ПОГЛОТИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ ПУЧКА УСКОРИТЕЛЬНО-НАКОПИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА Российский патент 1996 года по МПК H05H7/00 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в ускорительно-накопительном комплексе (УНК) при поглощении пучков протонов с энергией порядка тысячи гигаэлектронвольт (1000 ГэВ) и выше.

Основную проблему в создании поглотителей для перспективных УНК представляют процессы, вызываемые термоударом в момент воздействия импульса излучения на материалы поглотителя. При этом элементы поглотителя подвергаются динамическим циклическим нагрузкам, обусловленным высоким темпом изменения температуры элементов при нагреве ( ≈10⁷ К/с). Элементы испытывают резкое терморасширение, между ними возникают силы трения, способные вызвать их механическое разрушение. В результате возникает противоречие между необходимостью все большей фрагментации элементов поглотителя и обеспечения при этом все более эффективного теплоотвода от них.

Известны поглотители, в которых непосредственное охлаждение элементов осуществляется при прокачке охладителя через зону поглощения протонов.

Известен поглотитель, в котором пластины, поглощающие пучок, расположены в виде последовательного ряда с зазорами между ними и помещены в корпус для пропускания хладагента. Расстояние между пластинами выбрано так, чтобы обеспечить теплоотвод в щелевом канале с повышенным коэффициентом теплопередачи. Удельные тепловые нагрузки, отводимые с поверхности пластин, превышают 10 кВт/см² (авт.св. СССР N 272453, кл. Н 05 Н 7/00, 16.03.68).

Также известен поглотитель, предназначенный для пучка протонов с энергией до 3 ТэВ и мощностью энерговыделения до 300 МДж/импульс, который содержит графитовые шары, засыпанные в стальной цилиндрический корпус с двойными стенками. Охлаждение поглотителя осуществляется азотом, последовательно прокачиваемым между стенками корпуса и затем через засыпку шаров с давлением 2 МПа и расходом ≈30 кг/с, что позволяет отводить тепловую мощность ≈2400 кВт (Элемент графитовый: Пояснительная записка к техническому проекту ВШКЛ506333.001ПЗ. НИИ НПО "Луч", 1990).

Недостатки данных поглотителей заключается в следующем. Необходимо использовать газовые контуры высокого давления, разгерметизация которых может привести к выносу радиоактивных аэрозолей, накапливающихся в объеме поглотителя, кроме того, требуется применение сложной системы фильтрации. Засыпка графитовых шаров вследствие их переукладки под воздействием термоциклов характеризуется нестабильностью гидравлических характеристик, что ведет к перераспределению потока охладителя в объеме засыпки и образованию в ней перегретых зон с разрушенными шарами. Кроме того, в контуре охлаждения возможно образование синильной кислоты из-за совместного присутствия в нем примесей углерода и водорода.

Известны поглотители, в которых теплоотвод осуществляется за счет теплопроводности элементов поглотителя и сбросом тепла через конвективно охлаждаемый наружный корпус.

Поглотитель, используемый в сверхпроводящем синхротроне "Тэватрон" (США), содержит керн, набранный из графитовых блоков размерами 152х152х254 мм, размещенных в количестве 350 шт. в алюминиевом корпусе коробчатой формы, имеющем трехслойную стенку с каналами для прохода воды и размещенном, в свою очередь, в стальной оболочке, имеющей наружный слой бетонной защиты с пластиковым покрытием. Графитовый керн контактирует с внутренней поверхностью алюминиевой стенки корпуса через слой графитовой смазки, обеспечивающей тепловой контакт между поверхностью керна и стенкой корпуса по всей их длине (I.Kidd, N.Mokhov, T.Murphy atc. A.High Intensity Beam Dump for the Tevatron Beam Abort System. FNAL, Batavia, Illinois, 1985).

