Прочность вакуумной камеры и дивертора термоядерного реактора-токамака при динамических электромагнитных и тепловых нагрузках
Диссертация
Автор: Комаров, Виктор Михайлович
Название: Прочность вакуумной камеры и дивертора термоядерного реактора-токамака при динамических электромагнитных и тепловых нагрузках
Справка: Комаров, Виктор Михайлович. Прочность вакуумной камеры и дивертора термоядерного реактора-токамака при динамических электромагнитных и тепловых нагрузках : диссертация кандидата технических наук : 01.04.13 Санкт-Петербург, 2004 149 c. : 61 05-5/113
Объем: 149 стр.
Информация: Санкт-Петербург, 2004
Содержание:
Введение:
Актуальность проблемы Важным этапом практической реализации научно-технических исследований в области управляемого термоядерного синтеза является создание термоядерного реактора-токамака с магнитным удержанием плазмы.Одним из примеров такого реактора является ИТЭР (ITER)интернациональный термоядерный экспериментальный реактор, проектирование которого начато в 1989 году и продолжается в настоящее время. Сейчас также проводится работа по выбору площадки строительства и по подготовке основных компонент ИТЭР к производству. i.^. I <Я№ Ш'^' "'^(wrfT' Рисунок 1 - Общий вид реактора ИТЭР По сравнению с реакторами АЭС [3], при проведении расчетов напряженнодеформированного состояния (НДС), прочности и ресурса ВК и дивертора реактора-токамака приходится дополнительно учитывать следующее [1, 47]: - ВК в целом может испытывать избыточное давление среды только при аварийных ситуациях, связанных с разрушением или разгерметизацией систем охлаждения ВК или внутрикамерного оборудования. - Нарушения в управлении термоядерной реакцией приводят к различным срывам тока плазмы и, как следствие, к значительным электромагнитным нагрузкам (ЭМН), могущим вызывать заметное динамическое воздействие на ВК и дивертор. - Дивертор испытывает большие тепловые нагрузки, экстремально высокие в случае срывов тока плазмы. Облучение нейтронами с энергией 14 Мэв существенно изменяет физико-механические свойства материалов. - Форма многих конструкций часто не является осесимметричной. - Существующие российские и зарубежные Нормы прочности разработаны для конструкций, форма и расчетные нагрузки которых в значительной мере отличаются от формы и нагрузок ВК и дивертора реактора-токамака.Вопросы обеспечения прочности ВК (как первого барьера безопасности) и дивертора, прогнозирование их ресурса играют важную роль в повышении надёжности и снижении стоимости реактора-токамака.В токамаках одними из основных расчетных нагрузок являются ЭМН [59, 63, 74, 77, 78], характеризующиеся значительным разнообразием причин возникновения, интенсивности и длительности воздействий. Только из-за всевозможных срывов тока плазмы в реакторе ИТЭР выделяют 6 типов нестационарных ЭМН. Весьма показателен высокий уровень ЭМН: интегральные силы на ВК составляют в различных режимах 15^80 % от величины ее веса, а интегральные силы на кассету дивертора превышают ее вес в несколько раз.Длительность действия нестационарных ЭМН, составляющая от нескольких десятков до сотен миллисекунд, соизмерима с периодами низших тонов собственных упругих колебаний многих элементов силовых конструкций ВК и дивертора. Поэтому при исследовании их деформирования от действия ЭМН необходим учет динамики нагружения, ибо использование только статического подхода может являться неконсервативным и идти не в запас прочности для этих конструкций.Сложная пространственная геометрия ВК и дивертора [65, 66, 69, 70], разнообразие типов нестационарных ЭМН требует значительных усилий по выбору и верификации методов динамических расчетов. Динамические расчеты являются весьма трудоемкими, и часто лишь сочетание известных аналитических решений [17, 22, 26, 42] и использование численных методов интегрирования уравнений движения с помощью современных программ [14, 35] позволяет получить результат с требуемой точностью [75, 76].Проведение динамических расчетов при действии нестационарных ЭМН осложняется также отсутствием в настоящее время сертифицированных программных комплексов, объединяющих в себе и реализующих последовательно связанные сквозные расчеты сначала по поведению тока плазмы, затем по определению ЭМН и на последней стадии по определению НДС конструкций при этих нагрузках.В настоящее время в основном методика сквозного расчета строится так, что сначала с помощью одних программ просчитываются различные сценарии поведения плазмы при нормальных условиях проведения реакции и при срывах тока плазмы. Результаты расчета поведения плазмы служат исходными данными для определения вихревых токов и ЭМН в токопроводящих элементах конструкций с помощью других программ [7]. Наконец, полученные ЭМН служат исходными данными для проведения анализа НДС с помощью третьих программ [14, 35].