Главная страница Комод Кухня Компьютерный стол Плетеная мебель Японский стиль Литература
Главная  Реакции синтеза в ядерной энергетике 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 [ 17 ] 18 19 20 21

- 98 -

хрупкого разрушения. Можно предположить, что величину Т^р можно снизить путем отжига материала, тем более, что отжиг не вызывает в ферритных сталях явления ВТРО.

Эрозия поверхности. Эрозия поверхности при бомбардировке частицами плазмы может существенно сократить срок службы таких элементов реактора, как первая стенка и приемные пластины дивертсра реактора-токамака. Скорости эрозии порядка 0,1-1 мм в год дают основания для опасений. Крше того, поступление примесей, обусловленное эрозией первой отенки, может оущеотвенно ограничить достижимое время горения (еоли не контролировать поступление пхшмеоей, то время горения может сократиться до времени удержания частицы). Причем примеои с малыми Z менее пагубно оказываются на характеристиках токамака, чем примеои о большим И.

Поверхностная эрозия, вызванная распылением и повто-рны1л осаждением распыленного материала, особенно существенна для металлических элементов конструкций, так как она приводит не только к их эроэии и испарению, но и к расплавлению. Затем капельки жидкого металла диаметром от нескольких оотен до 10 мкм осаждаются на отенках вакуумной камеры и лимитеров.

Исследования ауотенитных железо-хромо-аикелевых оплавов, облучаемых ионами Н , показали, что в результате ионной бомбардировки в поверхностном слое резко снижалась концентрация атомов тяжелых примесей.

Раошшение материала первой отенки и загрязнение плазмы продуктагли эрозии могут быть уменьшены, если:

I). Создать поверхностный моноолой металла о малым Z , который будет подавлять распыление атомов металла подложки, предотвращая тем самым их попадание в плазму.

2) Применить перную отенку оо структурой сот. Это уменьшит ксэс[ф|Ициент распыления в несколько раз по сравнению с гладкой поверхностью первой отенки.

3) Использовать графитовую защиту первой отенки. При этом в плазму будут попадать лишь примеои углерода о малы1л 2 , а на первую отенку - молекулы изотопен водорода существенно меньшей энергии.

Эрозия поверхности материала может происходить не только за счет распыления, но и за счет блиотеринга. Происходит шелушение вследствие того, что лопаются газовые пузырьки, образующиеся в пркпсверхноотном слое (.радиационные блистеры). Однако роль блиотеринга в процессе эрозк;: поверхности существенна лишь на первых

стадиях работы материала первой отенки ТЯР. Облучение сдвигает критические флюенсы образования блистеров и шелушения поверхноо-ти в сторону более высоких флюеноов (при поотоянной температуре), а интервал интенсивного шелушения (флекинга) - в сторону более высоких температур. В целом предварительное облучение подавляет блиотеринг. В чаотнооти, при облучении образцов из нержавеющей стали до флюенса 10 ион/м^ значительного блиотеринга или флекинга не наблвдалооь.

Проанализируем возможнооти иопользования различных материалов в конотрукции первой отенки.

Аустенитные нержавеющие отали Стали этого класса привлекают к ообе внимание, как перспективный, доступный и дешевый, испытанный в работе ядерных реакторов конструкционный материал. Однако в разделе о вакансионном распухании уже отмечалось, что пршенение этого класса оталей может быть ограничено высокой скоростью радиационного распухания. Поэтому в проектах ГТРТ, ИНТОР, а затем и ITER принято решение с применении ауотенитных оталей при температурах 6 300°С, чтобы исключить это явление иэ инженерных проблем при проектировании ТЯР с флюеноом 40-50 она. Можно, тем не менее, предположить, что дальнейшее усовершенствование этих оталей ( наподобие легирования стали 316 титаном) позволит увеличить инкубационный период распухания до величины флюенса 100 сна. Однако другим, но возможно главным, ограничением являетоя высокотемпературное радиационное (гелиевое) охрупчивание (ВТРО) этих оталей. Их использование при рабочих температурах около 300°С (ниже темперагури ВТРО) устранило бы это затруднение, еоли бы удалось избежать временной и пространственной неоднородности теплового потока на материал первой стенки. Если принять гелиевый механизм ВТРО, то в условиях низкотемпературного облучения накапливающийся в теле зерна по реакции { П. , оС ) гелий оставался бы внутри зерен, не выходя на их границы и не ослабляя их. При срывах разряда плазмы материал вблизи зон оплавления будет доотаточно нагрет, чтобы практически нерастворимый в матрице гелий стал подвижен и вышел на границы зерен. Ташл образом, для иопользования ауотенитных нержавеющих сталей в конотрукции первой отенки ТНР характерно сочетание высокой концентрации гелия в материале, возможнооти его нагрева и высоких механических нагрузок при срывах плазмы, которые могут привести к образованию трещин в областях вблизи оплавления.