Недостатком известного поглотителя является сложность обеспечения надежного теплового контакта между графитовыми пластинами в керне, а также между керном и корпусом. Так как графитовые пластины по длине прогреваются неравномерно, то они имеют различные терморасширения, вызывающие их смещение относительно друг друга, приводящие к короблению стенок корпуса и появлению несплошностей в местах контакта. При многократных циклических нагружениях керна вследствие коллективной подвижности пластин в объеме корпуса накапливается радиоактивная графитовая пыль и возрастают контактные термосопротивления. В результате перегрева графитовых пластин возможны усиление фрагментаций керна и потеря работоспособности поглотителя, что не позволяет использовать его при энергии пучка выше 1000 ГэВ.

Известен поглотитель, выполненный в виде наборного пакета графитовых блоков размерами 130х130х130 мм, установленных вплотную друг к другу по оси пучка и имеющих на верхнем и нижнем торцах алюминиевые водоохлаждаемые камеры, а весь пакет размещен в алюминиевом корпусе, заполненном инертным газом гелием для предотвращения окисления графита и снабженном системой подводящих и отводящих труб для пропускания воды через соответствующие камеры (Шишулин В. П. Анисимов В.В. и др. Обоснование конструкции аварийного поглотителя энергии пучка УНК в обратном направлении. Отчет/ФЭИ, инв. N 52-07/131, 1990).

В данной конструкции поглощаемая мощность ограничивается недостаточно высокой теплопроводностью графита и большими термическими напряжениями, возникающими в элементах керна. В результате работоспособность поглотителя может быть обеспечена при мощности энерговыделения в импульсе не выше 30 кВт при энергии протонов 400-600 Гэв.

Наиболее близким к заявляемому поглотителю по количеству совпадающих существенных признаков прототипом является поглотитель, предназначенный для ускорителя SPS (ЦЕРН), выполненный в виде цилиндра, включающего графитовый сердечник, выполненный из графитовых блоков, плотно закрепленных в алюминиевой оболочке, содержащей каналы для пропускания охладителя воды, которая плотно закреплена в медной оболочке, а вся сборка размещена в отверстии блока радиационной защиты, выполненного из железа. При поглощении пучка тепло, выделяющееся в графитовых блоках, теплопроводностью передается через алюминиевую оболочку и отводится водой, часть тепла рассеивается через медную оболочку (R. Bellone, A. Ijspeert, P.Sievers. Recent Developments of Bearn Dumps and Targets at the SPS. CEP. N/SPS/83-6. March, 1983).

По оценкам ЦЕРН максимальный подъем температуры в графите в импульсе составляет ≈675^оС при интенсивности пучка. 3,5·10¹³ прот/импульс, длительности импульса 2,3·10^-5 с, энергии протонов 450 ГэВ. Всего в импульсе выделяется 2,5·10⁶ Дж энергии, средняя мощность 167 кВт. В учетом периодического воздействия импульсов и интенсивном охлаждении максимальная температура в графите достигает 757^оС. Однако применительно к перспективным УНК, в которых энергия протонов в импульсе увеличивается до 3000 ГэВ и интенсивность пучка достигает 6·10¹⁴ прот/импульс, развивающиеся в многослойном цилиндре уровни температуры и термонапряжений превосходят допустимые пределы для графита, алюминия и меди. Кроме того, даже при рабочих параметрах SPS в известном поглотителе из-за многократного термоциклирования между контактирующими слоями сердечника и цилиндра образуются зазоры с высокими термосопротивлениями, что вызывает перегрев графитовых блоков и их разрушение, усугубляемое бандажным эффектом со стороны металлических оболочек.

Технической задачей изобретения является обеспечение работоспособности поглотителя при увеличении энергии пучка протонов до 3000 ГэВ.

Техническая задача достигается тем, что в поглотителе энергии пучка УНК, включающем графитовый сердечник, размещенный в охлаждаемой металлической оболочке с возможностью контакта с ее внутренней поверхностью и выполненный в виде блоков, установленных в ряд вдоль оси пучка, блоки выполнены в виде дисков, установленных плоскостями перпендикулярно оси пучка из углерод-углеродного композиционного материала на основе высокомодульного графитового волокна, образующего плетеный или тканый многослойный каркас диска, матрица которого образована из пироуглерода, диски выполнены с утоненной стенкой на периферии, металлическая оболочка образована набором пластин, установленных с чередованием между утоненными стенками дисков, с образованием ребристой контактной поверхности, эквидистантной поверхности пакета дисков.

