Международный проект ИТЭР

 

Рисунок 1.Общий вид термоядерного 
реактора ИТЭР

НИКИЭТ более 30 лет принимает активное участие в программах по освоению управляемого термоядерного синтеза (УТС): участие в проектах Т-20, ГТРТ, ОПТЭС, ОТР, ИНТОР, ИТЭР и ДЕМО. Основным направлением деятельности НИКИЭТ по УТС является разработка ядерно-физических систем термоядерных установок, которые включают бланкет, системы преобразования энергии, экспериментальные модули. Специалисты НИКИЭТ осуществляют комплексную разработку конструкций указанных систем, проводят экспериментально-исследовательские и опытно-конструкторские работы, привлекают к сотрудничеству другие предприятия ядерной отрасли России.

Наиболее значимым вкладом НИКИЭТ в освоение УТС является участие (совместно с НИИЭФА, РНЦ «КИ» и ВНИИНМ) в разработке международного термоядерного реактора ИТЭР на основе межправительственного соглашения семи стран-участниц проекта: Европейского Союза, Индии, КНР, Кореи, России, США и Японии. Следует отметить разработку проекта демонстрационного термоядерного реактора (ДЕМО), как прототипа будущих термоядерных электростанций, а также экспериментальных бридинговых модулей ДЕМО, предназначенных для испытаний в ИТЭР.

Применительно к ядерно-физическим системам ИТЭР НИКИЭТ ведет расчетно-конструкторские и экспериментально-исследовательские работы по двум направлениям: защитные модули бланкета и соединители бланкета.

Защитные модули бланкета

Данное направление посвящено разработке защитных железоводных металлоконструкций (модулей), размещенных на внутренней поверхности тороидальной вакуумной камеры (ИТЭР – установка типа «токамак») и предназначенных для осуществления следующих функций: 

cameraiter

moduleiter
Рисунок 2.Сектор вакуумной
камеры ИТЭР с установленными
модулями защитного бланкета.
Рисунок 3.Защитный модуль бланкета
ИТЭР Shield block-защитный блок;
First Wall panel-панель первой стенки
  • нейтронная и тепловая защита вакуумной камеры и катушек магнитного поля от факторов воздействия термоядерной плазмы;
  • формирование первого барьера безопасности;
  • обеспечение теплосъема с металлоконструкции во всех режимах работы установки;
  • вклад в стабилизацию положения плазменного шнура;
  • размещения систем диагностики плазмы и состояния металлоконструкции внутрикамерных компонентов;

Бланкет реактора ИТЭР (рис. 2) – система 440 защитных модулей, зафиксированных на внутренней поверхности вакуумной камеры с помощью специально предусмотренной системы крепления. Бланкет условно разделен на три региона (рис. 2): внутренний (модули №1-6), верхний свод камеры (модули №7-10) и внешний(модули №11-18). В свою очередь каждый модуль – сборочная единица, включающая первую стенку (энергонапряженный компонент, обращенный к плазме) и защитный блок (рисунок 3). В период до 2010 года в НИКИЭТ проводились расчетно-конструкторские и экспериментально-исследовательские работы по защитным блокам модулей бланкета ИТЭР, затем в связи с изменением структуры поставочных комплектов было принято решение о замене для РФ поставочного комплекта защитных блоков на блоки первых стенок, способных выдерживать тепловой поток до 5 МВт/м2. Иллюстрация принятого в ИТЭР решения об изменении разделения поставочных комплектов между странами-участниками представлено на рисунке 4.

complectiter1complectiter2
Рисунок 4.Принятое на данный момент между странами-участниками разделение поставочных комплектов по бланкету ИТЭР 
blok16 blok8

 

Результаты расчетно-конструкторских и технологических работ по защитным блокам, проведенные специалистами НИКИЭТ представлены на рисунке 5 (макеты, полученные механической обработкой) и анимационных файлах "Защитный блок №12." и "Защитный блок №16".

