Первый стеновой компонент с отрезком трубы

Изобретение относится к первой стенке термоядерного реактора. Компонент первой стенки содержит по меньшей мере один теплозащитный экран из графитового материала и охлаждающую трубу из меди или медного сплава. Между теплозащитным экраном и охлаждающей трубой расположен отрезок трубы, и этот отрезок трубы соединен по меньшей мере в определенных областях с теплозащитным экраном и с охлаждающей трубой через содержащие медь слои. Изобретение направлено на повышение устойчивости первой стенки к высоким физико-химическим нагрузкам. 21 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к первому стеновому компоненту термоядерного реактора, который содержит по меньшей мере один теплозащитный экран из графитового материала и охлаждающую трубу из меди или медного сплава, причем теплозащитный экран имеет закрытый или открытый проход.

Обычным примером использования таких первых стеновых компонентов является пример диверторов и лимитеров, которые подвергаются чрезвычайно высоким тепловым нагрузкам, превышающим 10 MВт/м². Первые стеновые компоненты обычно содержат теплозащитный экран и область тепловыделения. Материал теплозащитного экрана должен быть совместим с плазмой, иметь высокое сопротивление физическому и химическому напылению, высокую точку плавления/точку сублимации и быть насколько возможно стойким к тепловому удару. Кроме того, он должен также иметь высокую удельную теплопроводность, низкую активацию нейтронами и адекватную прочность/вязкость разрушения наряду с хорошей доступностью и приемлемыми затратами. Не считая тугоплавких металлов, таких, например, как вольфрам, графитовые материалы лучше всего отвечают этому разнообразному и до некоторой степени противоречивому набору требований. Поскольку энергия от действия плазмы попадает на эти компоненты в течение длительного периода времени, такие первые стеновые компоненты обычно активно охлаждают. Отведению тепла способствуют теплоотводы, например, из меди или медных сплавов, которые обычно соединены с теплозащитным экраном соединением из связующего материала.

Медь выполняет функцию обеспечения отведения тепла. Кроме того, она также может выполнять функцию уменьшения механического напряжения, как это имеет место, когда графит соединен со сплавом из меди повышенной прочности через промежуточный слой из чистой меди (например, Cu-Cr-Zr). Медный слой обычно имеет в этом случае толщину 0,5-3 мм.

Кроме областей из графита и одного или более медных материалов такие первые стеновые компоненты также могут иметь дополнительные области, например, из стали или вольфрамового сплава.

Соединительная область между графитом и медью в этом случае представляет слабое место таких соединений материалов. Способ изготовления охлаждающих устройств с улучшенной прочностью в области соединения описан в EP 0 663 670 B1. В этом случае металл охлаждающего устройства в расплавленном состоянии вводят в контакт с огнеупорным материалом, причем во время действия соединения в соединительной области обеспечивают элементы одного или более металлов IV и/или V подгрупп периодической системы. Композиционные материалы, полученные таким образом, имеют значительно улучшенную прочность.

Первые стеновые компоненты можно изготавливать в виде различных конструкций. Ниже приведено различие между конструкциями плоской плитки, седлообразными конструкциями и конструкциями моноблоков.

Если теплозащитный экран с плоской соединительной областью соединяют с теплоотводом, через который течет хладагент, его упоминают как конструкцию плоской плитки. В случае седлообразной конструкции теплозащитный экран с полукруглым углублением соединяют с теплоотводом трубчатой формы. Теплоотвод имеет в каждом случае функцию устанавливания теплового контакта между стороной подвода тепла и охлаждающей средой, и таким образом он подвергается циклической, тепловой наведенной нагрузке, вызываемой температурным градиентом и различными коэффициентами расширения соединенных вместе элементов. В случае конструкции моноблоков первый стеновой компонент содержит теплозащитный экран с концентрическим проходом. Теплозащитный экран соединяют посредством этого концентрического прохода с охлаждающей трубой.

Вследствие геометрических условий уменьшение напряжения, вызываемое пластической деформацией медного промежуточного слоя, является более эффективным в случае конструкции плоской плитки, чем в случае конструкции моноблока, где имеется объемное состояние напряжения, которое подавляет пластическую деформацию в самой большой степени. Поэтому из-за такого ограниченного уменьшения напряжения могут возникать трещины в графитовом материале.

Первые стеновые компоненты не только должны противостоять термически наведенной механической нагрузке, но также и механическим нагрузкам, которые там дополнительно возникают. Такие дополнительные механические нагрузки могут производиться наводимыми электромагнитным образом токами, которые протекают в компонентах и взаимодействуют с окружающим магнитным полем. Они могут включать в себя возникновение высокочастотных ускоряющих сил, которые передаются теплозащитным экраном. Однако графитовые материалы имеют низкую механическую прочность и вязкость разрушения. Кроме того, во время использования возникает нейтронная хрупкость, приводящая к дополнительному увеличению чувствительности этих материалов к возникновению трещин.

