ЭЛЕМЕНТ ПЕРВОЙ СТЕНКИ ТЕРМОЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 2010 года по МПК G21B1/13 

Изобретение относится к элементу первой стенки термоядерного реактора, содержащему по меньшей мере один состоящий из графитового материала тепловой экран с закрытым или открытым проходным отверстием и охлаждающей трубки, через которую протекает охладитель и которая, по меньшей мере частично, интегрально соединена по материалу с тепловым экраном и выполнена из материала с удельной теплопроводностью > 200 Вт/м·К.

Типичным примером использования элементов первой стенки такого типа является их использование в диверторах и лимитерах, которые подвергаются максимально возможным тепловым нагрузкам свыше 10 МВт/м². Элементы первой стенки обычно состоят из теплового экрана и теплоотводящей области. Материал теплового экрана должен быть совместим с плазмой, иметь высокое сопротивление физическому и химическому разбрызгиванию, высокую температуру плавления/температуру возгонки и максимально возможное сопротивление тепловому удару. Кроме того, он должен иметь высокую удельную теплопроводность, низкую наведенную радиоактивность при облучении нейтронами и достаточную прочность/трещиностойкость наряду с доступностью и приемлемой ценой. Помимо тугоплавких металлов, таких как вольфрам, этим многочисленным, а иногда противоречивым, требованиям наилучшим образом удовлетворяют графитовые материалы (например, армированный волокнами графит). Поскольку энергия плазмы воздействует на эти элементы в течение длительного времени, их обычно активно охлаждают. Отводу тепла способствуют теплоотводящие элементы, например, из меди или медных сплавов, соединенные известным образом с тепловым экраном.

Элементы первой стенки могут иметь различную конструкцию. Типичной конструкцией является моноблочная конструкция. В моноблочной конструкции элемент первой стенки состоит из теплового экрана с концентрическим каналом, соединяющим тепловой экран с охлаждающей трубкой.

Элементы первой стенки должны выдерживать не только механические напряжения, вызванные нагревом, но и дополнительные механические напряжения. Такие дополнительные механические нагрузки могут создаваться посредством обусловленных электромагнитной индукцией токов, которые протекают в элементах и взаимодействуют с окружающим магнитным полем. В этом случае могут возникать высокочастотные ускоряющие силы, которые должны передаваться тепловым экраном, т.е. например, графитовым материалом. Однако графитовые материалы имеют низкую механическую прочность и трещиностойкость. Кроме того, во время работы в результате нейтронного излучения происходит охрупчивание, которое дополнительно снижает трещиностойкость этих материалов. В качестве графитового материала обычно используется армированный волокнами графит (CFC). В этом случае армирование волокнами является трехмерным и линейным. Архитектура волокон придает материалу различные свойства в зависимости от их пространственного направления. Армированный волокнами графит обычно армирован в одном пространственном направлении посредством пековых (ex-pitch) волокон, имеющих максимальные прочность и удельную теплопроводность. Армирование по двум другим пространственным направлениям осуществляется полиакрилонитрильными (ex-pan) волокнами, причем для одного направления обычно используется только иглопробивание.

Таким образом, несмотря на то, что армированный волокнами графит имеет линейную архитектуру материала, геометрия соединения "тепловой экран/охлаждающая трубка" является круговой. Из-за различия коэффициентов теплового расширения используемых материалов во время изготовления происходит рост механических напряжений, которые могут привести к появлению трещин в армированном волокнами графите. Если такие трещины и могут быть обнаружены, то только с помощью чрезвычайно сложных методов по причине геометрических факторов и сочетания используемых материалов. Это создает определенные проблемы в отношении фона ядерного окружения для таких элементов прежде всего потому, что трещины/расслоения могут стать причиной крупных аварий. Несмотря на сложные и многолетние разработки по созданию элементов первой стенки элементы, имеющиеся на настоящее время, не соответствуют в полной мере указанным выше требованиям.

