 |
Описание конструктивного элемента
|
|
|
|
Аннотация
В курсовом проекте проведен анализ заданных условий эксплуатации и изготовления корпуса разрядной камеры ТЯР на основании чего к материалу предъявлены особые требования. Разработан сплав на никелевой основе следующего состава:
Ni – 43,4 %; Fe – 30,9 %; Cr – 16,6 %; Mo – 4 %; Ti – 3,5 %; Al – 1 %; Zr – 0,4%; B – 0,01-0,03 %; V – 0,1 %; С – 0,08%.
Показана работоспособность разработанного сплава в заданных условиях. Предложены меры по стабилизации его структурно-фазового состояния в условиях рабочих характеристик. А также предложена технология изготовления и контроля качества корпуса разрядной камеры термоядерного реактора.
СОДЕРЖАНИЕ
| Аннотация | |
| Содержание | |
| Введение | |
| 1. Исходные данные к проекту | |
| 1.1. Описание конструктивного элемента | |
| 1.2. Описание конструктивного элемента | |
| 1.3. Характеристика основы | |
| 1.4. Характеристика теплоносителя | |
| 2. Анализ исходных данных и характеристика требуемого материала | |
| 2.1. Анализ влияния температуры на характеристики основы сплава | |
| 2.2. Анализ влияния радиационного воздействия на характеристики основы сплава | |
| 2.2.1. Радиационное упрочнение | |
| 2.2.2. Радиационное распухание никеля | |
| 2.2.3. Радиационная ползучесть | |
| 2.2.4. Радиационный рост | |
| 2.2.5. Высокотемпературное радиационное охрупчивание (ВТРО) | |
| 2.3. Анализ взаимодействия основы со средой | |
| 2.3.1. Взаимодействие с водородом | |
| 2.3.2. Взаимодействие с натрием | |
| 2.4. Анализ воздействия циклической нагрузки | |
| 2.5. Характеристика требуемого материала | |
| 3. Требования к свойствам разрабатываемого материала | |
| 4. Исследование возможности управления состоянием фаз в сплаве | |
| 4.1. Фазы возникающие в системе Ni-Al | |
| 4.2. Фазы возникающие в сплавах Ni с добавлением Fe и Cr | |
| 4.3. Боридные и карбидные фазы | |
| 5. Выбор легирующего комплекса | |
| 5.1. Легирующие элементы (ЛЭ) и примеси в никелевых сплавах | |
| 6. Обеспечение стабильности структурно фазового состояния материала в эксплуатационных условиях | |
| 7. Технология изготовления корпуса разрядной камеры ТЯР | |
| 7.1. Чертеж конструктивного элемента | |
| 7.2. Описание производства | |
| 7.3. Технологическая схема производства разрядной камеры ТЯР | |
| Выводы | |
| Список используемо литературы |
|
|
|
ВВЕДЕНИЕ
В качестве важной задачи для атомной отрасли, на долгосрочную перспективу, президентом Российской Федерации поставлен выход на освоение технологий управляемого термоядерного синтеза как основы энергетики будущего.
В настоящее время во всем мире принимаются стратегические решения по развитию и освоению новых источников энергии. Необходимость разработки таких источников связана с ожидаемым дефицитом производства энергии и ограниченностью топливных ресурсов.
Одним из наиболее перспективных инновационных источников энергии является управляемый термоядерный синтез. Энергия синтеза выделяется при слиянии ядер тяжелых изотопов водорода. Топливом для термоядерного реактора служат вода и литий, запасы которых практически не ограничены. В земных условиях реализация УТС представляет сложную научно-технологическую задачу, связанную с получением температуры вещества более 108 градусов и термоизоляцией области синтеза от стенок реактора.
Термоядерный синтез - это долгосрочный проект, создание коммерческой установки ожидается к 2040-2050 году. Наиболее вероятный сценарий овладения термоядерной энергией предполагает реализацию трех этапов:
· - освоение режимов длительного горения термоядерной реакции;
|
|
|
· демонстрация производства электроэнергии;
· создание промышленных термоядерных станций.
При этом важное внимание уделяется разработке новых материалов требуемых для реализации проекта создания ТЯР. Корпус разрядной камеры является основным узлом, обеспечивающим надежность его работы и целостность конструкции, поэтому актуальной задачей является выбор материала корпуса. Сложность этой задачи заключается в том, что материал корпуса разрядной камеры в рабочих условиях испытывает сложное механическое и радиационное воздействие и должен обеспечить герметичность камеры и коррозионную стойкость в теплоносителе.
Целью данного курсового проекта является выбор материала для корпуса разрядной камеры ТЯР на основе сплава Ni.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ К ПРОНЕТУ
Индивидуальное задание
Таблица 1.1 – Исходные данные
| № | Основа | Характеристика | Назначение | Условия работы материала | |||||
| Время | T, ◦C | sр, МПа | Среда | Нейтроны, 1019 н/(м2с) | |||||
| Быстрые | Тепловые | ||||||||
| 13. 1. 3. | Ni | Сплав | Корпус разрядной камеры ТЯР | 60 лет | H2, Na | wб=1,0 | wт=1,2 |
Целевое задание: исследование возможности управления состоянием фаз в сплаве.
