ПЕРВАЯ СТЕНКА ТЕРМОЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 2002 года по МПК G21B1/00 

Изобретение относится к ядерной технике, а более конкретно к конструкции первой стенки термоядерного реактора.

Известна конструкция первой стенки термоядерного реактора (см. "The ITER port limiter design". Fusion Engineering and Design, 43, 1998, p.75-92), основными элементами которой являются защитный экран, закрепленный посредством пайки на охлаждаемой панели, и система циркуляции теплоносителя, соединенная с охлаждаемой панелью. Защитный экран выполнен из бериллиевых деталей (тайлов), размещенных на охлаждаемой панели с зазором относительно друг друга, общее количество тайлов составляет сотни тысяч.

Недостаток конструкции первой стенки заключается в том, что невозможно гарантировать качественное соединение каждого тайла с охлаждаемой панелью, поэтому существует вероятность отслаивания отдельного тайла с оголением охлаждаемой панели, что снижает надежность работы реактора.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков является первая стенка термоядерного реактора (см. "Design of ITER EDA plasm a facing components". Fusion Engineering and Design", 39-40, 1998, p.377-384), содержащая охлаждаемую панель, соединенную диффузионной сваркой с защитным экраном из бериллия, внешняя сторона которого снабжена пазами, выполненными во взаимно перпендикулярных направлениях и разделяющими защитный экран на участки.

В процессе изготовления первой стенки термоядерного реактора защитный экран в виде бериллиевой пластины диффузионной сваркой соединяют с охлаждаемой панелью, после чего на поверхности защитного экрана выполняют пазы во взаимно-перпендикулярных направлениях с шагом около 6 мм. Пазы выполняют глубиной менее толщины защитного экрана.

Недостаток прототипа заключается в том, что основания пазов в защитном экране, являющиеся концентраторами напряжений, при работе реактора служат местом образования усталостных трещин, которые могут зародившись в бериллии, проникнуть в материт первой стенки и вывести термоядерный реактор из строя.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание первой стенки термоядерного реактора, обладающего повышенной надежностью за счет исключения повреждения первой стенки от напряжений, возникающих в защитном экране от теплового и нейтронного воздействия плазмы.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении настоящего изобретения, заключается в том, что в предлагаемой конструкции термические напряжения от воздействия плазмы концентрируются не в массиве защитного экрана, а в перемычках, что позволяет предотвратить возникновение и распространение усталостных трещин в материале первой стенки.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в известной конструкции первой стенки термоядерного реактора, содержащей охлаждаемую панель, соединенную диффузионной сваркой с защитным экраном из бериллия, внешняя сторона которого снабжена пазами, выполненными во взаимно перпендикулярных направлениях и разделяющими защитный экран на участки,
в защитном экране на противоположной стороне выполнены пазы, соосные пазам с внешней стороны и равные им по ширине, между основаниями пазов имеется перемычка, при этом глубина пазов на обратной стороне защитного экрана равна радиусу закругления основания паза.

Кроме того, пазы выполнены с шириной не более 1 мм.

Кроме того, толщина перемычки защитного экрана составляет не менее 1 мм.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлен фрагмент первой стенки термоядерного реактора.

Первая стенка термоядерного реактора содержит защитный экран 1, изготовленный из бериллия, и охлаждаемую панель 2, соединенную с ним диффузионной сваркой. В охлаждаемой панели 2 имеются каналы 3 для прохождения теплоносителя. Каналы 3 связаны с системой охлаждения (не показана). С внешней стороны защитный экран 1 разделен во взаимно перпендикулярных направлениях пазами 4 на участки 5. На противоположной стороне защитного экрана 1 выполнены пазы 6, соосные и равные по ширине пазам 4 с внешней стороны защитного экрана 1. Ширина пазов 4 и 6 составляет не более 1 мм.

Между основаниями пазов 4 и 6 имеется перемычка 7, толщина которой составляет величину не менее 1 мм, в противном случае возникает угроза слома защитного экрана 1 еще при изготовлении.