- 1СЮ -

Существенвыш недостаткаш сталей аустенитнсгс класса являются высекая величина коэффициента теплового расширения и низкая теплопроводность, что приводит к возникновению в них териоыехаяя-ческих напряжений, ососЗенно опаовнх при циклировавии теплового потока.

Скорость радиационной ползучести аустенитных сталей выше, чаи у ферритно-ыартеноитных.

Стали йврштного и ферритно-маргенситного кдасорв (хромистые стали). Эти стали по сравнению о аустенитными имеют более высокий коэффициент теплопроводности и меньший коэффициент теплового расширения, что дает возможность использования первой стенки большей толщины. Ео радиационной стойкости ферритные отали характеризуются следующими чертами:

1) распухание составляет около 0,2 %/ояа;

2) нет выраженного явления высокотемпературного радиационного охрупчивания;

3) меньшая, чем у аустенитных сталей, радиационная ползучесть;

4) порог хладноломкости одвитаетоя при облучении в сторону высоких температур;

5) неизвестно влияние одновременного облучения и введения гелия на сдвиг порога хладноломкости.

Иоследования сплавов систем V- Cr-Tl показали, что сплавы ванадия имеют ряд достоинств, позволяющих рассматривать их в качестве возможных материалов для ТЯР:

I). Высокий фактор терломеханических напрякений.

2).Возможность иопользования при повышенных температурах (до 800°С).

3). Ожидаемая высокая радиационная стойкость.

Однако эти сплавы обладают ярко выраженной коррозией в кислороде оде ркащих средах.

Низкоактивируемые материалы. Входящие в состав традиционных аустенитных нержавеющих сталей никель, молибден, титан и ниобий дают при облучени нейтронами о энергией 14 МэВ долгокивущие радиоактивные изотопы, что будет затруднять их захоронение. В овязи с этим в последние годы ведутся интенсивные разработки сплавов о пониженной наведенной или сотаточной радиоактивностью. Для аустенитных сплавов, например, возможна замена никеля комбинацией Mtx-C-N , молибденавольфрамом. В связи с этим марганцовистые отали признаны на совещании специалистов ITER по

- 101 -

материалам резервным материалом первой стенки.

В США проводятся несколько программ исследований о целью разработки ферритных сталей с пониженной активацией. Разрабатываемые стали представляют собой модификацию ферритных (мартенсит-ных) Сг - Мо - сталей. Модифицированные стали содержат вольфрам и ванадий вместо молибдена и ниобия, входящих в состав основных сталей ферритного класса. Предварительные результаты подтвердили возможность создания ферритных сталей о пониженной активацией, не усутпающих по уровню свойств основным ферритным сталям.

Алюминиевые сплавы привлекательны для использования в ТЯР из-за малой активируемсоти, низкого атомного номера и высокой теплопроводности.

В таблице 5.2 приведена сводка достоинств и недостатков материалов, применение которых возможно в качестве материала первой стенки ТЯР.

Таблица 5.2.

Достоинства

Недостатки

Аустенитные нержавеющие хромоникелевые стали Технологичность Радиационное распухание

Высокая прочность^ Схрупчивание низко-и высоко-

температурное

Освоенность в радиационных Радиационная ползучесть

условиях Низкая теплопроводность

Коррозия под напряжением Коррозия в литии

Хромистые отали

Низкое раопухание Хладноломкость и сдвиг ее

Отсутствие ВТРО под облучением

Большая тзплопроводность и Водородное схрупчивание

меньшая коррозия в литии. Холодные трещины сварных

чем у ауотенитной стали швов

Ванадиевые сплавы

Высокая рабочая тешература Взаимодействие с кислородом

Лучшие тедлофизичеокие свойот- при высокой температуре

ва, чем у ферритных сталей Сварка в среде инертного газа

Стойкость в литии Высокая стоимость

Возможная высокая рад:1ационная Ползучесть при высоких флхь

отойкость енсах



Продолжение табл, 5.2

Достоинства

Недостатки

Технологичноогь Малый атомный номер Высокая теплопрсводнсогь Малое радиационное распухание Малое радиационное охрупчивание

