Структура и свойства сварных соединений комбинированных конструкций ИТЭР из стали и бронзы, полученных электронно-лучевой сваркой тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.09, кандидат наук Портнов Максим Александрович

• Портнов Максим Александрович
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Портнов Максим Александрович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ КОМБИНИРОВАННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИТЭР С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ

1.1. Описание работы и требования, предъявляемые к изделию

1.2. Материалы, применяемые при изготовлении изделия

1.3. Особенности электронно-лучевой сварки разнородных материалов

1.4. Электронно-лучевая сварка стали с медью и сплавами на ее основе

1.5. Дефекты при электронно-лучевой сварке

1.6. Методы контроля качества сварных соединений

Выводы по главе

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ СТАЛИ И БРОНЗ

2.1. Материалы, оборудование и методики проведения исследований

2.2. Металлографические исследования сварных соединений

2.3. Исследование влияния электронно-лучевой сварки и последующей термической обработки на механические свойства сварных соединений

Выводы по главе

ГЛАВА 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ТРЕБУЕМУЮ СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ СТАЛИ С БРОНЗАМИ

3.1. Расчет напряженного состояния сварного соединения для элементов несущей конструкции реактора

3.2. Расчет угла наклона и смещения электронного луча

3.3. Разработка методики контроля качества биметаллических сварных соединений, полученных при электронно-лучевой сварке

Выводы по главе

ГЛАВА 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ КОМБИНИРОВАННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПЕРВОЙ СТЕНКИ БЛАНКЕТА ИТЭР

4.1. Разработка конструкции для сборки деталей под сварку

4.2. Конструкции заготовок для изготовления биметаллических изделий и подготовка поверхностей к сварке

4.3. Выбор технологических параметров электронно-лучевой сварки комбинированных конструкций

4.4. Термическая обработка

4.5. Физические способы контроля

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Структура и свойства сварных соединений комбинированных конструкций ИТЭР из стали и бронзы, полученных электронно-лучевой сваркой»

ВВЕДЕНИЕ

Основным направлением развития современного машиностроения является снижение металлоемкости конструкций и узлов машин с одновременным повышением их мощности, что определяет необходимость широкого использования комбинированных материалов (биметаллов) при их проектировании и производстве.

Биметаллы применяются во многих отраслях промышленности, при изготовления деталей нефтегазового и атомноэнергетического оборудования, подшипников скольжения, а так же при изготовлении узлов авиационной и ракетно-космической техники.

Стремительный рост энергопотребления, а так же неравномерность потребления энергии по планете, создает достаточно сложную ситуацию в энергетике и, как следствие, ставит перед энергомашиностроительной отраслью задачи по поиску и созданию альтернативных источников энергии.

На данный момент почти вся потребляемая человечеством энергия создаётся за счёт невозобновляемых источников. 80% энергии создаётся за счёт сжигания ископаемых природных топлив (нефть, уголь, природный газ), около 10% энергии получают за счёт сжигания отходов и биомассы. Основные недостатки использования такого рода топлив для получения энергии -интенсивное загрязнение окружающей среды и их ограниченное количество. По самым оптимистичным прогнозам, с учётом растущего потребления этих ресурсов (+4,5% в год), запасы этих ресурсов иссякнут в течение ближайших 50 лет.

Необходимо повысить эффективность методов получения, передачи и использования энергии, а также в развитие и увеличение масштабов использования альтернативных и возобновляемых источников энергии. В настоящее время суммарная доля энергии, получаемой на ГЭС, составляет около 5%. Доля альтернативных источников (ветряные электростанции, солнечные батареи, геотермальные и приливные станции) ещё меньше - всего 0,5% от общего количества производимой энергии. Однако, даже в случае глобального

развития альтернативных источников энергии, их максимальная мощность не будет превышать 6ТВт, что составляет всего 37% от текущего энергопотребления. Это говорит о том, что альтернативные и возобновляемые источники энергии не могут полностью обеспечить даже текущие потребности человечества в энергии.

В связи с этим, человечество вынуждено искать иные источники энергии, в качестве которых сейчас рассматривают только Солнце и реакции термоядерного синтеза. Солнце является практически неистощимым источником энергии, однако проблема заключается в том, что мы не можем сохранять, преобразовывать эту энергию, а также осуществлять её передачу на большие расстояния. Другим направлением развития альтернативных источников энергии является использование ядерного синтеза. Это направление считается наиболее перспективным, хотя к настоящему моменту ядерный синтез, как таковой, ещё не осуществлён.

Для того чтобы осуществить реакцию ядерного синтеза, необходимо обеспечить особые условия (сверхвысокая температура, отсутствие загрязнения и др.), которые могут быть созданы только в специальной установке, называемой термоядерным реактором. В настоящее время во Франции начинается строительство первого в мире международного экспериментального термоядерного реактора ITER (IntemationalTokamakExperimentalReactor).

Одной из основных задач при реализации проекта является обеспечение высокой прочности элементов конструкции реактора и их соединений при длительной эксплуатации в условиях интенсивного ионизирующего излучения и высоких градиентов температур [1].

Данная работа посвящена решению подобной задачи, а именно разработке технологии изготовления и контроля механических свойств биметаллической крышки канала теплоносителя - элемента несущей конструкции первой стенки (НКПС) реактора. Первая стенка реактора является одной из наиболее ответственных частей конструкции, т.к. при эксплуатации будет подвергаться жёстким условиям работы (радиационное излучение, термоциклирование, механическая нагрузка). Жёсткие условия эксплуатации создают ограничения по

выбору материалов элементов первой стенки, что осложняет разработку технологий их изготовления.