Описание конструктивного элемента
Рисунок 1.1 – Разрядная камера ТЯР в собранном виде и ее отдельный модуль [1]
Разрядная камера ТЯР представляет собой тор, состоящий из отдельных секций, внутри которого помощью магнитных полей удерживается D-T плазма (рисунок 1.1). Камера герметична, так как внутри нее необходимо создание высокого вакуума (до 10-8 Па) и сохранение чистоты плазмы. Для ввода топлива, откачки газов и контроля других, необходимых для работы реактора процессов в разрядной камере имеется множество различных портов. Корпус охлаждается теплоносителем, которым является жидкий натрий. Вследствие повышенной эрозии материала стенки камеры следует предусмотреть регулярную замену ее модулей.
Основные требования к разрядной камере:
· высокая радиационная стойкость
· обеспечение высокого вакуума внутри камеры
· достаточная механическая прочности
· коррозионная и эрозионная стойкость
· использование минимального количества конструкционного материала
|
|
|
· магнитная проницаемость при больших значениях магнитного поля
· жаропрочность при эксплуатационных температурах
· создание барьера, препятствующего распространению радиоактивных веществ
Стенки разрядной камеры подвергаются сложному радиационному, тепловому и механическому воздействию (рисунок 1.1). Для стабильной долговременной работы в условиях интенсивного потока нейтронов и ионов при высоких температурах допустимо применение сплава на основе никеля.
Характеристика основы
Никель (Ni) – элемент восьмой группы, четвертого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 28. Никель - переходный металл серебристо-белого цвета, при обычных температурах на воздухе покрывается тонкой пленкой оксида. Химически малоактивен. Электронная конфигурация никеля – [Ar] 3 d 84 s 2. Является ферромагнетиком с точкой Кюри 358 °C. Ni имеет высокий предел прочности на растяжение и сохраняет его до очень высоких температур. Хорошо поддается механической обработке и может соединяться сваркой, пайкой различными припоями. Никель устойчив на воздухе и в воде, в некоторых кислотах, так как на его поверхности образуется устойчивая защитная пленка. Он используется как основной металл для легирования с целью получения сплавов с аустенитной структурой и прочностью при высоких температурах.
Основные свойства никеля указаны в таблице 1.2.
Таблица 1.2 – Свойства никеля [2]
| Тип решетки | ГЦК |
Параметр решетки  , нм
| 0,352 |
Порядковый номер 
| |
Атомный радиус  , нм
| 0,124 |
Атомный объем  , 10-6м3/моль
| 6,593 |
| Атомная масса, а.е.м. | 58,693 |
Потенциал ионизации  , эВ
| 7,63 |
Сечение захвата тепловых нейтронов  , 10-28м2
| 4,660,2 |
Плотность  , 103кг/м3
| 8,902 |
Температура плавления  , K
| |
Температура кипения  , K
| |
Удельная теплота плавления  , 103Дж/кг
| 302,7 |
Удельная теплота испарения  , 103Дж/кг
| 6376,5 |
| Теплопроводность l, Вт/(м·К) | |
Теплоемкость  , 103Дж/(кг·К)
| 0,46 |
Термическое расширение  t, 10-6К-1
| 13,0 – 13,3 |
| Давление пара при , Па
| 4,44·10-2 |
Удельное электросопортивление  , 10-8Ом·м
| 6,2 – 7,5 |
| Предел прочности при растяжении sв, МПа | 280 – 560 |
| Предел текучести при растяжении s0,2, МПа | 80 – 240 |
| Относительно удлинение d, % | 30 – 40 |
| Модуль нормальной упругости Е, ГПа | 196 – 220 |
| Модуль сдвига G, ГПа | |
| Коэффициент Пуассона n | 0,32 |
| Твердость по Бринеллю НВ, МПа | 665 – 765 |
|
|
|
На рисунках 1.2 и 1.3 представлены экспериментальные зависимости некоторых характеристик никеля от температуры.
Рисунок 1.2 – Зависимость модуля Юнга никеля от температуры [3]
Рисунок 1.3 – Зависимость коэффициента линейного расширения никеля от температуры и сплошная кривая Грюнайзена [4]
Как видно на рисунках 1.2 и 1.3 скачек модуля Юнга и наличие максимума на зависимости коэффициента линейного расширения от температуры обусловлены ферромагнитным переходом Ni (точка Кюри 358 °C). Так же при температурах больше температуры Кюри можно наблюдать спад предела прочности (рисунок 1.4).
Рисунок 1.4 – Температурные зависимости предела прочности на растяжение, предела текучести и относительного удлинения [5]
|
|
|