Высокий уровень ЭМН и относительная тонкостенность конструкций ВК и дивертора реактора-токамака определяют важность определения критических (предельных) значений ЭМН, вызывающих потерю устойчивости конструкций, и коэффициентов запаса устойчивости Псг, определяемых отношением критических значений нагрузок к их номинальным значениям. Наиболее точные оценки в этом случае дает анализ нелинейной устойчивости с учетом пластических деформаций материалов и начальных несовершенств в конструкции [45,46, 56].Выше затронуты некоторые особенности расчета прочности конструкций ИТЭР только от действия ЭМН, В целом, с точки зрения общего характера механических и тепловых воздействий, компоненты ИТЭР проектируется для работы при циклическом нагружении. Действительно, только запланированное количество номинальных циклов горения плазмы равно 30000 при длительности каждого цикла 400 секунд. Каждому номинальному циклу сопутствуют электромагнитные и тепловые нагрузки на элементы конструкций, связанные с периодами подъема тока плазмы, его стационарного удержания и вывода. Примерно в десяти процентах из общего числа номинальных циклов предполагаются большие неустойчивости тока плазмы, переходящие в его срывы и ведущие к значительным тепловым и электромагнитным нагрузкам.Учитывая их нестационарный характер, можно прогнозировать реализацию нескольких циклов механических напряжений в конструкциях ВК и внутрикамерного оборудования при каждом срыве тока плазмы. Таким образом, общее число циклов механических напряжений за время эксплуатации только от действия ЭМН может быть порядка что требует проведения поверочных расчетов циклической прочности конструкций.Поскольку временная зависимость механических напряжений при действии ЭМН может иметь довольно сложный характер, при оценке циклической прочности удобно иметь дело с одним так называемым эквивалентным циклом напряжений. Режим нагружения конструкции с таким эквивалентным циклом вносит такое же повреждение, как и определенные динамическим расчетом переменные напряжения с изменяющейся в процессе нагружения амплитудой [25].Большое влияние на прочность и ресурс внутрикамерного оборудования ИТЭР оказывают радиация и циклические тепловые нагрузки. В особенно тяжелых условиях находятся теплоприемные элементы (ТПЭ) дивертора, непосредственно воспринимающие тепловые потоки, нейтронное и ионное воздействия со стороны плазмы [67, 68, 72]. Термическая усталость, характеризующаяся локализованным накоплением циклических пластических деформаций [15, 52, 61], деформация ползучести в высокотемпературной части цикла нaqзyжeния [73] часто являются решающими факторами, принимаемыми во внимание при выборе конструктивных форм и материалов ТПЭ. После ползд1ения опыта в управлении реакторной плазмой и наработке данных по степени повреждения материалов за время эксплуатации, следующим шагом после ИТЭР будет создание нового стационарного реактора, в котором не будет значительных нестационарных ЭМН на ВК и дивертор, сейчас для таких компонент ИТЭР во многом определяющих их прочность и долговечность. С другой стороны, повышение общего уровня тепловых нагрузок, заданное увеличение общего срока службы и связанное с этим более значительное влияние ползучести [23, 46], радиации [И] и выгорания {уменьшения толщины) облицовки потребует применения жаропрочных и радиационно-стойких материалов для ТПЭ. Поэтому оценить влияние указанных факторов на прочность и ресурс ТПЭ важно уже сейчас на примере конструкций ИТЭР [30, 31], проводя соответствующие расчетноэкспериментальные работы, В настоящей работе автором использован описанный в [1, 3] подход к расчету малоцикловой усталости с учетом влияния деформации ползучести, сопротивления хрупкому разрушению при наличии исходных дефектов типа трещин [20, 60] и сопротивления развитию трещин при циклическом нагружении [41, 55].Работа выполнена в соответствии с планами НИОКР: - Федеральная целевая программа "Международный термоядерный реактор ИТЭР" на 2002-2005 годы (постановление Правительства РФ №604 от 21 августа 2001 г.). - Федеральная целевая научно-техническая программа "Международный термоядерный реактор ИТЭР и научно-исследовательские и опытноконструкторские работы в его поддержку" на 1999-2001 годы (постановление Правительства РФ №1417 от 1 декабря 1998 г.). - Федеральная целевая научно-техническая программа "Международный термоядерный реактор ИТЭР и научно-исследовательские и опытноконструкторские работы в его поддержку" на 1996-1998 годы (постановление Правительства РФ №1119 от 19 сентября 1996 г.).Цели работы 1. Оценка нестационарных ЭМН, влияющих на выбор основных размеров и прочность элементов конструкций ВК и дивертора термоядерного реакторатокамака.2. Исследование динамического отклика ВК и дивертора реактора ИТЭР при действии ЭМН, включая разработку расчетных моделей, определение динамических характеристик и выбор методов динамического расчета.3. Разработка методики определения характеристик эквивалентного цикла механических напряжений для оценки циклической прочности конструкций.4. Модификация методики расчета нелинейной устойчивости конструкций и ее применение к анализу устойчивости ВК ИТЭР 5. Исследование влияния механических свойств тепл©отводящих подложек, размеров облицовки, радиации и ползучести на прочность и ресурс ТПЭ дивертора термоядерного реактора-токамака.