Для закрепления защитных блоков первой стенки реактора необходимо изготовить несколько тысяч биметаллических крышек. Работа изделий будет протекать в сложных условиях. К тому же, выход из строя одного или нескольких изделий может привести не только к остановке реактора, а соответственно, к огромным денежным затратам на ремонт и повторный запуск, но и к серьёзной аварии.

ГЛАВА 1.ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ

1.1. Описание работы и требования, предъявляемые к изделию

ИТЭР - проект международного экспериментального термоядерного реактора. Основная задача ИТЭР - показать, что управляемый термоядерный синтез может быть использован для производства энергии, и получить данные, необходимые для разработки и эксплуатации первой производящей электроэнергию станции такого вида.

ИТЭР базируется на принципе «токамака» (рисунок 1.1) - тороидального корпуса, окружённого катушками, создающими мощное магнитное поле - в котором создаются и поддерживаются условия, необходимые для протекания реакции термоядерного синтеза [1].

Из тороидальной вакуумной камеры 1 откачивают воздух с помощью системы вакуумных насосов 2. Затем камеру заполняют смесью дейтерия и трития (тяжёлого и сверхтяжёлого изотопов водорода). Смесь нагревают вплазменной камере реактора до температуры около 3 млн. °С сильноточным (до 15 МА) газовым разрядом. Такой токв плазме создают с помощью обыкновенного тороидального трансформатора. Первичным витком трансформатора является индуктор 3; плазма при этом выполняет роль вторичного короткозамкнутого витка. Протекающий через плазму ток выполняет две задачи:

1) Нагревает плазму так же, как нагревал бы любой другой проводник (омический нагрев);

2) Создает вокруг себя магнитное поле. Это магнитное поле называется полоидальным (то есть направленное вдоль линий, проходящих через полюсы сферической системы координат).

Чтобы плазменный шнур не «разорвался» и не коснулся стенок, его «подвешивают» впространстве и стабилизируют «тороидальным» магнитным полем, которое создают с помощьюспециальных магнитных катушек 4. Кроме

тороидальных катушек для управления плазменным шнуром необходимы дополнительные катушки полоидального поля 5. Они представляют собой кольцевые витки вокруг вертикальной оси камеры реактора.

1 - тороидальная вакуумная камера; 2 - система вакуумных насосов; 3 -индуктор (главный соленоид); 4 - тороидальные магнитные катушки; 5 -полоидальные магнитные катушки; 6 - защитный бланкет; 7 - дивертор.

Рисунок 1.1 - Общий вид экспериментального термоядерного реактора ИТЭР с указанием основных конструктивных элементов (компьютерная модель)[1]

В результате воздействия двух типов магнитных полей образуется конфигурация, в которой винтовые магнитные силовые линии «обвивают»

плазменный шнур. При этом шаг при вращении в тороидальном направлении не совпадает с шагом в полоидальном направлении. Магнитные линии оказываются незамкнутыми, они бесконечно много раз закручиваются вокруг тора, образуя так называемые «магнитные поверхности» тороидальной формы. Получающаяся в итоге замкнутая винтоваямагнитная конфигурация оказывается для термоядерной плазмы почтиидеальной ловушкой. Она позволяет эффективно защитить материальныестенки камеры от воздействия температур в миллионы градусов [2]. На рисунке 1.2 показан принцип создания и конфигурация магнитного поля, удерживающего плазменный шнур.

Сверхпроводящие катушки

Рисунок 1.2 - Принцип создания и конфигурация магнитного поля в установке типа «токамак»[1]

Однако, одного только нагрева за счет протекания тока недостаточно для нагрева плазмы до температуры, необходимой для осуществления термоядерной реакции (около 100 млн. °С). Для дополнительного нагрева используется микроволновое излучение на так называемых резонансных частотах (например, совпадающих с циклотронной частотой либо электронов, либо ионов) и инжекция быстрых нейтральных атомов [3].

При нагреве плазмы до температуры порядка 10 °С внутри камеры начинает протекать реакция, в результате которой из ядер дейтерия и трития образуется ядро гелия (альфа-частица) и высокоэнергетический нейтрон: 2 Н+Не+0п + 17.6МэВ (1.1)

Выделенная энергия (возникающая из-за того, что гелий-4 имеет очень сильные атомные связи), переходит в обычную кинетическую энергию, распределённую между нейтроном и ядром гелия-4 в пропорции 14.1 МэВ : 3.5 МэВ [4]. Возникающие при реакции синтеза электрически заряженные ядра гелия удерживаются внутри камеры магнитным полем, где постепенно тормозятся за счёт столкновений с другими частицами. Причём выделяющаяся при столкновениях энергия помогает поддерживать высокую температуру плазменного шнура. Не имеющие электрического заряда нейтроны покидают систему и передают свою энергию стенкам реактора, а отбираемое от стенок при помощи теплоносителя тепло и является источником энергии для работы турбин, вырабатывающих электричество. Схематично принцип работы термоядерного реактора ИТЭР представлен на рисунке 1.3, а основные проектные характеристики термоядерного реактора ИТЭР представлены в таблице 1.1.

На внутренней поверхности тороидальной вакуумной камеры расположены защитный бланкет реактора и дивертор. Дивертор - специальный приёмник теплового потока из плазмы на стенку реактора. Его основные функции -уменьшить взаимодействие плазмы со стенкой и помешать примесям проникнуть в центр плазменного шнура [5].

Рисунок 1.3 - Принцип работы экспериментального реактора ИТЭР [4] Бланкет реактора ИТЭР - система, состоящая из 440 защитных модулей, зафиксированных на внутренней поверхности вакуумной камеры с помощью

специально предусмотренной системы крепления. Конструкция элемента бланкета реактора представлена на рисунке 1.4.