Выбранная величина пазов 4 с внешней стороны защитного экрана 1 позволяет предохранить основания пазов 4 от воздействия эрозии. В то же время для сохранения технологических свойств защитного экрана 1 очень важно добиться того, чтобы доля теплового потока, приходящаяся на основания пазов 4, по сравнению с тепловым потоком, приходящимся на поверхность защитного экрана 1, была бы минимальной.

Глубина пазов 6 на внутренней стороне защитного экрана 1 выполнена равной радиусу закругления основания паза 4 и составляет 0,5 мм. Такая глубина пазов 6 является достаточной, чтобы после диффузионной сварки с охлаждаемой панелью 2 в защитном экране 1 на границе с диффузионным слоем пазы 6 в нем сохранились.

Предложенная конструкция первой стенки термоядерного реактора функционирует следующим образом.

Первая стенка работает в условиях циклического нагружения при изменении плотности теплового потока плазмы от нуля до нескольких МВт/м², при этом перепад температур по толщине защитного экрана 1 может составлять несколько сот градусов. Одновременно защитный экран 1 подвергается эрозионному воздействию плазмы и служит защитой охлаждаемой панели 2 первой стенки. Поглощенное первой стенкой тепло отводится теплоносителем, циркулирующим через каналы 3 охлаждаемой панели 1 и систему охлаждения.

Имеющиеся в защитном экране 1 пазы 4 и 6 провоцируют возникновение усталостных трещин не в основном массиве защитного экрана 1, а в их основаниях, наличие же пазов 4 и 6 с двух противоположных сторон останавливает трещины в перемычках 7 между основаниями пазов, при этом локальные напряжения в материале спадают, что повышает надежность первой стенки и реактора в целом. Возникающие в перемычках 7 разрывы и трещины образуют столь незначительные зазоры между участками 5 защитного экрана 1 (порядка 0,01-0,02 мм), что это не влияет на его защитные и механические свойства. К тому же мало вероятно, что бы после разрыва одной из перемычек 7 одновременно произойдет разрушение остальных трех перемычек 7, соединяющих отдельно взятый участок 5 с соседними участками 5.

Таким образом, первая стенка позволяет локализовать и компенсировать термические напряжения не в массиве материала защитного экрана, а в перемычках, что предохраняет и защитный экран и охлаждаемую панель от разрушения, в результате чего повышается надежность предлагаемой конструкции.

Изобретение относится к ядерной технике, а именно к конструкции первой стенки термоядерного реактора. Первая стенка термоядерного реактора содержит охлаждаемую панель, соединенную диффузионной сваркой с защитным экраном из бериллия, внешняя сторона которого снабжена пазами, выполненными во взаимно перпендикулярных направлениях и разделяющими защитный экран на участки. В защитном экране на противоположной стороне выполнены пазы, соосные пазам с внешней стороны и равные им по ширине. Между основаниями пазов имеется перемычка, при этом глубина пазов на обратной стороне защитного экрана равна радиусу закругления основания паза. Технический результат заключается в том, что данная конструкция позволяет концентрировать тепловые напряжения от воздействия плазмы не на массиве защитного экрана, а в перемычках, изолированных от охлаждаемой панели, обеспечивает компенсацию напряжений и предотвращает проникновение усталостных трещин в материал первой стенки. 1 с. и 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Первая стенка термоядерного реактора (ТЯР), содержащая охлаждаемую панель, соединенную диффузионной сваркой с защитным экраном из бериллия, внешняя сторона которого снабжена пазами, выполненными во взаимно перпендикулярных направлениях и разделяющими защитный экран на участки, отличающаяся тем, что на внутренней стороне защитного экрана выполнены пазы, соосные пазам с внешней стороны и равные им по ширине, между основаниями пазов имеется перемычка, при этом глубина пазов на обратной стороне защитного экрана равна радиусу закругления основания паза. 2. Первая стенка ТЯР по п. 1, отличающаяся тем, что пазы выполнены с шириной не более 1 мм. 3. Первая стенка ТЯР по п. 2, отличающаяся тем, что толщина перемычки защитного экрана составляет не менее 1 мм.