Малая актинируемость

Длпдниевые опдавы

Низкая рабочая температура Большая скороогь распыления Неизученносгь вакуумных свойств

Большая толщина отенки - потеря энергии нейтронов с енергией 14 ГЛэв

В табл.5.3 приведены рабочие темперагури (Т), допустимые по критерию циклической неразрушимости толщины первой стенки ct) , коэффициенты распыления (S) и времена полного распыления р) для некоторых материалов. Тепловой поток через первую стенку принят равным 25 Br/cMj поток изотопов водорода (дейтерий, тритий поровну) 310° ом~Я о~ (Б = 300 эВ); при сценке толщины не учитывалось объемное тепловыделвнив за счет нейтронов; ТЯР без дивертсра.

Таблица 5.3

Материал первой

Т,°С

£, ом

атом/ион

лет

Нержавеющая сталь

3 10

А£ -сплав

610 2

Мо -сплав

V -сплав

210-

В заключение необходимо отметить, что потоки нейтронного и гамма-излучений могут воздействовать на сверхпроводящие катушки магнитной системы ТЯР. При егом возможны следующие аффекты: 1)рост сопротивления материалов матрицы и сверхпроводника и соответствующее падение плотности гока в катушке; 2) изменение диэлектрических и механических свойств электрических изоляторов; 3) изменение механических свойств конотрукционных элементов.

Основным радиационным аффектом является увеличение сопротивления материала (меди или алюминия) вследствие смещений атомов. Однако для уменьшения ядерного нагрева сверхпроводящих катушек будет использоваться экранировка, поэтому окидается, что потоки нейтронного и гамма-излучений во внутренних областях катушки будут примерно на шесть порядков меньше, чем потоки на

- 103 -

первую стенку. То есть радиационные эффекты в сверхпроводящих катушках необходимо учитывать при ксногруировании, но они не должны создать каких-либо серьезных трудностей.

5.2. Керамические электроизоляционные материалы

В большинстве концептуальных проектов ТЯР для нагрева плазмы предполагается использование радиочасгогных пучков электромагнитного излучения о частотами 10 Гц (ионно-циклогронвый), 10-10 Гц (нижний гибрид) и 10 Гц (электронно-циклотронный), В соогвегсгвующих уогройсгвах (коаксиальные кабели, волноводы, антенны, окна) будут использоваться высокочастотные электроизоляционные материалы (ВЭМ) в качестве заполнителей волноводов и кабелей, материалов антенн и окон. Даже в отсутствии реакторного облучения поглощение ВЧ-излучения (особенно миллиметрового о частотой Ю^ Гц) может привести к нагреву, внутренним напряжениям в ВЭМ и его разрушению. Поэтому ВЭМ должны обладать высокой прочностью, огабильностью размеров, высокой геплопроводноогью и высоким коэффициентом пропускания ВЧ-излучения в исходном оос-гоянии.

Окна для впуска энергии ВЧ-излучения будут располагаться в непосредогвенной близости от плазмы и подвергаться действию ее излучений (ионного и нейтронного). Поэтому ВЭМ окон должны обладать высокой радиационной стойкостью. Наиболее вероятными материалами (обязательно охлаждаемыми теплоносителем) окон можно считать Be О (из-за высокой теплопроводности), традиционные ВЗМАЕ^Оз и YgOj , ЬАМ^О^ (из-за хорошей радиационной стойкости) и ЗьзМг, (из-за выоокой прочности и стойкоо-ти к тепловым ударам). Возможно применение SLC высокой чистоты.

Наиболее важными характеристиками ВЭМ считают тангено угла диэлектрических потерь ( tg 5) и диэлектрическую постоянную (£) , величины которых изменяются под действием нейтронного облучения. Для некоторых материалов (в частности, А£0, Be О ) было установлено, что на частоте 95 1Тц пооле облучения до флкь еноа SlO нейтр/см величина etgS и связанные с этим потери ВЧ-энергии в ВЭМ возрастают приблизительно вдвое. При этом растет в 2 раза величина механических напряжений, а это приводит к катастрофическому (на несколько порядков) снижению срока службы.



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 [ 17 ] 18 19 20 21

© 2007 EPM-IBF.RU
Копирование материалов разрешено в случае наличия письменного разрешения