В качестве графитового материала обычно используют армированный волокном графит (АВГ). Внедрение волокон в этом случае выполняется трехмерным и линейным образом. Структура волокон обеспечивает материал с различными свойствами в зависимости от пространственного направления. АВГ обычно укрепляют в одном пространственном направлении волокнами из каменноугольных пеков, которые имеют как самую большую прочность, так и удельную теплопроводность. Два других пространственных направления укрепляют волокнами из ПАН (из полиакрилонитрила), только одно направление обычно является пронизываемым. Поэтому, хотя АВГ имеет линейную структуру материала, геометрия соединения теплозащитного экрана/охлаждающей трубы в случае конструкции моноблока является круглой. Из-за различных коэффициентов теплового расширения используемых материалов во время процесса изготовления происходит увеличение механических напряжений, и это может привести к трещинам в АВГ.

Из-за геометрических условий и комбинации используемых материалов эти трещины можно обнаруживать только очень сложными способами, если вообще обнаруживать. На фоне ядерной окружающей среды для таких компонентов это дает начало соответствующим проблемам, в частности, также потому, что трещины/разъединения можно рассматривать как возможные спусковые механизмы более серьезного инцидента.

Несмотря на многие годы напряженной опытно-конструкторской работы в области первых стеновых компонентов пока оптимально доступные конструктивные компоненты не отвечают ряду требований.

Задача изобретения состоит в создании первого стенового компонента конструкции моноблока, который отвечает требованиям, следующим из механических и физических напряжений, подходящим способом.

Эта задача достигнута с помощью признаков п.1 формулы изобретения.

Первый стеновой компонент в этом случае содержит по меньшей мере один теплозащитный экран из графитового материала и охлаждающей трубы из меди или медного сплава, причем теплозащитный экран имеет закрытый или открытый проход, и отрезок трубы, расположенный между теплозащитным экраном и охлаждающей трубой. Отрезок трубы, соответственно, соединен с теплозащитным экраном и охлаждающей трубой через пластичные медные слои.

Отрезок трубы имеет эффект, заключающийся в том, что внутренние напряжения в теплозащитном экране, которые являются результатом различных коэффициентов расширения, уменьшаются. Чтобы достигать этого оптимальным способом, выгодно, если коэффициенты расширения теплозащитного экрана и отрезка трубы являются подобными, а отрезок трубы имеет соответствующую толщину, составляющую по меньшей мере 0,2 мм, и удельную теплопроводность и прочность, которые являются настолько высокими, насколько это возможно. При меньших толщинах адекватного уменьшения напряжений не достигают. Верхний предел, составляющий приблизительно 1,5 мм, относится к геометрическим состояниям.

Механическим/физическим требованиям к отрезку трубы лучше всего отвечают материалы из группы, содержащей молибден, сплавы молибдена, вольфрам и вольфрамовые сплавы.

Следует отметить, в частности, псевдосплавы из вольфрамово-медной системы и медно-молибденовой системы. В случае вольфрамово-медной системы предпочтительное содержание меди составляет 5-25% по весу, в случае молибдена-меди оно составляет 15-40% по весу. Отрезок трубы имеет предпочтительный угол раскрыва α от 20° до 180°, предпочтительно от 50° до 130°. С большими углами раскрыва уменьшение нагрузок не достаточно. С меньшими углами раскрыва затрудняется тепловой поток.

Также оказывается благоприятным, если биссектриса угла раскрыва α расположена перпендикулярно поверхности теплозащитного экрана, который подвергается воздействию плазмы. Теплозащитный экран соединяют с отрезком трубы через содержащий медь слой, отрезок трубы, в свою очередь, аналогичным образом соединяют с охлаждающей трубой через содержащий медь слой. Эти слои аналогично служат для уменьшения напряжения. Открытую область отрезка трубы аналогичным образом заполняют медью или медным сплавом так, что в этой области теплозащитный экран соединен с охлаждающей трубой через эту содержащую медь область. В результате в этой области отрезок трубы не ухудшает тепловой поток.

Проход через теплозащитный экран предпочтительно закрывают и образуют в виде высверленного отверстия, стенка которого структурирована посредством лазера, причем стенку активизируют металлическим и/или карбидным образом.