Поэтому целью изобретения является создание такого элемента первой стенки, который удовлетворяет требованиям, обусловленным наличием механических напряжений.

Эта цель достигнута благодаря признакам, указанным в п.1. формулы изобретения. Элемент первой стенки содержит по меньшей мере один тепловой экран из графитового материала, сторона А которого обращена к плазме, а сторона В - в противоположную сторону. Тепловой экран имеет одну или несколько щелей, которые выходят на сторону А или В и проходят, если смотреть в направлении оси охлаждающей трубки, по существу на длину теплового экрана. Предпочтительно, чтобы максимальная ширина щели в ее нижней части не превышала D/2, где D - наружный диаметр охлаждающей трубки. Испытания, описанные подробно в Примерах, показали, что элементы согласно изобретению хорошо выдерживают механические напряжения, возникающие как во время изготовления, так и при термоциклировании. Щель предпочтительно расположена приблизительно перпендикулярно к стороне А или В, а глубина щели предпочтительно больше половины расстояния между стороной А или В и ближайшей поверхностью охлаждающей трубки. Особенно предпочтительно, чтобы глубина "х" щели лежала в диапазоне u/2≤х≤9u/10, где u - расстояние в вертикальном направлении между стороной А или В и ближайшей поверхностью охлаждающей трубки. Однако щель может простираться даже до охлаждающей трубки или до пластичного слоя, покрывающего охлаждающую трубку. В этом случае тепловой экран имеет не закрытое, а открытое проходное отверстие. Так как обычно используются охлаждающие трубки с круглым поперечным сечением, проходное отверстие тоже имеет круглое поперечное сечение.

Минимальная ширина щели, равная 10 Мкм, может быть получена при использовании известных способов резки графитовых материалов, например резки алмазной пилой или проволокой. Предпочтительная максимальная ширина щели равна D/3. Чтобы избежать пиков напряжений в нижней части щели, предпочтительно, чтобы эта нижняя часть имела закругление с радиусом, равным 0,5 от ширины щели. Также предпочтительно, чтобы щель выходила на сторону В, поскольку при работе в области щели на стороне, обращенной к плазме, образуется небольшая эрозия. В одном из предпочтительных вариантов предусмотрена одна щель, направленная к центру охлаждающей трубки. Как подробно описано в Примерах, могут быть выполнены две или три щели, что также в значительной степени снижает напряжения, возникающие при изготовлении и при термоциклировании. Выполнение теплового экрана из армированного волокнами графита в сочетании с наличием щелей дает особенно большое преимущество, особенно когда пековые (Ex-pitch) волокна ориентированы приблизительно перпендикулярно к стороне А, полиакрилонитрильные (Ex-PAN) волокна ориентированы параллельно оси охлаждающей трубки, а иглопробивные полиакрилонитрильные (Ex-PAN) волокна ориентированы радиально относительно оси охлаждающей трубки. По экономическим соображениям и для обеспечения высокой удельной теплопроводности для изготовления охлаждающих трубок предпочтительно используются медные сплавы. Механические напряжения в элементе можно снизить введением между охлаждающей трубкой и тепловым экраном очень мягкого слоя (твердость < 200 HV (по Бринеллю)).

Ниже изобретение поясняется описанием примеров его осуществления и чертежами, на которых:

на фиг.1 показан в аксонометрии элемент согласно изобретению со щелью,

на фиг.2 - вид сверху элемента, изображенного на фиг.1,

на фиг.3 - разрез элемента, изображенного на фиг.1, и направление волокон в армированном волокнами графите,

на фиг.4 показан в аксонометрии элемент согласно изобретению с двумя щелями,

на фиг.5 - вид сверху элемента, изображенного на фиг.4,

на фиг.6 - разрез элемента, изображенного на фиг.4, и направление волокон в армированном волокнами графите,

на фиг.7 - вид сверху элемента согласно изобретению с V-образной щелью.