Кроме того, в пироуглеродную матрицу может быть введен порошковый наполнитель из карбида тугоплавкого металла, например порошок карбида ниобия или циркония, с размерами частиц 10-50 мкм в количестве 5-10 об.

Пакет дисков по длине поглотителя может быть набран из секций, в каждой из которых диски и кольцевые пластины прижаты друг к другу стяжными резьбовыми шпильками, установленными в сквозных отверстиях, выполненных в слое кольцевых пластин.

Выполнение в заявляемом поглотителе поглощающих энергию блоков в виде набора дисков из термостойкого углерод-углеродного композиционного материала на основе высокомодульного графитового волокна позволяет исполнить диски достаточно теплопроводными и тонкими (3-5 мм), с целью обеспечения работоспособности блоков при температурных и ударно-колебательных волновых нагрузках, обусловленных чрезвычайно высоким темпом температурных воздействий (≈10⁷ К/с). Уменьшение толщины пластин с 20 до 4 мм снижает уровень таких нагрузок с 2 до 0,1 кг/мм².

Выполнение дисков с утоненной стенкой на периферии позволяет развить площадь контактной поверхности между блоком и охватывающей его металлической оболочкой за счет того, что последняя набирается из пластин, например, кольцевой формы, чередующихся между тонкими стенками дисков. Этим обеспечиваются минимальные контактные термосопротивления между дисками и металлической оболочкой за счет сброса тепла с поверхностей дисков, перпендикулярных продольной оси поглотителя, при сохранении свободы их терморасширения в радиальном направлении.

Введение в пироуглеродную матрицу мелкозернистого наполнителя из карбида тугоплавкого металла позволяет повысить удельную плотность материала, что увеличивает его энергопоглощающую способность. Путем вариации массового содержания мелкозернистого наполнителя можно оптимизировать тепловыделение по объему поглотителя и при сохранении его габаритов или увеличить энергопоглощающую способность на 20-30% или существенно уменьшить тепловыделение на выходном участке. Рекомендуемые размеры включений (10-50 мкм) соизмеримы с диаметром графитовых волокон и позволяет сохранить однородную структуру диска. Уменьшение размера частиц менее 10 мкм создает технологические трудности для их равномерного распределения в объеме диска, а увеличение размера частиц свыше 50 мкм приводит к возрастанию энерговыделения в местах размещения крупных частиц, способного вызвать локальные перегревы, расстрескивания матрицы и ухудшение теплопроводности дисков.

Выполнение пакета дисков набранным по длине из отдельных секций позволяет сохранить целостность секций даже в случае расстрескивания отдельных дисков, упрощает технологию сборки поглотителя, исключает коллективную подвижность дисков по всей длине поглотителя, способную вызвать их заклинивание и разрушение.

На фиг. 1 изображен поглотитель в разрезе; на фиг. 2 показана структура диска; на фиг. 3 секция поглотителя; на фиг. 4 представлен узел I на фиг. 3.

Поглотитель содержит сердечник 1, размещенный в охлаждаемой металлической оболочке 2 с обеспечением между ними контакта по поверхности 3. Сердечник 1 образован дисками 4, каркас которых образован высокомодульным графитовым волокном 5, а матрица пироуглеродом 6. Диски выполнены с утоненной стенкой 7 на периферии, а металлическая оболочка 2 образована набором пластин 8, например, кольцевой формы, установленных с чередованием между стенками 7 дисков так, что контактная поверхность 3 имеет в продольном сечении ребристую (гребенчатую или зигзагообразную) конфигурацию. При этом контакт между стенками 7 и пластинами 8 образуется по их боковым поверхностям 9, а наружная торцовая поверхность стенок 7 закрывается соответствующими кольцами 10, размещенными с зазором 11 для компенсации радиального терморасширения дисков. Секции, из которых набран керн поглотителя, составлены из определенного числа дисков 4 и колец 8, 10 и прижаты боковыми поверхностями друг к другу с помощью стяжных резьбовых шпилек 12, установленных в сквозных отверстиях, выполненных в слое кольцевых пластин. Усилие затяжки шпилек выбирается с учетом терморасширения дисков и кольцевых пластин. Секции в сборе размещены в длинномерном цилиндрическом корпусе 13, в который введены трубки 14 и 15 для подачи и вывода гелия, а также трубка 16 для трассировки термопар. Снаружи корпуса 13 размещена рубашка 17 охлаждения, имеющая передний 18 и задний 19 торцы, а также входной 20 и выходной 21 патрубки для подачи и вывода охлаждающей воды через кольцевой зазор 22.