Для изготовления первого стенового компонента согласно изобретению, во-первых, проход, предпочтительно высверленное отверстие, вводят в блок из графитового материала, предпочтительно АВГ. Поверхность прохода структурируют, предпочтительным образом посредством лазера, и впоследствии металлическим и/или карбидным образом активизируют таким образом, чтобы активизированная поверхность могла смачиваться жидкой медью. В проход, который предварительно обработан таким образом, впоследствии вводят отрезок трубы. Предпочтительная толщина отрезка трубы в этом случае составляет от 0,2 до приблизительно 1,5 мм. Зазор между отрезком трубы и стенкой активизированного прохода составляет приблизительно 0,2-0,8 мм. В этот зазор вводят втулку из чистой меди. Втулку из чистой меди также позиционируют относительно внутреннего диаметра отрезка трубы. Конструкцию, образованную таким образом, нагревают в вакууме или в инертным газе до температуры, превышающей точку плавления меди. Для пополнения меди, в частности, в зазоре между АВГ и отрезком трубы и в открытой области отрезка трубы обеспечивают соответствующее медное хранилище.

Это производит соединение со следующей радиальной структурой (с наружной части к внутренней части): АВГ / слой активации / медь / молибден-медь или вольфрам-медь / медь.

Охлаждающую трубу из медного сплава, предпочтительно из меди-циркония-хрома, можно по существу соединять связующим материалом с внутренним медным слоем обычными стандартными способами, такими как пайка или горячее изостатическое прессование (ГИП).

Ниже изобретение объясняется более подробно посредством примера со ссылками на чертежи, на которых:

На фиг.1 показан первый стеновой компонент согласно изобретению в косоугольной проекции.

На фиг.2 показан первый стеновой компонент согласно изобретению, как показано на фиг.1, в вертикальной проекции.

На фиг.3 показан отрезок трубы в косоугольной проекции.

Пример

Для изготовления первого стенового элемента -1- использовали теплозащитный экран -2- из АВГ с размерами 45 мм × 30 мм × 25 мм. Теплозащитный экран -2- из АВГ имел трехмерную волоконную структуру, причем в зависимости от направления получали различные свойства. Волокна с самой высокой удельной теплопроводностью лежали параллельно внешнему размеру 45 мм. Жгуты волокон со средней удельной теплопроводностью лежали параллельно внешнему размеру 30 мм. Сквозное высверленное отверстие -4- с диаметром 18 мм было введено перпендикулярно в области 30 мм × 45 мм в ее центре симметрии. Это высверленное отверстие глубиной 25 мм было впоследствии структурировано посредством лазера, достигающего увеличения площади поверхности более 100%. Конические лазерные высверленные отверстия имели глубину приблизительно 1000 мкм, вводная ширина на поверхности составляла приблизительно 200 мкм. Последовательность лазерных импульсов была в этом случае выбрана так, что отдельные высверленные отверстия лежали настолько близко друг к другу, насколько это возможно. Обработанная таким образом поверхность была активизирована так, что на материале -2- из АВГ была создана скрепленная карбидом поверхность, смоченная жидкой медью. Это было достигнуто с помощью титана, нанесенного на поверхность. После этого эту часть нагрели до температуры выше точки плавления титана, расплавленный титан, проникающий в АВГ в результате действия капиллярных сил, таким образом образовывал карбид титана. Карбид титана, с одной стороны, сцеплялся с АВГ благодаря очень хорошему химическому сцеплению, а с другой стороны, делал теплозащитный экран -2- смачиваемым для жидкой меди. Затем фольгу из чистой меди толщиной 0,4 мм помещали в активизированное высверленное отверстие -4- для образования таким образом цилиндра, который был расположен напротив внутренней стороны высверленного отверстия в теплозащитном экране -2-. Впоследствии отрезок 5 трубы из W с 10% по весу Cu с высотой 25 мм, внешним диаметром 17 мм, толщиной стенки 0,5 мм и углом раскрыва α, составляющим 90°, ввели в высверленное отверстие. Биссектриса угла раскрыва α в этом случае была перпендикулярна области 45 мм × 25 мм. Эта область -9- подвергается воздействию плазмы во время использования. Медный сердечник с внешним диаметром 15,8 мм поместили во внутреннюю область отрезка -5- трубы, этот сердечник имел головную часть с диаметром 20 мм. Эта головная часть выполняла функцию плавильного хранилища. Эту сборку впоследствии установили в вакуумной печи и нагревали в вакууме в течение приблизительно 10 минут до температуры 1100°C, прежде чем начать фазу охлаждения.

