Первая стенка термоядерного реактора

 

Использование: в термоядерной технике, в частности в конструкции первых стенок термоядерных реакторов. Сущность изобретения: первая стенка реактора содержит тугоплавкий защитный экран, набранный из металлических пластин, и охлаждающую панель. Металлические пластины соединены со стороны охлаждающей панели пайкой или сваркой и в них выполнены пазы, заполненные легкоплавким сплавом. Габаритные размеры пластин выбраны из соотношения 1 1 2,5. Защитный экран по периметру окружен бандажной лентой с защелками. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к конструкции первой стенки термоядерных установок и реакторов (ТЯУ и ТЯР) типа токамак.

Известна конструкция первой стенки термоядерного реактора ИТЕР [1] основными элементами которой являются защитные экраны из графитового композита УУКМ, прокладки, изготовленные из специального графитсодержащего материала (графит и медные волокна), охлаждающая панель, выполненная из бронзы БрК, и узлы крепления экранов к охлаждающей панели, в состав которых входят болт, шайба, втулка и вставка.

Недостатки такой конструкции заключаются в следующем. В процессе горения плазмы происходит эрозия графитового экрана, графит загрязняет плазму, вследствие чего горение плазмы становится неустойчивым и сокращается импульс ее горения. Наличие шайбы создает концентратор механических напряжений по краям графитового экрана, что приводит к неравномерному распределению давления по поверхности прокладки и вызывает неравномерную теплопроводность, повышенную температуру по краям графитового экрана и их повышенный эрозионный износ.

Наиболее близкий по технической сущности и достигаемому результату к предложенной является первая стенка термоядер- ного реактора ИТЭР [2] содержащая тугоплавкий защитный экран и охлаждающую панель, на которой закреплен защитный экран. Защитный экран выполнен в виде монолитной пластины. Для компенсации технологических зазоров и обеспечения плотного контакта графитового экрана и охлаждающей панели используется контактный слой из припоя. Монтаж защитного экрана на охлаждающей панели осуществляют с помощью самостопорящихся пружин.

Недостатки прототипа заключаются в следующем. На поверхности монолитных пластин при циклических нагружениях возникают термомеханические напряжения, в результате которых на поверхности защитного экрана образуются трещины, которые способствуют механическому разрушению пластин экранов и загрязнению плазмы частицами материала экранов, это приводит к сокращению срока горения плазмы и влечет за собой необходимость остановки реактора для замены экранов. Ограниченность контактирующей поверхности экранов с охлаждающей панелью приводит к неравномерности охлаждения, экранов, что ведет к значительным тепловым деформациям. Сложна подготовка поверхности охлаждающей панели к пайке после демонтажа защитных экранов. Невозможен визуальный контроль положения самостопорящихся пружин на охлаждающей панели. Вышеперечисленные недостатки приводят к снижению надежности и сокращению срока эксплуатации первой стенки термоядерного реактора.

Технический результат достигается за счет того, что в первой стенке, содержащей тугоплавкий защитный экран, закрепленный на охлаждающей панели, защитный экран набран из металлических пластин, соединенных со стороны охлаждающей панели пайкой, причем в каждой пластине выполнен паз со стороны охлаждающей панели, заполненный легкоплавким сплавом, а габаритные размеры пластин длина, ширина и высота выбраны из соотношения 1:1:2,5, кроме того, защитный экран окружен по периметру бандажной лентой, снабженной защелками.

На фиг. 1 изображена первая стенка ТЯР, продольный разрез; на фиг.2 положение при монтаже; на фиг.3 рабочее положение.

Первая стенка ТЯР содержит тугоплавкие экраны 1, закрепленные на охлаждающей панели 2. Защитные экраны выполнены в виде набора металлических пластин 3, изготовленных, например, из бериллия, и соединенных со стороны охлаждающей панели 2 пайкой 4 или сваркой. Пайка осуществлена на ограниченную высоту пластин 3. Соотношение габаритных размеров пластин длины, ширины и высоты выбраны из соотношения 1:1:2,5. В каждой пластине 3 защитного экрана 1 со стороны охлаждающей панели 2 имеются пазы 5, выполненные легкоплавким сплавом 6, например свинцово-оловянным припоем. По периметру защитный экран окружен бандажной лентой 7, изготовленной, в частности, из вольфрамового сплава и снабженной защелками 8.

Предложенная конструкция первой стенки ТЯР функционирует следующим образом.

В диверторном пространстве (не показано) ТЯР зажигают плазму. Защитный экран 1, который своими защелками 8 прикреплен к панели 2, разогревается за счет радиационного тепла светового излучения, бомбардировки поверхности экрана 1 ионизированными частицами и поглощения нейтронов. При разогреве экрана 1 легкоплавкий сплав 6 в пазах 5 переходит в жидкое состояние и заполняет технологический зазор, образующийся при монтаже защитного экрана 1 и охлаждающей панели 2. Тем самым между экраном и охлаждающей панелью 2 создается надежный тепловой контакт, что позволяет обеспечить равномерный теплосъем с поверхности экрана 1, обращенной к охлаждающей панели 2.

Поскольку пластины 3 выполнены с габаритными размерами, соответствующими соотношению 1:1:2,5, и припаяны друг к другу на ограниченном участке высоты пластин со стороны охлаждающей панели 2, в результате чего противоположные концы пластин 3 остаются "свободными", незафиксированными, поэтому величины термомеханических напряжений, возникающих в защитных экранах 1 из-за воздействия на них циклических тепловых нагрузок, как показали результаты расчетов, значительно уступают значениям термомеханических напряжений, при которых происходили разрушения пластин защитных экранов в прототипе.

По окончании срока ресурса защитного экрана 1 (или по иным причинам) он может быть легко демонтирован. Для этого защелки 8 на бандажной ленте 7 защитного экрана отжимают штифтами, которыми, например, может быть снабжен робототехнический комплекс, и освобождают их от зацепления с панелью 2. Затем производят нагрев экрана 1, и после распределения припоя 6 отделяют экран от охлаждающей панели 2. Для обеспечения надежного крепления защелок 8 к защитному экрану 1 применена бандажная лента 7, которая в данном случае является не только несущей конструкцией для крепления защелок 8, но и фиксирующей в одно целое пластины 3 детали.

Таким образом, изобретение позволяет увеличить срок эксплуатации первой стенки предложенной конструкции, повысить надежность в работе, а также упростить технологию монтажных и демонтажных работ по замене защитных экранов.

Формула изобретения

1. ПЕРВАЯ СТЕНКА ТЕРМОЯДЕРНОГО РЕАКТОРА, содержащая тугоплавкий защитный экран, закрепленный на охлаждающей панели, отличающаяся тем, что экран набран из металлических пластин, соединенных со стороны охлаждающей панели пайкой, при этом в каждой пластине со стороны охлаждающей панели выполнен паз, заполненный легкоплавким сплавом, а габаритные размеры пластин длина, ширина и высота выбраны из соотношения 1:1:2,5.

2. Стенка по п.1, отличающаяся тем, что защитный экран скреплен по периметру бандажной лентой, снабженной защелками.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3