Пример 1

Элемент 1 первой стенки, изображенный на фиг.1-3, был изготовлен следующим образом.

Тепловые экраны 2 в виде моноблоков с каналом 4 были изготовлены из армированных волокнами графитовых блоков (CFC), причем высокопрочные пековые волокна были расположены в направлении наибольшей удельной теплопроводности, полиакрилонитрильные волокна были расположены параллельно оси охлаждающей трубки, а иглопробивные полиакрилонитрильные волокна - по оси охлаждающей трубки. Размеры отдельных моноблоков составляли 40 мм (пековые волокна), 30 мм (полиакрилонитрильные волокна) и 20 мм (полиакрилонитрильные иглопробивные волокна). Канал 4 имел диаметр 14 мм и был расположен в центре 9 симметрии теплового экрана 2. Перед дальнейшей обработкой стенка канала 4 была структурирована лазером, в результате чего в армированном волокнами графите образовалось множество конических отверстий. Эти отверстия типично имели глубину приблизительно 0,5 мм, а на поверхности достигали размера 0,2-0,3 мм. Интервал был выбран таким, чтобы поверхность стенки канала была максимальной. На стороне 6, обращенной от плазмы, в тепловом экране 2 путем резки проволокой была выполнена щель 7 шириной 0,3 мм. Эта щель 7 лежала на оси симметрии теплового экрана 2 и проходила от поверхности 6, противоположной плазме, к центральному каналу 4. Впоследствии канал 4 был заполнен бескислородной медью путем литья в присутствии карбидообразующего элемента, например титана. Процесс литья проводился так, что образованная ранее в тепловом экране 2 щель 7 шириной 0,3 мм не смачивалась медью. После литья расстояние между боковыми поверхностями щели 7 было меньше первоначального. Это говорит о том, что возникшие напряжения вызвали деформацию. Это приводит к снижению напряжений без ухудшения функциональных возможностей и полезных свойств элемента 1. Визуальная и металлографическая оценка поверхностей раздела "армированный волокнами графит/медь" в поддерживаемом состоянии не выявила никаких признаков возможного расслаивания в композите армированный волокнами графит/медь.

Затем полученный таким образом, наполненный медью канал 4 подвергался механической обработке так, что получился канал с диаметром 12,5 мм; следовательно, на армированном волокнами графите остался медный слой толщиной приблизительно 0,5-1,0 мм.

Три изготовленные таким образом тепловых экрана 2 со щелью 7 были насажены, путем скольжения, на охлаждающую трубку 3 диаметром 12 мм, состоящую из сплава CuCrZr, и вставлены в металлическую банку. После сварки банки ее откачали и герметично закрыли ее часть, к которой присоединялось откачивающее устройство. Затем заключенные в банку элементы были подвергнуты процессу горячего изостатического прессования (HIP) при температуре 550°С и давлении 1000 бар. Во время этого процесса в канале 4 моноблока 2 из армированного волокнами графита произошло интегральное соединение по материалу между трубкой 3 из CuCrZr и медным слоем. Кроме того, произошло отверждение материала CuCrZr, в результате чего могли быть достигнуты прекрасные механические свойства охлаждающей трубки 3. По окончании процесса соединения с полученного элемента 1 первой стенки можно было снять банку. Визуальный осмотр не выявил никаких повреждений, например расслоения. Проведенный дополнительно ультразвуковой тест с использованием пробника внутри трубки показал прекрасную поверхность раздела.

В заключение элемент 1 первой стенки подвергался воздействию плазмы на установке вакуумно-плазменного напыления. В этом случае элемент 1 был соединен с системой водяного охлаждения, имеющейся в установке, и удерживался захватной рукой расположенного в установке робота. По скорости потока, повышению температуры охлаждающей среды и поверхности 5, на которую действует плазма, был определен тепловой поток в диапазоне 10-15 МВт/м². Элемент 1 циклически перемещали сквозь плазму около 100 раз, каждый раз оставляя его в плазме до тех пор, пока не прекращался рост температуры охлаждающей воды. После этого испытания элемент 1 был проверен на наличие разрушений. Оказалось, что трещин не было ни в одном из испытуемых тепловых экранов 2, а такой результат не удавалось получить в известных элементах первой стенки.

