АО «ЦИФРА» выполнит работы по определению напряженно-деформированного состояния и оценке прочности при действии испытательных нагрузок в поддержку разработки полномасштабного прототипа первой стенки ИТЭР.
По итогам проведенного открытого конкурса АО «ЦИФРА» заключило с АО «НИИЭФА им. Д.В.Ефремова» договор на выполнение НИОКР по теме «Расчетные работы по определению напряженно-деформированного состояния и оценке прочности при действии испытательных нагрузок в поддержку разработки полномасштабного прототипа первой стенки ИТЭР».
Цель и задачи работы
Цель работы – расчетное обоснование прочности модели полномасштабного прототипа первой стенки ИТЭР при действии испытательных нагрузок.
Одним из критериев работоспособности панели первой стенки ИТЭР являются ресурсные испытания тепловым потоком с параметрами, ожидаемыми в реакторе. Для оценки работоспособности разрабатываемой конструкции с точки зрения специальных норм прочности для внутрикамерных компонентов ИТЭР (SDC-IC) необходимо:
- Определить напряженно-деформированное состояние компонентов полномасштабного прототипа первой стенки при действии испытательных нагрузок;
- На основе определенных НДС и в соответствии с критериями специальных норм прочности (SDC-IC) выполнить оценку статической и циклической прочности при действии испытательных нагрузок;
- Если конструкция не удовлетворяет каким-либо критериям – выработать рекомендации по внесению изменений в конструкцию полномасштабного прототипа.
Расчетная нагрузка
Используемая при расчетах тепловая нагрузка включает в себя:
- кондуктивный тепловой поток (КТП) на бериллиевую поверхность тепловоспринимающих элементов первой стенки;
- тепловая нагрузка от теплоносителя (вода).
Длительность теплового нагружения - 15 с
Длительность паузы - 15 с
Расход теплоносителя (вода) через прототип ПС - 6,791 кг/с
Теплоноситель - вода
Давление теплоносителя на входе в тракт ПС - 3 МПа
Температура теплоносителя на входе в тракт ПС - 70°С
Расчетные модели
Расчетные модели, предназначенные для определения НДС полномасштабного прототипа первой стенки, должны адекватно описывать следующие особенности конструкции:
- бериллиевое покрытие типа Multi-tile толщиной 8 мм;
- бронзовую часть канала охлаждения типа Hypervapotron (с учетом её зубчатой структуры);
- каналы охлаждения в стальной части тепловоспринимающих элементов (пальцев);
- механические контакты пальцев с несущей частью конструкции первой стенки (НКПС);
- два крепления каждого пальца на НКПС;
- сварные швы трубок подвода/отвода теплоносителя в пальцы/из пальцев из блока коллекторов/в блок коллекторов НКПС;
- элементы болтовых соединений (болты, сферическая шайба, электроизоляционная вставка, шлицевая гайка для фиксации электроизоляционной вставки, резьбовой стакан, резьбовая втулка в защитном блоке) системы крепления ПС на защитном блоке.
Международный экспериментальный термоядерный реактор
ИТЭР строится совместно Евросоюзом, Россией, Китаем, Индией, Японией, Южной Кореей и США. Это будет первая масштабная попытка использовать для получения электроэнергии термоядерную реакцию, происходящую, в частности, на Солнце. В случае успеха это даст человечеству практически неисчерпаемый источник энергии. Пуск реактора намечен на декабрь 2025 года.
Собственно, название типа реактора - токамак (тороидальная камера с магнитными катушками) заключает в себе наличие тороидальной камеры. Вакуумная камера токамака ITER - грандиозное сооружение, основной задачей которого является создание вакуума по отношению к окружающей атмосфере, т.к плазменный разряд стартует в очень разряженной среде дейтерия или дейтерий-трития, а также – поддержание структурной целостности машины и сопротивление электромагнитным силам от плазмы.
Бланкетная система, расположенная внутри вакуумной камеры – первая в своем роде система интенсивного охлаждения и экранирования других элементов машины от радиации и тепла. Задача бланкета ITER - это защита всей остальной машины от излучения плазмы: теплового, рентгеновского, нейтронного и быстрых частиц.
Использование отделяемого бланкета позволит в ITER, путем его замены, обеспечить срок работы реактора до 25-30 лет. Для сменности весь бланкет – примерно 800 квадратных метров поверхности внутренней стенки разделен на 440 модулей по 4,5 тонны - максимальную массу, которой может маневрировать роботизированная система обслуживания бланкета. Каждый модуль, в свою очередь состоит из панели первой стенки и экранирующего блока за ней.
Конструктивно панель первой стенки представляет собой плоскую коробчатую конструкцию из нержавеющей стали, с полостями внутри для протекания теплоносителя. Методом сварки взрывом на нержавеющую сталь наваривается медный лист, к которому припаивается передняя бериллиевая поверхность толщиной порядка 5 мм. В панели первой стенки выполнены сквозные каналы для обслуживающего робота - через них он будет подключать при съеме и установке панель к системе охлаждения и закручивать держащий конструкцию болт. Для компенсации электромагнитных сил на задней поверхности панели первой стенки расположены специальные твердые площадки, передающие усилия на расположенный за панелью экранирующий блок. Кроме того, на панелях расположены специальные медные шины, которые шунтируют и канализируют текущие по конструкции токи Фуко, наводимые плазмой (до 700 ампер).
Для защиты первой стенки вакуумной камеры реактора ИТЭР от термоядерной плазмы предусмотрена облицовка плитками из бериллия и охлаждение изнутри водой. Задача первой стенки – восприятие теплового излучения и непосредственный контакт с периферией плазмы. Тепловая нагрузка панели первой стенки может достигать 8 мегаватт на квадратный метр, поэтому через саму панель поток теплоносителя может достигать 100 килограмм в секунду. В создаваемом термоядерном реакторе ИТЭР российская часть первой стенки составляет 40% или 270 м2, причем самых теплонагруженных. Изготавливаются они силами АО "НИКИЭТ" и АО "НИИЭФА им. Д.В.Ефремова". Панель первой стенки можно называют одним из самых сложных элементов по всем токамаке с точки зрения проектирования – к электромеханическим, нейтронным, технологическим сложностям добавляется еще тепловые, тепломеханические, ресурсные и интеграционные ограничения.