Таким образом, теплозащитный экран -2- был соединен с отрезком -5- трубы через медный слой -6-. Открытую область -8- отрезка -5- трубы аналогичным образом заполнили медью. Впоследствии изготовленный таким образом моноблок обработали со всех сторон. Таким образом, первоначальные внешние размеры были уменьшены на 1 мм в каждом случае, посредством чего моноблок имел перед дополнительной обработкой внешние размеры 44 мм × 29 мм × 24 мм. Заполненный медью проход -4- был рассверлен до диаметра 15 мм. Внутренний диаметр в этом случае имел непрерывный медный слой -7-. Затем трубу -3- из меди-хрома-циркония с внешним диаметром 14,8 мм поместили в проход -4-. Охлаждающую трубу -3- и моноблок впоследствии по существу соединили связующим материалом посредством процесса ГИП так, что получили активно охлаждаемый первый стеновой компонент -1-.

1. Первый стеновой компонент (1) термоядерного реактора, содержащий по меньшей мере один теплозащитный экран (2) из графитового материала и охлаждающую трубу (3) из меди или медного сплава, причем теплозащитный экран (2) имеет закрытый или открытый проход (4), отличающийся тем, что отрезок (5) трубы расположен между теплозащитным экраном (2) и охлаждающей трубой (3), причем отрезок (5) трубы соединен по меньшей мере в требуемых областях с теплозащитным экраном (2) и с охлаждающей трубой (3) через содержащие медь слои (6, 7).

2. Первый стеновой компонент (1) по п.1, отличающийся тем, что отрезок (5) трубы имеет угол раскрыва α, составляющий от 20 до 180°.

3. Первый стеновой компонент (1) по п.2, отличающийся тем, что угол раскрыва α отрезка (5) трубы составляет 50-130°.

4. Первый стеновой компонент (1) по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что биссектриса угла раскрыва α перпендикулярна поверхности (9) теплозащитного экрана (2), которая подвергается воздействию плазмы.

5. Первый стеновой компонент (1) по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что отрезок (5) трубы имеет толщину стенки от 0,2 до 1,5 мм.

6. Первый стеновой компонент (1) по п.4, отличающийся тем, что отрезок (5) трубы имеет толщину стенки от 0,2 до 1,5 мм.

7. Первый стеновой компонент (1) по одному из пп.1-3 или 6, отличающийся тем, что теплозащитный экран (2) соединен в области раскрыва (8) отрезка (5) трубы с охлаждающей трубой (3) через содержащую медь область.

8. Первый стеновой компонент (1) по п.4, отличающийся тем, что теплозащитный экран (2) соединен в области раскрыва (8) отрезка (5) трубы с охлаждающей трубой (3) через содержащую медь область.

9. Первый стеновой компонент (1) по п.5, отличающийся тем, что теплозащитный экран (2) соединен в области раскрыва (8) отрезка (5) трубы с охлаждающей трубой (3) через содержащую медь область.

10. Первый стеновой компонент (1) по одному из пп.1-3, 6, 8 или 9, отличающийся тем, что отрезок (5) трубы состоит из материала из группы, содержащей молибден, сплав молибдена, вольфрам и сплав вольфрама.

11. Первый стеновой компонент (1) по п.4, отличающийся тем, что отрезок (5) трубы состоит из материала из группы, содержащей молибден, сплав молибдена, вольфрам и сплав вольфрама.

12. Первый стеновой компонент (1) по п.5, отличающийся тем, что отрезок (5) трубы состоит из материала из группы, содержащей молибден, сплав молибдена, вольфрам и сплав вольфрама.

13. Первый стеновой компонент (1) по п.7, отличающийся тем, что отрезок (5) трубы состоит из материала из группы, содержащей молибден, сплав молибдена, вольфрам и сплав вольфрама.

14. Первый стеновой компонент (1) по п.10, отличающийся тем, что отрезок (5) трубы состоит из Мо-Сu или W-Cu.

15. Первый стеновой компонент (1) по одному из пп.11-13, отличающийся тем, что отрезок (5) трубы состоит из Мо-Сu или W-Cu.

16. Первый стеновой компонент (1) по одному из пп.1-3 или 6, отличающийся тем, что теплозащитный экран (2) состоит из АВГ.

17. Первый стеновой компонент (1) по п.8 или 9, отличающийся тем, что теплозащитный экран (2) состоит из АВГ.

18. Первый стеновой компонент (1) по п.1, отличающийся тем, что охлаждающая труба (3) состоит из Cu-Cr-Zr.

19. Первый стеновой компонент (1) по п.1, отличающийся тем, что проход (4) является высверленным отверстием.

20. Первый стенной компонент (1) по п.1 или 19, отличающийся тем, что проход (4) сформирован посредством лазера.

21. Первый стеновой компонент (1) по п.1 или 19, отличающийся тем, что стенка прохода (4) имеет по меньшей мере в определенных областях слой карбида титана.

22. Первый стеновой компонент (1) по п.20, отличающийся тем, что стенка прохода (4) имеет по меньшей мере в определенных областях слой карбида титана.