Пример 2

В соответствии с примером 1 был изготовлен еще один элемент 1. В следующем испытании снабженная щелью поверхность подвергалась воздействию плазмы. Результаты испытания были аналогичны полученным в Примере 1 за исключением того, что в области щели 7 имела место небольшая эрозия.

Пример 3

Элемент 1 первой стенки, изображенный на фиг.1-3, был изготовлен следующим образом.

Тепловые экраны 2 в виде моноблоков с каналом 4 были изготовлены из армированных волокнами графитовых блоков (CFC), причем, как и в Примере 1, высокопрочные пековые волокна были расположены в направлении наибольшей удельной теплопроводности, полиакрилонитрильные волокна были расположены параллельно оси охлаждающей трубки, а иглопробивные полиакрилонитрильные волокна были расположены по оси охлаждающей трубки. Размеры отдельных моноблоков соответствовали приведенным в Примере 1. Образование каналов и лазерное структурирование выполнялись так же, как в Примере 1. На стороне 6, обращенной от плазмы, в тепловом экране 2 путем резки проволокой была выполнена щель 7 шириной 0.3 мм, расположенная на оси симметрии теплового экрана 2 и проходящая в канал 4. Так же, как в Примере 1, канал 4 был заполнен бескислородной медью, обработан механически и соединен с охлаждающей трубкой 3, состоящей из сплава CuCrZr, посредством пайки при температуре в области температуры (970°С) растворной термообработки CuCrZr. Охлаждение от температуры пайки до температур ниже 400°С происходило со скоростью охлаждения > 1 К/с, в результате чего во время последующего дисперсионного твердения при температуре 475°С в течение 3 часов могли быть получены оптимальные значения прочности. В полученных композитах после проведения термоциклирования согласно Примеру 1 не было обнаружено трещин.

Пример 3а

Элемент 1 первой стенки, изображенный на фиг.4-6, был изготовлен следующим образом.

Тепловые экраны 2 в виде моноблоков с каналом 4 были изготовлены из армированных волокнами графитовых блоков (CFC), причем, как и в предыдущих примерах, высокопрочные пековые волокна были расположены в направлении наибольшей удельной теплопроводности, полиакрилонитрильные волокна были расположены параллельно оси охлаждающей трубки, а иглопробивные полиакрилонитрильные волокна - по оси охлаждающей трубки. Размеры отдельных моноблоков были такие же, как в Примере 1. Образование каналов и лазерное структурирование выполнялись тоже аналогично Примеру 1. На стороне 6, обращенной от плазмы, в тепловом экране 2 путем резки проволокой были выполнены две щели 7 шириной 0.3 мм, расположенные зеркально-симметрично относительно оси симметрии теплового экрана 2. Каждая цель имела глубину x, равную 0,8u, где u - наименьшее расстояние между поверхностью 5 теплового экрана и охлаждающей трубкой 3. Затем так же, как в Примере 1, канал 4 был заполнен бескислородной медью, обработан механически и соединен с охлаждающей трубкой 3, состоящей из сплава CuCrZr, посредством пайки, как описано в Примере 3. В полученных композитах после термоциклирования, проведенного согласно Примеру 1, трещин обнаружено не было.

Пример 4

Элемент 1 первой стенки, изображенный на фиг.7, был изготовлен следующим образом.

Моноблоки были изготовлены согласно Примеру 1. На стороне 6, обращенной от плазмы, посредством резки проволокой была выполнена V-образная щель 7, показанная на фиг.7. Остальные операции проводились так же, как в Примере 1. В полученных композитах после термоциклирования, проведенного согласно Примеру 1, тоже не было обнаружено трещин.