Бланкет условно разделён на 3 региона: внутренний (модули №№ 1 - 6), верхний свод камеры (модули №№ 7 - 10) и внешний (модули №№ 11 - 18).

Таблица 1.1 - Проектные характеристики ИТЭР [6]

Характеристика Значение

Общий радиус конструкции, м 10.7

Высота, м 30

Большой радиус плазмы, м 6,2

Малый радиус плазмы, м 2,0

Объём плазмы, м 837

Магнитное поле, Тл 5,3

Максимальный ток в плазменном шнуре, А 1.5107

Мощность внешнего нагрева плазмы, МВт 40

Термоядерная мощность, МВт 500

Средняя температура, К 108

Продолжительность импульса, с 400 - 1000

Бланкет реактора выполняет следующие функции:

- 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.

Каждый защитный модуль бланкета состоит из первой стенки (компонента, обращённого к плазме) и защитного блока. Конструкция защитного модуля бланкета представлена на рисунке 1.5.

Рисунок 1.4 - Сектор вакуумной камеры ИТЭР с установленными модулями защитного бланкета [5]

Защитный блок

Первая стенка

Рисунок 1.5 - Защитный модуль бланкета ИТЭР [5]

Первая стенка имеет следующее функциональное назначение:

- формирование поверхности, обращенной к плазме, с использованием материалов с низким атомным числом (в частности, бериллия);

- 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 при отклонении от условий нормальной эксплуатации ИТЭР;

- первый защитный барьер от радиационного повреждения для внутрикамерных компонентов.

Первая стенка механически фиксируется на фронтальной (обращенной к плазме) поверхности защитного блока посредством специально предусмотренного узла крепления. Первая стенка состоит из несущей конструкции (НКПС) и панелей первой стенки, состоящих из системы пальцев - энергонапряжённых элементов, обращённых к плазме. Габаритные размеры системы панелей, закреплённых на одной НКПС, в тороидальном, полоидальном и радиальном направлениях составляют 1300 х 710 х 400 мм соответственно. На рисунке 1.6 представлен разрез первой стенки в поперечном направлении.

На поверхности панели первой стенки, обращённой к плазме, установлены бериллиевые панели 1, обеспечивающие радиационную защиту элементов конструкции реактора. Под панелями расположена бронзовая часть 2 панели первой стенки. Бронза обладает высокой теплопроводностью и обеспечивает хороший теплоотвод от интенсивно нагреваемых в процессе работы бериллиевых панелей. Основная часть 3 панели передней стенки выполнена из коррозионностойкой стали аустенитного класса.

Несущая конструкция первой стенки 4 также выполнена из аустенитной стали. В несущей конструкции изготовлены каналы 5, предназначенные для протекания водяного теплоносителя. Для изготовления каналов в несущей конструкции фрезерованием были получены пазы, которые затем закрывались

биметаллическими крышками 6, привариваемыми к НКПС с помощью электронно-лучевой сварки.

1 - бериллиевые панели; 2 - бронзовая часть панели первой стенки; 3 -основная часть панели первой стенки; 4 - несущая конструкция первой стенки; 5 - каналы для протекания теплоносителя; 6 - биметаллическая крышка канала теплоносителя; 7 - штифт

Рисунок 1.6 - Поперечный разрез фрагмента первой стенки [5] Механическое соединение панелей первой стенки и несущей конструкции первой стенки осуществляется при помощи восьми штифтовых соединений. Штифты 7 выполнены из сплава на основе никеля 1псопе1 718. В верхней части биметаллических крышек, выполненной из алюминиевой бронзы, предусмотрены отверстия для штифтов. Таким образом, для получения механического соединения несущей конструкции с панелями первой стенки необходимо сначала изготовить биметаллические крышки канала теплоносителя, затем крышки при

помощи электронно-лучевой сварки приварить к несущей конструкции, после чего установить штифтовое соединение.

Биметаллическое сварное соединение на крышках работает в жёстких условиях, сочетающих в себе действие различных эксплуатационных факторов: механическая статическая нагрузка, ионизирующее излучение и импульсный характер изменения температур.

Механическое напряжение создаётся в сварном соединении бронзы со сталью от веса панелей первой стенки, закреплённых на несущую конструкцию. Значения действующего механического напряжения в сварном соединении и максимально допустимого напряжения будут зависеть от пространственного расположения защитного блока в реакторе.

В процессе работы термоядерного реактора происходит нагрев стенок реактора (а затем и теплоносителя) за счёт поглощения ими высокоэнергетических нейтронов (14.1 МэВ). Количество энергии, перенесённое нейтронами за единицу времени через единицу площади составляет 0.3 - 0.5 МВт/м2 [7].

Воздействие потока нейтронов на металл приводит к постепенной деградации его механических свойств. Наиболее распространёнными явлениями, возникающими в металле вследствие воздействия ионизирующих излучений, являются радиационное охрупчивание, радиационное упрочнение и радиационное распухание (свеллинг).

Обычно радиационное упрочнение почти всегда сопровождается значительным уменьшением пластичности облучаемых материалов. Это явление называется радиационным охрупчиванием [7]. Причина радиационного охрупчивания - появление в металле в процессе облучения атомов гелия и других инертных газов. Гелий нерастворим в металлах, поэтому атомы гелия, могут мигрировать к границам зёрен и выделяться там в виде «пузырьков», ослабляя границы. Это явление особенно интенсивно протекает при повышенных температурах, т.к. при этом увеличивается диффузионная подвижность атомов. Таким образом, тело зерна является достаточно прочным (в результате

радиационного упрочнения), а границы зёрен ослаблены (в результате радиационного охрупчивания), что приводит к значительному снижению пластичности и ударной вязкости металла.