Научная новизна 1. Получены аналитические оценки ЭМН на элементы конструкций ВК и дивертора реактора-токамака, используемые для упрощения предварительных расчетов на начальной стадии проектирования и для разработки требуемой механической модели для проведения поверочных расчетов. и 2. Предложена методика определения характеристик эквивалентного цикла механических напряжений для упрощения оценки циклической прочности ВК и дивертора токамака при действии ЭМИ, 3. Предложена модификация методики расчета нелинейной устойчивости конструкций, использующая рекомендации, различных Норм прочности в части, касающейся метода расчета, модели материала, учета начальных несовершенств.Практическая значимость > Разработаны и численно верифицированы расчетные механические модели сложных пространственных конструкций ВК и дивертора реактора ИТЭР, позволяющие с требуемой точностью проводить расчеты их прочности. В результате сравнительных численных исследований выбран наиболее эффективный метод динамического расчета этих конструкций при действии нестационарных ЭМН. > Анализ динамических расчетов ВК и кассеты дивертора ИТЭР, проведенных с помощью разработанных автором расчетных моделей: - показал необходимость учета динамики нагружения от действия ЭМН для этих конструкций (коэффициенты динамичности по оценке сверху близки к 1.5) и при разработке аналогичного оборудования других токамаков; - позволил предложить изменения элементов конструкции дивертора для снижения механических напряжений до допускаемых пределов. > Предложенная модифицированная методика расчета нелинейной устойчивости позволила точнее определить критические нагрузки и коэффициенты запаса устойчивости для ВК ИТЭР. > Полученные оценки характеристик эквивалентного цикла механических напряжений упростили оцен1су циклической прочности ВК и дивертора токамака при действии импульсных ЭМН. > Проведен анализ долговечности ТПЭ дивертора в виде моноблока с облицовкой из углеродного композита и выбрана бронза, обеспечивающая заданный ресурс теплоотводящей подложки при действии циклических тепловых потоков. Предложены конструктивные размеры, позволившие уменьшить общее число моноблоков и соответственно снизить стоимость изготовления дивертора. > Исследовано влияние и показана необходимость учета радиации, ползучести и изменения толщины облицовки при оценке долговечности ТПЭ дивертора. Установлено, что для повышения надежности ТПЭ следует проводить их циклические испытания с выдержками, а при прогнозировании ресурса принимать во внимание не только число нагружении, но и продолжительность действия тепловой нагрузки.Достоверность полученных результатов обеспечивает: • Сравнение полученных результатов с результатами работ других российских и зарубежных исследователей: - Расхождение в величинах собственных частот, полученных Сориным В.М. (НИИЭФА) для другой расчетной модели ВК ИТЭР, составляет не более 5^10 процентов. - Не более 15-f25 процентов разницы с результатами японских (JAERI) и европейских (Framatom, Ansaldo) участников проекта ИТЭР получено при расчетах НДС ВК от действия испытательного давления и ЭМН. - Расхождение в результатах около 20 процентов показали расчеты НДС кассеты дивертора при действии ЭМН и тепловых нагрузок, проведенные европейскими (ENEA-Euroatom) участниками проекта ИТЭР с помощью программы ABAQUS для другой расчетной модели кассеты. - Разница в величине интегральных ЭМН, полученных автором с помощью оценок, и сотрудниками НИИЭФА (НИВО) в результате численного моделирования с помощью программы TYPHOON, составляет 15-^ 25 %. • Сравнение результатов численных расчетов и оценок с результатами экспериментов: - Результаты расчетов НДС ВК экспериментального токамака "Глобус-М" при действии наружного равномерного давления в основном совпали с результатами механических испытаний, проведенных сотрудниками ФТИ им.А.Ф. Иоффе в объединении "Северный завод" на полномасштабном макете ВК. Отличия в показаниях некоторых тензометров от расчетных значений объяснились отклонениями реального профиля макета от теоретического профиля поперечного сечения камеры. - Результаты расчетов и измерений температуры макетов ТПЭ дивертора при термоциклических испытаниях совпали с точностью до 10 процентов.