Изобретение относится к термоядерным реакторам, в частности к элементам первой стенки реактора. Элемент первой стенки содержит по меньшей мере один тепловой экран из графитового материала, имеющий область А, обращенную к плазме, и расположенную противоположно область В. В тепловом экране выполнена по меньшей мере одна щель, которая выходит на поверхность В и ориентирована по существу в направлении оси охлаждающей трубки. Изобретение направлено на создание элемента, устойчивого в условиях высоких механических напряжений. 14 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Элемент (1) первой стенки термоядерного реактора, содержащий по меньшей мере один тепловой экран (2) из графитового материала и охлаждающую трубку (3) с наружным диаметром D, через которую протекает охладитель и которая по меньшей мере частично соединена интегрально своим материалом с материалом теплового экрана (2) и выполнена из материала с удельной теплопроводностью >200 Вт/(м·К), причем тепловой экран (2) имеет закрытое или открытое проходное отверстие (4), поверхность А (5), обращенную к плазме, поверхность В (6), расположенную с противоположной стороны, длину I и ширину b, отличающийся тем, что тепловой экран (2) имеет по меньшей мере одну щель (7), проходящую, по существу, на длину I теплового экрана и выходящую на поверхность В (6).

2. Элемент (1) первой стенки по п.1, отличающийся тем, что максимальная ширина "y" щели в ее нижней части равна D/2.

3. Элемент (1) первой стенки по п.1 или 2, отличающийся тем, что выходящая на поверхность В (6) щель (7) проходит вглубь, по существу, перпендикулярно этой поверхности.

4. Элемент (1) первой стенки по п.1 или 2, отличающийся тем, что глубина "x" щели (7) лежит в диапазоне u/2<x<u, где u - наименьшее расстояние между поверхностью (5, 6) теплового экрана и охлаждающей трубкой (3).

5. Элемент (1) первой стенки по п.4, отличающийся тем, что щель (7) проходит до охлаждающей трубки (3).

6. Элемент (1) первой стенки по п.1, отличающийся тем, что ширина "y" щели в ее нижней части составляет 10 мкм < y<D/3.

7. Элемент (1) первой стенки по п.1 или 2, отличающийся тем, что щель в нижней части закруглена.

8. Элемент (1) первой стенки по п.1 или 2, отличающийся тем, что тепловой экран (2) имеет одну щель (7), ориентированную в направлении к центру (9) охлаждающей трубки (3).

9. Элемент (1) первой стенки по п.1 или 2, отличающийся тем, что тепловой экран (2) имеет две щели (7), расположенные зеркально-симметрично относительно плоскости симметрии.

10. Элемент (1) первой стенки по п.1 или 2, отличающийся тем, что тепловой экран (2) имеет три или более щелей (7).

11. Элемент (1) первой стенки по п.1 или 2, отличающийся тем, что тепловой экран (2) выполнен из армированного волокнами графита.

12. Элемент (1) первой стенки по п.11, отличающийся тем, что волокна с наибольшей прочностью и щель (7) расположены друг относительно друга под углом не более 20°.

13. Элемент (1) первой стенки по п.11, отличающийся тем, что пековые волокна ориентированы приблизительно перпендикулярно поверхности А, полиакрилонитрильные волокна ориентированы параллельно оси охлаждающей трубки, а иглопробивные полиакрилонитрильные волокна ориентированы в радиальном направлении относительно оси охлаждающей трубки.

14. Элемент (1) первой стенки по п.1 или 2, отличающийся тем, что охлаждающая трубка (3) выполнена из медного сплава.

15. Элемент (1) первой стенки по п.1 или 2, отличающийся тем, что между охлаждающей трубкой (3) и тепловым экраном (2) расположен слой (8) чистой меди или медного сплава с твердостью менее 200 HV.