Рисунок 5.Полномасштабные макеты
защитныx блоков №16(слева) и
№8(справа)

 

1

2

Анимация "Защитный блок №12"

 

Анимация "Защитный блок №16"

 


panel1
Рисунок 6.Поперечный(радиальный)
разрез фрагмента панели ПС

 Панели первой стенки (ПС) имеют следующее функциональное назначение: 

  • - формирование поверхности, обращенной к плазме, с использованием материалов с низким атомным числом (Z);
  •  - восприятие потока заряженных частиц из плазмы и радиационных нагрузок в условиях нормальной эксплуатации реактора ИТЭР;
  •  - защита внутрикамерных компонентов и вакуумной камеры от непосредственного контакта с плазмой и «убегающими электронами» при отклонении от условий нормальной эксплуатации ИТЭР;

- первый (заменяемый в условиях горячих камер) защитный барьер от радиационного повреждения для внутрикамерных компонентов.

panel2
Рисунок 7.Продольный(тороидальный)
разрез фрагмента панели ПС

Панель ПС является обращенным к плазме внутрикамерным компонентом ИТЭР (габаритные размеры панели в тороидальном, полоидальном и радиальном направлениях составляют ≈1400x1100x300 мм соответственно) механически фиксируется на фронтальной (обращенной к плазме) поверхности защитного блока (ЗБ) посредством специально предусмотренного узла крепления. Циркуляция водяного теплоносителя организована по последовательной схеме: теплоноситель подается в панель ПС, а затем, после прохождения трактов охлаждения конструктивных элементов ПС, поступает на вход ЗБ.
В свою очередь, каждая панель ПС также является сборочной единицей, состоящей из несущей части (НЧ) и системы пальцев – энергонапряженных элементов, обращенных к плазме. Механическое крепление каждого пальца ПС к НЧ осуществляется с помощью 4-х штифтовых соединений (рисунки 6, 5), а гидравлическое соединение - приваркой входного и выходного патрубков теплоносителя пальца ПС к НЧ (рисунок 7).

ps
Рисунок 8.Два последовательно
соединенных пальца ПС

teplon
panelps

Рисунок 9.Модель теплоносителя и
фрагмент несущей части панели ПС

Разработана новая конструкция панели ПС, основной особенностью которой является использование технологии Hypervapotron в бронзовой части пальца ПС (рисунки 7-9). Данная геометрия канала охлаждения позволяет конструкции ПС выдерживать высокие тепловые потоки и увеличить запас до кризиса теплообмена первого рода. В связи с изменениями в конфигурации тракта охлаждения пальцев ПС, модификации подверглась вся схема охлаждения панели – соседние пальцы ПС были последовательно (по два) соединены гидравлически с помощью U-образной перепускной трубки (рисунки 9, 10).
Данное изменение продиктовано необходимостью иметь скорость не менее 2 м/с в канале типа Hypervapotron (HVP). Таким образом, для МБ 4 панель ПС – это система 20 гидравлически параллельно соединенных пар пальцев. Кроме того, во фронтальной части НЧ выполнен прямоугольный канал размером 24×17 мм (рисунки 6, 9), что позволяет обеспечить более эффективное охлаждение НЧ ПС. Также было предложено использовать алюминиевую бронзу в качестве материала серег НЧ и Inconel 718 в качестве материала штифтов (рисунки 6, 9). 

inductive
Рисунок 10.Нестационарные распределения
температур в элементах конструкции
панели ПС в режиме Inductive I, °С

Использование алюминиевой бронзы позволит более эффективно снимать тепло со штифтов, а высокие прочностные характеристики материала Inconel 718 - держать нагрузки, возникающие в штифтовом соединении при эксплуатации. Алюминиевая бронза используется также в качестве материала вставок (рисунок 8), обеспечивающих необходимые защитные свойства панели ПС в центральной части (выборка под перепускные трубки, рисунок 9).

image11-1image11-2
image11-3image11-4

Рисунок 11.Распределение экви-
валентных напряжений в элементах
конструкции панели ПС.

