ANL, UWMAK-III, ТВЭ-2500	1.Технологичность; 2.Изученность; 3.Распространенность; 4.Жаропрочность (до 750-850К); 5.Жаростойкость; 6.Удовлетворительная коррозионная стойкость   1.Технологичность; 2.Освоенность; 3.Распространенность; 4.Низкая стоимость; 5.Низкое распухание; 6.Хорошая совместимость с жидкометаллическими теплоносителями (850-900К); 7.Термостойкость; 8.Жаропрочность (до 650-760К)   1.Жаропрочность; 2.Термостойкость (Nb); 3.Хорошая совместимость с жидкометаллическими теплоносителями (>1150K); 4.Низкое распухание (V); 5.Низкое сечение захвата нейтронов (V,Mo); 6.Низкая упругость паров (Mo,Nb)	1.Радиационное охрупчивание; 2.Радиационное распухание; 3.Коррозия под напряжением, интеркристаллитная коррозия (750-950К); 4.Низкая термостойкость (теплопроводность); 5.Сильная активация и изменение изотопного состава.   1.Склонность к тепловой хрупкости (730-800К); 2.Самозакаливаемость при сварке; 3.Радиационное охрупчивание, повышение Тхп; 4.Склонность к росту зерна (Т>1000К); 5.Сильная активация и изменение изотопного состава     1.Низкая технологичность (Mo); 2.Высокая температура перехода в хрупкое состояние; 3.Радиационное охрупчивание; 4.Большое сродство к водороду, примесям внедрения; 5.Низкая жаростойкость; 6.Дорогая металлургия; 7.Высокий атомный номер

В итоге, анализ условий работы корпуса разрядной камеры показывает, что это один из наиболее напряженных узлов ТЯР, к которому предъявляются высокие требования надежности и устойчивости по целому ряду параметров, достигнуть которые необходимо оптимальным составом сплава и дальнейшей обработкой.

Дата добавления: 2015-09-04