Изменение формы облицовки и появление трещин в медной прослойке некоторых макетов, полученное при испытаниях, прогнозировалось автором по результатам расчетов. • Использование сертифицированного программного обеспечения для проведения численных расчетов: Использованная в расчетах программа ANSYS имеет сертификацию ISO 9001 для всей линейки программных продуктов, проведено более 7200 программных тестов и более 1600 тестов на аппаратную совместимость. В соответствии с решением Совета по аттестации программных средств НТЦ по ядерной и радиационной безопасности Госатомнадзора России от 31.10.2002 г., программа ANSYS аттестована бессрочно [35] для расчета статического НДС элементов активных зон и реакторного оборудования из металлов и сплавов в упругой линейной области, а также при наличии деформаций пластичности и ползучести (скорость ползучести конструкционных материалов не более 10' 1/сек). Практическая точность расчетов определяется точностью задания внешних воздействий, физико-механических характеристик материалов и точностью расчетной модели. При заданных физико-механических характеристиках и моделях поведения материалов пофешность расчета в линейной и нелинейной постановках не превышает 2^5 % и 10 % соответственно.Апробация работы Результаты работы обсуждались на семинарах в ШШЭФА, докладывались на международных технических совещаниях по проекту ИТЭР (Россия, Германия, США) с 1989 по 2004 гг., а также представлялись: - на Всероссийских конференциях по инженерным проблемам термоядерных реакторов (С.-Петербург, 1984, 1988, 1997, 2002), III международной конференции "Радиационное воздействие на материалы термоядерных реакторов" (С.-Петербург, 1994), Российской научно-технической конференции "Инновационные наукоемкие технологии для России" (С. Петербург, 1995), 3 конференции пользователей программного обеспечения CAD-FEM GmbH (Москва, 2003); - на международных симпозиумах по термоядерным и ядерным технологиям (Карлсруэ, Германия, 1994; -Петербург, 1996; Токио, Япония, 1997; Мадрид, Испания, 2000; Хельсинки, Финляндия 2002). В диссертацию включены материалы, опубликованные в 26 печатных работах.Структура и объем диссертации.Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. В диссертации 149 страниц печатного текста, в том числе 58 рисунков, 37 таблиц и список литературы, включающий 80 наименований.Содержание работы В первой главе приведены основные соотношения электродинамики и термоупругости, используемые для выбора метода расчета напряжений и температур в тонкостенных токопроводящих конструкциях токамака при действии внешних электромагнитных полей. Дано описание различных подходов по проведению сквозных расчетов "ЭМН-НДС". Автором предложены аналитические оценки нестационарных ЭМН, используемые на стадии выбора основных размеров элементов конструкций ВК и дивертора реактора-токамака и при разработке их механических моделей. Приведены характеристики расчетных ЭМН, действующих на ВК и дивертор реактора ИТЭР. Во второй главе описаны разработанные автором расчетные механические модели ВК и дивертора ИТЭР, изложены методы их динамического расчета при действии нестационарных ЭМН. Приведены результаты анализа динамических характеристик и НДС ВК и кассеты дивертора под действием тестовых динамических нагрузок, характерных для ИТЭР. Это позволило верифицировать расчетные модели и выбрать требуемый по точности метод динамического анализа. Проведен анализ динамического отклика ВК и дивертора ИТЭР при действии 6 типов нестационарных ЭМН. Предложена упрощенная методика выбора характеристик эквивалентного цикла механических напряжений для оценки циклической прочности ВК и дивертора при действии импульсных ЭМН. Предложена модифицированная методика анализа нелинейной устойчивости конструкции с учетом рекомендаций различных Норм прочности [1,3, 18]. Приведены результаты параметрического анализа устойчивости корпуса ВК ИТЭР, выполненные в упругопластическом приближении с учетом начальных отклонений геометрии конструкции от номинальных размеров.В третьей главе приведены результаты анализа циклической прочности и трещиностойкости различных вариантов конструкций ТПЭ дивертора ИТЭР при действии циклических тепловых нагрузок. Проведен учет влияния механических свойств материалов, ползучести, изменения свойств материалов вследствие радиации и уменьшения толщины облицовки при эксплуатации [37].Анализ сопротивления малоцикловому разрушению по мере накопления числа циклов [19, 51] осуществлен с учетом кинетики пластических деформаций, определяемых свойствами материалов, условиями локального деформирования, уровнем циклических нагрузок, температурой и временем эксплуатации.Приведены результаты оценки сопротивления разрушению из-за роста начального дефекта типа поверхностной полуэллиптической трещины. полученные с помощью интегрирования уравнений линейной механики разрушения [20, 41, 55], связывающих скорость роста трещины и размах коэффициента интенсивности напряжений.В Заключении приведены выводы результатов исследования и рекомендации для последующих расчетно-экспериментальных работ в обоснование прочности рассматриваемого оборудования термоядерного реактора-токамака.Автор выражает искреннюю благодарность Малкову А.А., Спирченко Ю.В., Сорину В. М. и Лабусову А.Н. за помощь, оказанную в процессе работы, проявленный к исследованиям интерес и полезные обсуждения.
Скачивание файла! E-Mail: 1662Пароль: 1662Скачать файл. 