Результаты расчетного обоснования конструкции, представленной на рисунках 6-9, представлены на рисунке 10 - нестационарные распределения температур в элементах конструкции в режиме индуктивного горения плазмы ИТЭР (Inductive I). На основе данного распределения температур был проведен анализ напряженно-деформированного состояния (НДС) и последующий анализ прочности элементов конструкции.
Проведенный расчет НДС и выполненный анализ прочности показали, что в рассмотренных элементах конструкции ПС модуля бланкета ИТЭР требования критериев статической прочности выполняются в соответствии с нормативными критериями SDC-IC. (рисунок 11).

image12 image13

 

В настоящее время специалисты ОАО "НИКИЭТ" также разрабатывают оптимизированную конструкцию узла крепления панели ПС на защитном блоке. Конструктивная схема рассматриваемого узла представлена на рисунках 12 - 13.


Рисунок 12. Продольный разрез панели ПС в сборе с защитным блоком. Рисунок 13.Панель ПС. Вид со
стороны защитного блока.

  

Разрабатываемая в настоящее время конструкция несущей части панели ПС представлена также в анимационных файлах "Панель первой стенки модуля №4." и "Панель первой стенки модуля №8".

3

4

Панель ПС модуля №4 Панель ПС модуля №8

Соединители модулей бланкета

14 image15
Рисунок 14.Система крепления модулей
внутреннего бланкета.
Рисунок 15.Система крепления модулей
внешнего бланкета.

Базовая конструкция крепления бланкета реактора ИТЭР представляет собой систему из четырех гибких опор, удерживающих модуль в радиальном направлении, и трех ключей, являющихся принадлежностью вакуумной камеры и ограничивающих перемещения модуля в полоидальном и тороидальном направлениях. На рис.14 и 15 схематично представлены системы крепления модулей внутреннего и внешнего бланкета.
Модули внутреннего бланкета удерживаются четырьмя гибкими опорами (Flexible supports), двумя межмодульными полоидальными ключами (Intermodular key) и одним центрирующим тороидальным ключом (Centering toroidal key). Модули внешнего бланкета удерживаются четырьмя гибкими опорами и тремя полыми ключами, расположенными под модулем (Stub key).
Базовые конструкции гибких опор внутреннего и внешнего бланкета показаны на рисунках 16 и 17 соответственно.

Гибкая радиальная опора состоит из гибкого картриджа, центрального болта и компенсационной втулки.

base1 base2
Рисунок 16.Гибкая опора
внутреннего бланкета.
Рисунок 17.Гибкая опора
внешнего бланкета. 
image18
Рисунок 18.Модифицированная
конструкция гибкой опоры

Картридж представляет собой полый цилиндр из сплава Ti-6Al-4V или с продольными прорезями, образующими гибкие спицы 10х10 мм в сечении. Нижний фланец картриджа вворачивается в резьбовое гнездо вакуумной камеры, а верхний притягивается к тыльной поверхности модуля с помощью болта из никелевого сплава Инконель 718. Бронзовая втулка компенсирует разность термических расширений титанового и никелевого сплавов. Торцы втулки верхнего фланца картриджа покрыты керамической изоляцией для предотвращения электрического замыкания на стенку вакуумной камеры по периферии модулей. 

image19-1image19-2-
Рисунок 19.Определение предельной нагрузки по кривой пластических деформаций и
распределение напряжений в радиальной опоре в момент пластического коллапса.  

 

В 2010 году гибкая радиальная опора претерпела конструктивные изменения (рисунок 18).

Предельная нагрузка, которую может воспринимать радиальная опора внутреннего бланкета, по результатам упруго пластического анализа с учетом всех резьбовых соединений составляет 1.17 МН при ожидаемой нагрузке с учетом динамического усиления 500 кН. На рисунке 19 представлена зависимость максимальных осевых перемещений модуля от радиальной растягивающей силы и распределение эквивалентных напряжений в опоре при достижении состояния разрушени(пластического коллапса).

image20-1 image20-2
Рисунок 20.Пластические деформации в конической вставке
и нормальное контактное давление на керамическую изоляцию.

 

 

 

На рисунке 20 показаны пластические деформации в конической вставке и нормальное контактное давление на керамическую изоляцию.

Испытания резьбовых соединений гибких опор для нагрузок ±600 кН и до 3500 циклов  проводились в НИКИЭТ в 2003 -2006 годах.