Другим явлением, характерным для изделий, работающих в условиях воздействия ионизирующих излучений, является радиационное распухание -необратимое изменение формы и размеров изделия под действием излучения. Различные материалы по-разному чувствительны к распуханию - для некоторых металлов деформация может составлять несколько нанометров, тогда как для сталей увеличение объёма может достигать 6%.

Согласно теории, описываемой в работе [8], радиационное распухание возникает вследствие того, что в условиях облучения дислокациям энергетически более выгодно взаимодействовать с межузельными атомами, чем с вакансиями. В результате в металле возникает большая плотность вакансий, которые, объединяясь, образуют вакансионные поры. С течением времени эти поры внутри металла увеличиваются в размерах, и металл «распухает».

Распухание в значительной мере зависит от температуры, при которой происходит облучение. Начиная с Т = 0,25Тпл, где Тш - температура плавления, интенсивность распухания растет с повышением температуры, достигая максимума при Т = (0,4 - 0,45)-Тпл, а затем с дальнейшим ростом температуры начинает уменьшаться, полностью исчезая при Т = 0,55Тпл.

Уровень распухания в значительной степени зависит от наличия механических напряжений. В области значений напряжения от нуля до предела текучести наблюдается практически линейное возрастание распухания. Таким образом, металл, находящийся под напряжением, распухает быстрее, чем ненагруженный металл. Было также установлено, что степень распухания материала при тех или иных условиях облучения в значительной степени зависит от его структуры и химического состава [7].

Третьим фактором, усложняющим условия эксплуатации изделия, является импульсный характер изменения температуры. Работа реактора осуществляется в импульсном режиме - предполагается, что плазма будет существовать в камере в

течение 400 секунд, в течение которых будет осуществляться нагрев стенок камеры. Затем магнитные катушки отключают, происходит срыв плазмы и наступает время паузы, в течение которого происходит теплообмен между стенками камеры и теплоносителем. Предполагается, что в реакторе удастся осуществить не менее 30000 таких импульсов. Согласно [7], при таком режиме работы нагрев бронзовых элементов первой стенки будет осуществляться до температур Т = (100 - 245)°С, нагрев элементов из нержавеющей стали - до температур Т = (100 - 250)°С. В [5] был проведён расчёт температурных полей, возникающих в элементах конструкции панели первой стенки от действия плазменного шнура. Согласно этому расчёту, максимальная температура нагрева биметаллических крышек канала теплоносителя составляет Ттах = 275°С. Максимальная температура нагрева биметаллического сварного соединения составляет от 150°С до 250°С в зависимости от пространственного расположения соединения.

Нагрев элементов конструкции до таких температур вызывает изменение механических свойств металлов, однако наибольшую опасность представляет не сама температура, а скорость её нарастания. Предполагается, что температура плазменного шнура будет составлять около 108 К. Время установления такой температуры - несколько секунд. Таким образом, в течение нескольких секунд температура элементов конструкции первой стенки может подняться на несколько сотен градусов. Причём этот нагрев будет производиться неравномерно - сначала нагреваются граничащие с плазмой слои материала, а затем тепло будет переходить «вглубь» первой стенки по механизму теплопроводности. Таким образом, в момент зажигания плазменного шнура даже в пределах одного элемента конструкции первой стенки формируется тепловое поле, характеризующееся крайне высокими значениями градиента температур. Наличие высокого градиента температур способствует появлению высоких внутренних термических напряжений и деформаций. В [5] проведён расчёт термических напряжений, возникающих вследствие воздействия импульсного температурного поля, согласно которому в исследуемом сварном соединении значения

внутренних напряжений в среднем могут достигать значений 175 МПа в зависимости от пространственного расположения соединения.

Принимая во внимание эти расчёты, можно сделать вывод, что термические напряжения, возникающие от неравновесного нагрева, на несколько порядков превышают значения напряжений, создаваемых весом конструкции, и создают основную нагрузку на сварное соединение.

1.2. Материалы, применяемые при изготовлении изделия

Элементы конструкции первой стенки реактора работают в сложных условиях, поэтому к материалам, использующимся для их изготовления, предъявляется ряд требований.

Во-первых, эти материалы не должны обладать таким свойством, как искусственная радиоактивность. Искусственная радиоактивность - способность материала становиться радиоактивными, выделять ионизирующее излучение под действием различных факторов. Применение таких материалов может привести к тому, что в процессе эксплуатации возникнет необходимость использования дистанционных методов удаления выделившегося компонента [9].

Во-вторых, механические свойства материалов первой стенки не должны резко изменяться под воздействием нейтронного излучения и температуры. Изменение механических свойств может негативно повлиять на физическую целостность компонента или соединений между компонентами, либо может привести к образованию частиц, которые могут распространиться по вакуумной системе (например, тефлон превращается в порошок). Такие изменения необратимы [9].

В-третьих, нельзя применять материалы, подверженные интенсивной трансмутации (изменению числа нейтронов и протонов в ядре атома, т.е., по сути, превращению атома одного элемента в атом другого элемента) под действием ионизирующих излучений.

В-четвёртых, для некоторых материалов характерно явление десорбции -повышенной дегазации (например, выделение водорода из стали при облучении

рентгеновскими лучами). Это явление прекращается после отключения источника излучения. Применение таких материалов в качестве материалов элементов, обращённых к плазме, должно быть ограничено.

При этом используемые материалы должны обеспечивать требуемый уровень механических свойств изделий под воздействием всех эксплуатационных факторов.