Заявляемый поглотитель работает следующим образом.

В процессе эксплуатации поглотитель может принимать пучки протонов из первой и второй ступеней ускорителя, например Серпуховского УНК. При воздействии пучка протонов на торец керна в направлении по стрелке 23 в дисках 4 реализуется температурное поле с максимальными по оси керна температурами. Временная температурная зависимость имеет колебательный характер (примерно от 1500 до 2100 К) с темпом нагрева в импульсе около 10⁷ К/с. Теплоотвод от дисков 4 осуществляется за счет их теплопроводности, далее тепло с боковых поверхностей тонких стенок 7 передается через контактные поверхности 9 на металлические пластины 8 и с их внешней поверхности через металлическую стенку корпуса 13 снимается водой, протекающей в тракте 22 охлаждения в направлении, обозначенном стрелками, от патрубка 20 к патрубку 21. В зависимости от режима теплового нагружения поглотителя водяной контур может работать либо в режиме естественной циркуляции, либо в режиме принудительной циркуляции с помощью насоса (не показан). Заполнение корпуса 13 гелием предотвращает окисление дисков 4 и улучшает теплоотвод от керна. Давление гелия выбирается большим, чем давление охлаждающей воды в тракте 22, что предотвращает ее попадание внутрь корпуса 13 и образование паров воды в зоне поглощения пучка. В процессе работы поглотителя осуществляется контроль температуры в элементах керна, температуры и давления воды, химического состава воды и гелия и др.

П р и м е р. Рассматривается поглотитель, рассчитанный на следующие параметры Серпуховского УНК: энергия протонов, сбрасываемых на поглотитель в прямом направлении, до 3000 ГэВ, интенсивность пучка 6·10¹⁴ прот/импульс, длительность импульса 65 мкс, суммарная энергия протонов в импульсе до 300 МДж, суммарное количество импульсов (требуемый ресурс) 3·10⁵, в нормальном режиме работы поглотителя математическое ожидание интервала между импульсами составляет 1200 с (режим с вероятностью сброса 10%), в аварийной серии импульсов реализуется до десяти последовательных сбросов с интервалом между ними 120 с, время охлаждения после аварийной непрерывной серии на десяти импульсов 3 ч максимальное удельное энерговыделение в углеродном материале до 1140 Дж/г·имп.

Габаритные и массовые параметры заявляемого поглотителя составляют: апертура протонного пучка на входе в поглотитель на уровне 3б 20,8·27,2 см², диаметр зоны поглощения из материала на основе высокомодульных графитовых волокон (диаметр дисков 4) 800 мм, диаметр поглотителя (наружный диаметр колец 8, 10) 1470 мм, длина поглотителя 8250 мм, общий вес поглотителя ≈40000 кг.

Диски 4 изготавливаются толщиной 4 мм с утонением до 2 мм, начиная с диаметра 750 мм. Материал дисков углеродные волокна марки УКН с модулем упругости Е ≥24000 кг/мм², прочностью на растяжение 300 кг/мм², наматываются или укладываются с образованием многослойного каркаса диска. Матрица диска образована пироуглеродом и содержит 5-8 об. частиц карбида ниобия крупностью ≈30 мкм. Суммарная плотность материала диска может составлять 1,3-1,7 г/cм³. Теплопроводность по радиусу диска 80-120 Вт/мК (при 20^оС). Каждая секция содержит 25 шт. дисков 4 и кольцевые пластины 8, 10 толщиной по 2 мм, выполненные из алюминия.