 

Оснастка и модели для циклических испытаний резьбовых пар Оснастка и модели для циклических испытаний резьбовых пар Оснастка и модели для циклических испытаний резьбовых пар Оснастка и модели для циклических испытаний резьбовых пар
Рисунок 21.Оснастка и модели для циклических испытаний
резьбовых пар.

На рисунке 21 представлены резьбовые пары М150х4 и М45х4 и экспериментальная оснастка для стенда "Shank 630".

Базовая конструкция ключей имеет бронзовые накладные пластины, покрытые с внутренней стороны керамической изоляцией, препятствующей развитию наведенных токов по периферии модулей. Непосредственную угрозу целостности керамической изоляции представляют ударные воздействия модулей на бронзовые контактные пластины и их пластическая деформация. Проблема усугубляется тем, что сборка бланкета может быть осуществлена только при наличии технологических зазоров между модулем и ключами. Наличие зазоров порождает значительные динамические ударные нагрузки.

image22 image23

Рисунок 22.Статическая реакция
полоидальных ключей модуля №4
на нагрузку DWVDE36LCQ, кН.

 

Рисунок 23.Динамическая реакция
полоидальных ключей модуля №4
на нагрузку DWVDE36LCQ, кН.
 

 

Характерный пример ударных нагрузок, испытаваемых ключами с зазорами 0.5 мм во время одного из сценариев срыва плазмы (вертикальное смещение плазмы вниз с линейным падением тока плазмы в течение 36 мс – DWVDE36LCQ) представлен на рисунках 22 (статический анализ) и 23 (динамический анализ). 

Хорошо видно, что коэфициент динамического усиления достигает 2.4: ~ 500 кН в статике и 1200 кН в динамике.
Вместе с тем, упруго-пластический анализ межмодульного ключа внутреннего бланкета показал, что предельная нагрузка на ключ составляет всего около 1000 кН.

На рисунке 24 представлено распределение эквивалентных напряжений в ключе в момент пластического коллапса и на рисунке 25 - зависимость пластических деформаций (перемещений) в зависимости от приложенной нагрузки и допустмые уровни нагрузок.


image24 image25

Рисунок 24.Распределение эквивалентных
напряжений в межмодульном ключе, Па. 

 Рисунок 25.Определение предельной нагрузки
 на ключ по кривой пластических деформаций. 

image26

Рисунок 26.Распределение эквивалентных
напряжений в накладке межмодульного
ключа, Па. 

 

Последующие расчеты, проведенные для ключей внутреннего бланкета, показали наличие существенных проблем в узлах крепления бронзовых электроизолирующих накладок. В частности, полоидальная и тороидальная нагрузки на модуль создают дополнительные тангенциальные нагрузки на бронзовые накладки. Характерная картина пластических деформаций (напряжения, превышающие предел текучести бронзы, представлены серым цветом) показана на рисунке 26.

image27-1 27-2 27-3

В настоящее время рассматривается несколько альтернативных конструкций изолирующих накладок, расположенных не на ключе, а на защитном блоке. На рисунках 27-28 представлены коническая, прямоугольная и цилиндрическая конструкции накладок.


Рисунок 27.Коническая, прямоугольная и цилиндрическая конструкции изолирующих
накладок внутреннего бланкета, расположенных на защитных блоках. 

 

image28 image29

В 2011 году предстоит выбрать конструкцию электроизолирующих накладок и обосновать их работоспособность расчетным и экспериментальным путем. В частности, предполагается провести испытания накладок с электроизоляционным керамическим покрытием на ударные нагрузки до 2 МН. На рисунке 28 показан стенд для воспроизведения ударных нагрузок на электроизолирующие накладки и на рисунке 29 - характерная диаграмма ударного нагружения.