В настоящее время, перечень материалов, которые без ограничения могут быть использованы при изготовлении первой стенки, утверждён. В [7] представлен этот перечень материалов с указанием их применения для отдельных элементов первой стенки реактора. Согласно этому перечню, в качестве материала несущей конструкции первой стенки, защитного блока рекомендовано использовать стали аустенитного класса 316L(N)-IG1 и 316L(N)-IG2. В качестве материала крепёжных элементов первой стенки (в том числе и для биметаллической крышки) рекомендуется использовать сплавы на основе меди: CuCrZr-IG1, CuAl10Ni5Fe4, CuAl25-IG и сплав 660.

На начальном этапе проектирования ИТЭР в качестве материалов для внутрикорпусных элементов конструкций, в том числе и для несущей конструкции первой стенки, были рекомендованы несколько марок сталей. Это аустенитные стали типа 316 в аустенизированном и наклёпанном (с 25% холодной деформации) состояниях [10]. Дальнейший анализ их работоспособности (в том числе в условиях воздействия облучения, водной среды, технологичности, степени освоенности промышленностью разных стран - участников ИТЭР и др.) привел к выбору одного типа стали - 316L. Однако в разных странах спецификация данного типа стали может существенно отличаться. В частности, марки сталей различных стран AISI 316L, AISI 316LN, AISI 316NG, SUS 316L, SUS 316LN, X2CrNiMo 17-12-2, 03X17H14M2, 316L-SPH, 316LN-SPH и т.д. отличаются как по химическому составу, так и по величине допускаемых напряжений, хотя все они принадлежат к одной группе сталей - 316L.

Для того чтобы исключить различные толкования выбранной для ИТЭР марки стали, было принято решение ввести обозначение 316L(N)-IGX. Здесь 316

указывает на тип стали; L - пониженное содержание углерода 0.015-0.030 %; (N) - ограничение на содержание азота 0.06-0.08 %; IG - ITER Grade, отражает особые требования к материалу, обусловленные его использованием в ИТЭР; Х - число, указывающее на тип полуфабриката и особые требования, продиктованные применением стали в конкретных элементах конструкций. Сталь используется в аустенизированном состоянии.

Требования, выработанные для сталей марок 316L(N)-SPH и 316L(N)-FBR, предназначенных для использования в реакторах на быстрых нейтронах, явились основой для спецификации стали 316L(N)-IG. Данная марка стали имеет наибольшие значения допускаемых напряжений по сравнению с аналогичными марками.

В таблице 1.2 представлены требования, предъявляемые к химическому составу стали 316L(N), используемой при изготовлении несущей конструкции первой стенки.

Содержание в стали примесных элементов, таких как Co и Nb, должно быть ограничено.

Кобальт является основным элементом, приводящим к активации продуктов коррозии в системе водяного охлаждения реактора. Известно, что на кобальт приходится до 90% накопленной дозы облучения эксплуатационного персонала ядерных энергетических установок.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Портнов Максим Александрович, 2016 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Е.П. Велихов, С.В. Путвинский. Докладот 22.10.1999, выполненныйврамках Energy Center of the World Federation of Scientists

2. М. Вестра. Действительно ли будущее принадлежит термоядерному синтезу? // Бюллетень МАГАТЭ 48/2. - Март 2007. - С. 29 - 31.

3. Велихов Е.П., Мирнов С.В. Управляемый термоядерный синтез выходит на финишную прямую // Кафедра общей физики и ядерного синтеза. Московский Энергетический Институт. URL: http://phns.mpei.ac.ru/articles/iter.pdf (дата обращения: 01.10.2011).

4. Википедия. Свободная энциклопедия [Электронный ресурс] / Токамак -Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Токамак (дата обращения 01.10.2011).

5. Википедия. Свободная энциклопедия [Электронный ресурс] / Международный экспериментальный термоядерный реактор - Режим доступа: http://щ.wikipedia.org/wiki/Международный_экспериментальный_термоядерный_р еактор (дата обращения 02.10.2011).

6. The path to fusion power. Chris Llewellyn Smith, Chair ITER Council. Материалы к лекции, прочитанной 17 мая 2009 года в ФИАНе. // Научный портал «Элементы». URL: http://elementy.ru/lib/430807 (дата обращения 02.10.2011).

7. Калинин Г.М., Барабаш В.Р. Выбор и обоснование работоспособности материалов внутрикорпусных элементов реактора ИТЭР // Fortissteel. URL: http://www.fortis-steel.ru/pub/download/1166544653871539.pdf (дата обращения 06.10.2011).

8. Кирсанов В.В. Радиационные дефекты и связанные с ними дефекты // Соросовский образовательный журнал. - 2001. Том 7 № 10. - С. 88 - 94.

9. Ибрагимов Ш.Ш., Кирсанов В.В., Пятилетов Ю.С. Радиационные повреждения металлов и сплавов - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 240 с.

10. Вакуумный справочник ИТЭР. Приложение 3. Принятые к использованию материалы. С. 2 - 3.

11. ITER blanket, shield and material data base. ITER documentation series. № 29. IAEA, Vienna, 1991.

12. Aluminum Bronze and Inconel. ITER documentation series.

13. КохБ.А. Основытермодинамикиметаллургическихпроцессовсварки. Л.: Судостроение, 1975. 240 с.

14. Вейник А.И. Термодинамическая пара. Минск: Наука и техника, 1973.

384 с.

15. Спринг К., Саттон Дж. Прямое преобразование энергии: Пер. с англ./ Под ред. С.В. Тимашова, Е.И. Янтовского. М.: Мир, 1969. 413 с.

16. Чанг Ш. Преобразование энергии.: Пер.с англ./ Под ред. Б.А. Ушакова. М.: Атомиздат, 1965. 310 с.