Таким образом, керн поглотителя образован набором из 100 шт. секций. Корпус 13 и рубашка охлаждения выполнены из нержавеющей стали типа 12Х18Н10Т.

Расчеты показывают, что максимальная температура дисков 4 не превышает 2100 К, максимальная температура алюминиевых колец 8, 10 в режиме с центральным расположением пучка составляет ≈600 К. В режиме с максимально возможным эксцентриситетом пучка температура алюминиевых колец не превышает 880 К при 10%-ной вероятности сброса пучка. По оценкам после 16 ч работы поглотителя со средним интервалом между импульсами 1200 с и последующего приема серии из десяти последовательных сбросов с интервалами 120 с максимальный тепловой поток в воду не превышает 0,66 МВт.

Заявляемый поглотитель в сравнении с прототипом обладает повышенными теплофизическими и термопрочностными характеристиками, обеспечивающими его работоспособность в Серпуховском УНК при энергии протонов, сбрасываемых в прямом направлении, до 3000 ГэВ.

В обоснование работоспособности заявляемого поглотителя проведены теплофизические и прочностные расчеты конструкции, получены экспериментальные оценки усталостной прочности материала дисков, исследовано влияние совместного действия высокой температуры и нестационарных напряжений путем электронного облучения образцов дисков, получены оценки радиационной и химической стойкости дисков.

Изобретение относится к ускорительной технике и позволяет обеспечить работоспособность поглотителя при увеличении энергии пучка протонов в ускорительно-накопительном комплексе до 3000 ГэВ. Сущность изобретения: поглотитель содержит сердечник, выполненный в виде набора дисков из углерод-углеродного композиционного материала на основе высокомодульного графитового волокна, образующего плетеный или тканый многослойный каркас диска, матрица которого образована из пироуглерода. Диски выполняются с утоненной стенкой на периферии и при сборке сердечника чередуются с металлическими пластинами, установленными между утоненными стенками так, что образуется ребристая контактная поверхность, эквидистантная поверхности пакета дисков, а наружные торцы пластин образуют поверхность охлаждаемой оболочки. В пироуглеродную матрицу могут вводиться наполнители из порошков карбидов тугоплавких металлов, а пакет дисков по длине может быть набран из секций, в каждой из которых обеспечивается прижатие стенок дисков и пластин друг к другу с помощью стяжных резьбовых шпилек. При работе поглотителя выделяющееся в сердечнике тепло за счет теплопроводности материалов передается от дисков к металлическим пластинам через контактные боковые поверхности и отводится наружу через конвективно охлаждаемую поверхность металлической оболочки. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. ПОГЛОТИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ ПУЧКА УСКОРИТЕЛЬНО-НАКОПИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА, включающий сердечник, изготовленный из материала на основе углерода, размещенный в охлаждаемой металлической оболочке с возможностью контакта с ее внутренней поверхностью и выполненный в виде блоков, установленных в ряд вдоль оси пучка, отличающийся тем, что блоки выполнены в виде дисков, установленных так, что торцевая поверхность диска перпендикулярна оси пучка, причем диски изготовлены из углерод-углеродного композиционного материала на основе высокомодульного графитового волокна, образующего плетеный или тканый многослойный каркас диска, при этом матрица диска выполнена из пироуглерода, толщина диска на периферии меньше, чем в центральной части, причем металлическая оболочка выполнена в виде набора пластин, установленных с образованием ребристой контактной поверхности, эквидистантной поверхности пакета дисков. 2. Поглотитель по п.1, отличающийся тем, что в пироуглеродную матрицу введен порошковый наполнитель из карбида тугоплавкого металла в количестве 5 - 10 об.%. 3. Поглотитель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что наполнитель выполнен в виде порошка карбида ниобия или циркония с размерами частиц 10 - 50 мкм. 4. Поглотитель по п.1, отличающийся тем, что пакет дисков и пластин по длине поглотителя набран из секций, в каждом из которых диски и пластины стянуты резьбовыми шпильками, установленными в сквозных отверстиях, выполненных в пластинах.