Рисунок 28.Экспериментальная оснастка для
ударных испытаний накладок с керамическим
электроизоляционным покрытием.
 Рисунок 29.Характерные осциллограммы давления
 в ударном генераторе, ударной нагрузки, деформаций
 и перемещений накладок
 

Экспериментальные бридинговые модули бланкета тяр демо для испытаний в реакторе ИТЭР

В ОАО "НИКИЭТ" в рамках сотрудничества РФ-Индия проводится расчетно-конструкторские и опытно-экспериментальные работы по созданию испытательного модуля бланкета (ИМБ) для международного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР на основе концепции свинцово-литиевого бланкета с керамическим бридером (СЛКБ). Для наработки трития в СЛКБ используются литиевая керамика (титанат лития Li2TiO3) и свинцово-литиевая эвтектика (Li17Pb83) с 90% обогащением по изотопу 6Li. Эвтектика отводит тепло из бридерной зоны, а для охлаждения первой стенки и корпуса ИМБ используется гелий.
Данная концепции предоставляет возможность: 
  • поддержания в процессе эксплуатации необходимого содержания изотопа 6Li в циркулирующем эвтектическом теплоносителе/бридере, компенсируя тем самым эффект выгорания данного изотопа в стационарном  керамическом бридере;
  • одновременной экспериментальной отработки двух термоядерных технологий (с газовым и жидкометаллическим теплоносителями) в составе единой конструкции;
  • оценки целесообразности их совместного использования в проектах бланкетов перспективных термоядерных установок;
  • отказа от использования токсичного бериллиевого размножителя нейтронов, что делает проект привлекательным с точки зрения безопасности.
Основной особенностью конструкции ИМБ является переход на последовательно-параллельную схему течения эвтектики с зонами подъемного и опускного течения с циркуляцией в системе параллельных полоидальных каналов, что позволяет существенно снизить МГД-потери давления (даже без электроизоляционного покрытия тракта эвтектик) и повысить выходную температуру эвтектики до 500°С.
Керамические блоки в зоне воспроизводства трития (ЗВТ) размещаются в зоне подъемного течения эвтектики. Радиальная толщина каждого блока выбирается в соответствии с результатами нейтронно-физического расчета таким образом, чтобы обеспечить оптимальную скорость генерации трития, снизить неравномерность выгорания ядер 6Li в керамике в процессе эксплуатации и, соответственно, повысить ресурс керамических блоков.
При оптимизации варианта конструкции ИМБ рассматривались различные схемы ЗВТ, а также производился выбор оптимальной конфигурации тракта газового охлаждения корпуса ИМБ. Был произведен сравнительный анализ по всему комплексу характеристик с целью выбора оптимальной (для данного этапа проектировании) компоновки модуля. Независимо от рассматриваемого варианта конструкция ИМБ включает в себя следующие основные элементы (рисунок 30):
imb
Рисунок 30.СЛКБ ИМБ в
поперечном разрезе.

- первая стенка (ПС);
- верхняя и нижняя крышки корпуса ИМБ;
 - блок с керамическим бридером;
- межканальные перегородки;
- входной/выходной коллекторы и патрубки эвтектики;
- входной/выходной коллекторы и патрубки He-теплоносителя;
- входной/выходной коллекторы и патрубки газа-носителя;
- система крепления ИМБ на опорной раме;
- элементы системы диагностики.
Размеры ЗВТ в полоидальном´радиальном´тороидальном направлениях (без учета коллекторов эвтектики) – 1540х432х439 мм, соответственно. ЗВТ в оптимизированном варианте, интегрированная с несущим корпусом ИМБ также представлена на рисунке 30. В результате работы были получены нейтронно-физические характеристики СЛКБ ИМБ в стационарном состоянии, оценены его термогидравлические параметры и проведен расчет напряженно-деформированного состояния (НДС) несущего корпуса модуля, возникающего под действием давления гелиевого теплоносителя (8 МПа при температуре 325°С). Основные параметры конструкции СЛКБ ИМБ и основные расчетные характеристики сведены в таблицу 1.