17. Алексеев Г.Н. Непосредственное преобразование различных видов энергии в электрическую и механическую. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963. 336 с.

18. Воробьев Ю.В., Добровольский В.Н., Стриха В.И. Методы исследования полупроводников. Киев: Высш. Школа, 1988. 232 с.

19. Blakeley P.I., Sanderson A. The origin and effect of magnetic fields in electron beam welding // Weld. J. 1984. Vol. 63. № 1. Р. 42 - 49.

20. Welding of dissimilar by using the method of electron beam welding with filler wire / I Ruge, C. Oestmann, I. Decker et al. // Electron and Laser beam weld. Proc. Int. Conf, Tokyo, 14 - 15 July, 1986. Oxforde. a., 1986. P. 193 - 203.

21. Назаренко О.К. Отклонение пучка электронов при электронно-лучевой сварке // Автоматическая сварка. 1982. № 1. С. 33 - 39.

22. Neubert G., Spiegler M. Verfahren zum selbsttatigen Positionieren des Strahls beim Elektronenstrahlschweiben // ZIS. - Mitt. 1976. Bd. 18. № 2. S. 152 - 158.

23. Some problems associated with deep penetration electron beam welding of heavy section steels / K. Watanabe, T. Shida, M. Susuki et al. // 2nd Int. Symp. Jap. Weld. Soc. Osaka, 1975. Vol. 1. P. 69 - 74.

24. A study on occurrence and prevention of defects of EBW (report 2) / K. Watanabe, T. Shida, M. Susuki et al. // J. Jap. Weld. Soc. 1975. Vol. 44. № 2. P. 121 -127.

25. Wei P.S., Lii T.W. Elektron beam deflection when welding dissimilar metals // ASME Journal of Heat Transfer. 1990. Vol. 112. № 8. Р. 714 - 720.

26. Гиндина Т.Г., Фрумин И.И. Плазменная наплавка // Автоматическая сварка. -1965. -№5.- С. 6-8.

27. Weill-Couly P. Welding aluminium bronze castings // Welding casting. -1977. - №6. - Р. 253-266.

28. Гуревич С.М. Справочник по сварке цветных металлов. - Киев: Наукова думка, 1981. - 608 с.

29. Вайнерман А.Е. Формирование состава и структура зоны сплавления при наплавке медных сплавов на сталь // Сварка (Л). - 1970. - №13. - С. 239-255.

30. Мальцев М.В. Металлография промышленных цветных металлов и сплавов. - М.: Металлургия, 1970. - 367 с.

31. Новосадов В.С., Шоршоров М.Х. О механизме образования трещин при наплавке меди на сталь. - М.: ИМЕТ им. А.А. Байкова, 1978. - 18 с.

32. Беляев В.Н., Буравлев Ю.М., Иваненко В.В. Структура и свойства сварных соединений меди со сталью, выполненных электроннолучевой сваркой // сварочное производство. - 1976. - №5. - с. 28-30.

33. Беляев В.Н. Некоторые особенности процессов пайки и сварки меди со сталью // Автоматическая сварка. - 1984. - №7. - С. 56-59.

34. Сопротивление усталости сварных соединений сложнолегированных алюминиевых бронз / Н.В. Беляев, Е.Е. Вайнерман, В.В. Потапов, А.Г. Саламашенко // Автоматическая сварка. - 1988. - №3 - С. 15-18.

35. Тимофеев В.Н., Исев Н.И. Наплавка сплавов меди на стальные поверхности // Наплавка металлов - Л.: ЛДНТП, 1970. - Ч.2 - С. 25-35.

36. Джевага И.И., Иващенко Г.М. Исследование влияния режимов наплавки и состава медных сплавов на механические свойства сталей марок Ст.3, 20, 40Х, 40ХН // Сварка цветных металлов. - Л.:ЛДНТП, 1969. - С. 105-114.

37. Вайнерман А.Е. О влиянии проникновения медного сплава на свойства соединений, полученных наплавкой медных сплавов на стали // Сварка (Л.) - 1973. - Вып.2. - С. 217-223.

38. Сютьев А.Н., Вайнерман А.Е. Плазменная наплавка бронз на изделия цилиндрической формы. - Л.: ЛДНТП, 1970. - С. 27-29

39. Аснис Е.А., Замков В.Н. Особенности наплавки меди на хромоникелевые стали // Сварочное производство. - 1961. №7. - С. 20-22.

40. Аснис Е.А., Прохоренко В.М., Швиндлерман Л.С. О механизме образования трещин при сварке и наплавке меди на сталь // Сварочное производство. - 1965. - №11. - С. 8-9.

41. Божко А.М. О механизме проникновения расплавленной меди в сталь // автоматическая сварка. - 1968. - №7. - С. 25-28.

42. Божко А.М., Кулагина М.А. О механизме образования трещин в околошовной зоне стали при сварке ее с медью // Технология судостроения и сварочного производства: Труды НКСИ: - Николаев, 1977. - С. 81-87.

43. Savage W.F., Nippes E.P., Mushala M.C. Alloy sustems susceptible to embrittlement by cu-induced hot cracking in the weld heat-affected zone are indentified and classified // Welding Journal. - 1978. - №5. - Р. 145-152.

44. Новосадов В.С., Шоршоров М^. О механизме образования трещин при наплавке меди на сталь. - М.: ИМЕТ им. Байкова, 1967. - 18 с.

45. Горюнов Ю.В., Перцов Н.В., Сумм Б.Д. Эффект Ребиндера. - М.: наука, 1966. - 128с.

46. Машиностроение. Энциклопедия. Цветные металлы и сплавы. Копозиционные металлические материалы. Т2-3 / Под общ. ред. И.Н. Фридляндера. М.: Машиностроение, 2001. 880 с.

47. Покатаев Е.П. Сварка разнородных металлов и сплавов: Учеб. Пособие/ Волг. ГТУ, Волгоград. - 2002. - 128 с

48. Лебедев Ю.М., Кравченко Л.П., Данилюк Н.М. Методика моделирования сварочных термодеформационных циклов // Автоматическая сварка. - 1978. - №12. - С. 31-33.

49. Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук Орлик Г.А. - Калуга 2002.

50. Николаев А.К., Новиков А.И., Розенберг В.М. Xромовые бронзы. М.: Металлургия, 1983.176 с.

51. Фролов В.В. Особенности металлургических процессов при сварке меди и ее сплавов под керамическими флюсами, Межвузовская конференция по сварке, Сб. докладов, Машгиз, 1958.

52. Гиндина Т.Г., Фрумин И.И. Плазменная наплавка // Автоматическая сварка. - 1965. - №5. - С. 6-8.

53. Электронно-лучевая сварка / О.К. Назаренко, А.А. Кайдалов, С.Н. Ковбасенко и др. / Под ред. Б.Е. Патона. Киев: Наук. думка, 1987. 256 с.

54. Деев Г.Ф., Пацкевич И.Р. Дефекты сварных швов. Киев: Наук. думка, 1984. 208 с.

55. Рыкалин Н.Н., Зуев И.В., Углов А.А. Основы электронно-лучевой обработки материалов. М.: Машиностроение, 1978. 239 с.

56. Измайлова Г.М., Гаврилюк В.С., Григорьянц А.Г. Особенности кинетики проплавления материала лазерным лучом // Сварочное производство. 1988. № 2. С. 29 - 31.

57. Кайдалов А.А., Назаренко О.К. Некоторые вопросы теории электронно-лучевой сварки // Электронная обработка материалов. 1973. № 3. С. 9 -13.

58. Tsukamoto S., Irie H., Welding defects and molten metal behavior in loon speed electron beam welding // Welding in the World. 1985. Vol. 23. № 5/6. P. 130 -141.

59. Патон Б.Е., Лесков Г.И., НестеренковВ.М. Динамические модели каналов проплавления при электроннолучевой сварке // Автоматическая сварка. 1988. № 1. С. 1 - 6.

60. Патон Б.Е., Лесков Г.И., Живага Л.И. Специфика образования шва при электронно-лучевой сварке // Автоматическая сварка. 1976. № 3. С. 1- 5.

61. Багрянский К.В., Добротина З.А., Хренов К.К. Теория сварочных процессов. Киев: Вища школа, 1976. 424 с.

62. Драгунов В.К. Формирование швов при электронно-лучевой сварке магнитных и немагнитных сплавов // Сб. науч. трудов Моск. энерг. ин-та. М.: МЭИ, 1989. № 207. С. 58 - 64.

63. Лесков Г.И., Живага Л.И. Особенности электронно-лучевой сварки ферромагнитных материалов // Автоматическая сварка. 1981. № 11. С. 38 -40.

64. Электронно-лучевая сварка сталей с остаточной намагниченностью / А.П. Панфилов, Е.В. Комаров, А.В. Грабар, В.Ю. Богоявленская // Материалы VIII Всесоюзной конференции по электроннолучевой сварке. М.: МЭИ, 1983. С. 68 - 76.

65. Спонтанные магнитные поля, возникающие при электронно-лучевой сварке / К.С. Акопьянц, С.М. Левитский, О.К. Назаренко и др. // Письма в ЖТФ. 1989. Т. 15. Вып. 22. С. 20 - 23.

66. Свариваемость низкоуглеродистой стали с медью электронным лучом в вакууме / В.Н. Беляев, С.И. Юдина, Л.А. Бояршина, А.В. Зареченский, А.А. Колечко // Материалы V Всесоюзной конференции по электроннолучевой сварке. Киев: Наук. думка, 1977. С. 95 - 99.

67. А.с. № 1326414 СССР, МКИ В 23 К 15/00. Способ контроля отклонения стыка при электронно-лучевой сварке / А.Г. Кроз, А.П. Фатеева, В.А. Кривенков, А.П. Бдуленко, И.А. Куцаев. Опубл. 30.07.87. Б.И. № 28.

68. Зубов В.В. Телевизионный датчик измерения положения электронного пучка // Роботиз. пр-ва свар. конструкций. Киев, 1988. С. 128-136.

69. Заявка 61 - 209781 Япония, МКИ В 23 К 15/00. Способ обнаружения линии шва при электронно-лучевой сварке / Яманэ Йосио, Хирамото Сигэнори, Мориясу Масахару, Сакамотооо Масахико. Опубл. 18.09.86. // РЖ Сварка. 1987. № 11. С. 53 .

70. А.с. 1004047 СССР, МКИ В 23 К 15/00. Устройство для слежения за линией стыка при электронно-лучевой сварке / Ю.И. Пастушенко, А.В. Коваль, Ю.Г. Куцан. Опубл. 15.03.83. Б.И. № 10.

71. А.с. № 1391834 СССР, МКИ В 23 К 15/00. Способ слежения за стыком при лучевой сварке / А.А. Солнцев, А.П. Бесчетнов. Опубл. 30.04.88. Б.И. № 16.

72. Ластовиря В.Н., Гладков Э.А. Технологические возможности универсального электромагнитного датчика положения стыка // Технология судостроения. 1981. № 2. С. 23 - 25.

73. Пат. 4721842 США, МКИ В 23 К 15/00, НКИ 219/121 EU. Beam position correction device / Farrell William J. Опубл. 26.01.88 // РЖСварка. 1988. № 12. С. 54.