Таблица 1.Основные параметры конструкции СЛКБ ИМБ

Параметр Значение
Суммарная толщина керамики, мм 190
Суммарная тепловая мощность ЗВТ, кВт 362
Суммарная тепловая мощность ИМБ за счет нейтронного нагрева, кВт ~560
Тепловая мощность на ПС при тепловом потоке 0,5 МВт/м2 ~400
Скорость наработки трития в ИМБ, T/c 1,88•1017
Расход гелиевого теплоносителя в тракте охлаждения ИМБ, кг/c 1,65
Расход эвтектики, кг/с 11
Входная температура гелиевого теплоносителя, °С 325
Выходная температура гелиевого теплоносителя, °С 387
Входная температура эвтектики, °С 325
Выходная температура эвтектики, °С 498
Подогрев эвтектики в подъемных трактах, °С ~130
Подогрев эвтектики в опускных трактах, °С ~43
Скорость в канале охлаждения ПС, м/с 70,7
Максимальная скорость эвтектики в тракте ИМБ, мм/с 77
Потери давления по тракту охлаждения ИМБ, кПа 400
МГД-потери давления в тракте ИМБ c изоляцией/без изоляции, кПа 10/49
Коэффициент теплоотдачи в канале охлаждения ПС, Вт/(м2К) 5715
Максимальная температура защитного покрытия ПС,°С 570
Максимальная температура защитного покрытия ПС (центральная часть ПС),°С 554
Максимальная температура ФМ-стали,°C 556
Максимальная температура ФМ-стали в сечении по каналу охлаждения ПС, °С 553
Максимальная температура ФМ-стали между каналами охлаждения ПС, °С 548
Максимальная температура на границе «эвтектика – ФМ-сталь», °С 495,40
Максимальная температура на границе «керамика - ФМ-сталь»,°С 505
Максимальная температура керамики, °С 782,5

Совместно с ОАО "ИРМ" проведены следующие опытно-экспериментальные работы в обоснование проекта СЛКБ ИМБ:
- создан реакторный стенд (РИТМ-Ф) и проведены испытания макетов бридинговой зоны (с керамическим бридером) в режиме непрерывного выделения трития; испытаны прототипы оборудования тритиевой системы (рисунок 31);
- пущен в эксплуатацию стенд исследования проницаемости изотопов водорода (ИПИВ), на котором были проведены тестовые эксперименты (рисунок 32);
- изготовлен стенд внереакторных испытаний прототипа (ВИП) системы мониторинга (СМТ) ИМБ (рисунки 33-34);
- разработаны проектные материалы на жидкометаллическую петлевую установку (ЖМПУ) для реакторных испытаний моделей бридинговой зоны (РИМБЗ) ИМБ на реакторе ИВВ-2М (рисунок 35-36);
- подготовлена, согласована и подписана Техническая программа сотрудничества между Институтом Индии (ИИП) и институтами Российской Федерации (ОАО “НИКИЭТ”, ФГУП “НИИЭФА” и РНЦ “КИ”) по совместной разработке испытательного модуля бланкета для испытаний в ИТЭР (рисунок 37).

image31 image32 image33 image34
Рисунок 31. Измерительная часть стенда РИТМ-Ф. Рисунок 32. Общий вид стенда ИПИВ. Рисунок 33. Общий вид стенда ВИП СМТ ИМБ. Рисунок 34. Общий вид стенда ВИП СМТ ИМБ.
Блок-схема канала-петли Блок-схема канала-петли
Рисунок 35.Блок-схема канала-петли.
1-корпус; 2-образец на проницаемость; 3-образец на коррозию; 4-ячейки для образцов; 5-обоймы; 6- теплоноситель; 7-капиллярная труба подачи гелия; 8-отвод смеси гелий-тритий; 9-циркуляционный насос; 10-корпус расширителя;11-нагреватель; 12-полость зеркала теплоносителя; 13-труба; 14-полость канального устройства; 15 – труба.

 

Рисунок 36.Блок-схема петли.
1-корпус, 2-образец на проницаемость; 3-образец на коррозию; 4- ячейки для образцов; 5-обоймы; 6- теплоноситель; 7-капиллярная труба подачи гелия; 8-отвод смеси гелий-тритий; 9-труба 18х1мм; 10-труба 12х1 мм; 11-коллектор;  12-насос; 13-емкость отбора трития; 14,15- нагреватели; 16-труба; 17-внутренняя полость ЭУ; 18 - труба.  


scan1 scan2 scan3 scan4 scan5 scan6
Рисунок 37.Подписанная Программа сотрудничества РФ-Индия по созданию ИМБ.