74. Ferrario J., Haynie T., Lawrence G. A new generation, direct viewing system for electron beam welders // 4 eme Colloq. Int. soudage et fusion faisceau tlectrons et laser. Cannes, 26-30 sept., 1988. Vol. 2. Saclay, 1988. P. 759 -766.

75. А.с. 1337218 СССР, МКИ В 23 К 15/00. Система автоматического управления процессом электронно-лучевой сварки / Ю.И. Пастушенко, Ю.М. Коротун. Опубл. 15.09.87. Б.И. № 34.

76. Ластовиря В.Н., Виноградов В.А., Дмитриев Б.М. Система автоматического направления пучка электронов по стыку // Автоматическая сварка. 1983. № 7. С. 39 - 41.

77. Sun Naiwen, Ding Peifan. A new seam tracking system with differential feedback of the reflected electrons during the EB welding // 4 eme Colloq. Int. soudage et fusion faisceau tlectrons et laser. Cannes, 26-30 sept., 1988. Vol. 2. Saclay, 1988. P. 775 - 781.

78. Microprocessor-controlled seam tracking system for electron beam welding / F. Eichhor, D. Spries, R. Depner, H. Ritz // 3 eme Colloq. Int. soudage et fusion faisceau tlectrons et laser. Lion, 5-9 sept., 1983. Vol. 2. Saclay, 1983. P. 585 - 593.

79. А.с. 1321271 СССР, МКИG 05 D 3/12. Устройство для слежения за стыком свариваемых изделий / В.Г. Лазарев, Л.Е. Линецкий, М.Л. Лифшиц, Ю.М. Плешков. Опубл. 07.08.88. Б.И. № 29.

80. Заявка 59-223185 Япония, МКИ В 23 К 15/00. Устройство для автоматического наведения электронного луча при сварке / Исими Тайдзо, Ясунага Масаси. Опубл. 14.12.84 // РЖ Сварка. 1986. № 2. С. 63.

81. Куцан Ю.Г. Формирование вторично эмиссионных сигналов на стыкуемых кромках в системе управления положением электронного пучка при сварке материалов // Тр. Моск. энерг. ин-та. 1989. Вып. 207. С. 28 - 8.

82. Куцан Ю.Г. Реализация адаптивных алгоритмов совмещения в системах управления электронно-лучевыми установками // Электронно-лучевая сварка: Материалы Всесоюзной конференции по электронно-лучевой сварке. М.: МДНТП, 1986. С. 148 - 152.

83. Вакуумный справочник ИТЭР. Приложение 1. Контроль и сертификация (аттестация) сварных соединений.

84. Вакуумный справочник ИТЭР. Дополнение 13. Справочник по очистке вакуумных компонентов и обеспечению чистоты поверхности компонентов для проекта ИТЭР.

85. Диаграммы состояния двойных металлических систем. Справочник. В 3-х т./ Под общ. ред. Н.П. Лякишева. М.: Машиностроение. Т. 1, 1996. 922 с; Т. 2, 1997. 1024 с.

86. Lou M.Y., Grant N.J. // Met. Trans. 1984. V. 15A № 7. P. 1491-1493.

87. Рябов В.Р., Рабкин Д.М., Курочко Р.С., Стрижевская Л.Г. Сварка разнородных металлов и сплавов. - М, Машиностроение, 1984, 239 с.

88. Осинцев О.Е., Федоров В.Н. Медь и медные сплавы. Отечественные и зарубежные марки: Справочник. М.: Машиностроение, 2004. 336с., ил.

89. Щербаков А.В., Гончаров А.Л., Слива А.П., Рыжкин Р.А. Особенности применения методов математического моделирования для определения технологических параметров электронно-лучевой сварки.//Сварочное производство. 2011. № 3. С. 15-20.

90. Назаренко О.К., Кайдалов А.А., Ковбасенко С.Н. и др.; Под ред. Б.Е. Патона. - Киев; Наук. Думка, 1987. -256 с.

91. Зуев И.В. Обработка материалов концентрированными потоками энергии. -.: Изадельство МЭИ, 1998. -162 с.

92. Теория сварочных процессов: учебник для вузов по специальности. «Оборудование и технология сварочного производства»/ Волченко В.Н.,

Ямпольский В.М., Винокуров В.А. и др.; Под ред. Фролова В.В. - М.: Высшая школа, 1988. 559 с.: ил.

93. Лебедев Ю.М., Кравченко Л.П., Данилюк Н.М. Методика моделирования сварочных термодеформационных циклов // Автоматическая сварка. - 1978. №12. - С. 31-33.

94. Лесков Г.И., Кирпач И.П. Поперечная усадка и угловые перемещения при электронно-лучевой сварке стали 20Х12ВНМФ // Автоматическая сварка. 1988. № 10. С. 16 - 19.

95. Винокуров В.А., Григорьянц А.Г. Теория сварочных деформаций и напряжений. М.: Машиностроение, 1984. 280 с.

96. Ольшанский Н.А., Винокуров В.А., Де Ш.К. Поперечная усадка при электронно-лучевой сварке // Сварочное производство. 1976. № 12. С. 1 - 3.

97. Назаренко О.К. Электронно-лучевая сварка. Под ред. Патона Е.О. -Киев: Наукова Думка, 1975.

98. Вакуумный справочник ИТЭР. Дополнение 4. Принятые к использованию жидкости.

99. Сварка в машиностроении: Справочник. В 4-х томах / Редкол.: Г.А. Николаев и др. - М.: Машиностроение, 1979 - Т.4/ Под ред. Ю.Н. Зорина. 1979.