Оценка механических свойств перспективного паяного соединения вольфрам/сталь применительно к термоядерному реактору DEMO

Актуальность

Актуальной проблемой при разработке термоядерного реактора DEMO является получение неразъёмного соединения вольфрама со сталью. В данном проекте впервые изучены свойства перспективного паяного соединения W/TiZr4Be/Ta/TiZr4Be/Rusfer.

Цель

Оценить способность паяного соединения W/Ta/сталь Rusfer сопротивляться имитационным нагрузкам термоядерного реактора DEMO.

Задачи

1. Получить образцы паяных соединений W/Ta/Rusfer для механических испытаний.
2. Измерить предел прочности паяных соединений на срез.
3. Провести оценку напряжённо-деформированного состояния (НДС) паяного соединения методом конечно-элементного анализа.
4. Спроектировать макет для имитационных испытаний и провести оценку НДС паяного соединения в макете.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Установка INSTRON5569
• Лабораторные инструменты
• Ультразвуковая ванночка
• Шахтная вакуумная печь

Описание

В качестве основных (паяемых) материалов в работе использовали: сталь Rusfer–ЭК–181 (Fe–12Cr–2W–V–Ta–B–С, мас.%) и вольфрам 99,96% чистоты. В качестве проставки использовали чистый тантал. Поверхность образцов перед пайкой шлифовали на шкурках абразивностью до Р600, после чего образцы промывали в ультразвуковой ванночке в течение 5 минут и обезжиривали ацетоном и спиртом. Для пайки использовали быстрозакалённый аморфный ленточный припой 48Ti–48Zr–4Be мас.% толщиной 0,07 мм.

Пайку проводили в шахтной вакуумной печи сопротивления СШВЛ при вакууме не ниже 10^-5 мм рт. ст.

Процесс пайки осуществляли в специальной стальной оснастке, для сохранения соосности компонентов образцы затягивали болтами.

Механические свойства измеряли методом испытания на срез. Испытания проводили на установке INSTRON5569 при скорости перемещения траверсы 1 мм/мин. Для испытаний на срез использовали образцы: Rusfer длиной 15 мм квадратного сечения со стороной 5 мм, вольфрам толщиной 4 мм в форме квадрата со стороной 5 мм, тантал толщиной 0,2 мм в форме квадрата со стороной 5 мм.

В работе проводили расчёты методом конечных элементов напряжённо-деформированного состояния соединения и макета при помощи ПО Ansys Workbench 17.1.

Рассмотрено две геометрии канала охлаждения макета: круглое и квадратное сечения. Краевые условия: тепловой поток на верхнюю поверхность вольфрама 2 Вт/мм^2; температура поверхностей стали, омываемых водой в проходном сечении, поддерживается постоянной и равна 50 °С; давление воды на поверхности стали 2МПа.

Результаты работы/выводы

Прочность паяного соединения составила 127±20 МПа, что сопоставимо с существующими аналогами.

На основании моделирования показано, что канал охлаждения макета должен иметь квадратное сечение.

Сопоставив результаты компьютерного моделирования нагрузок соединения в условиях реактора с проведёнными механическими испытаниями, установили, что соединение W/Ta/Сталь Rusfer способно выдерживать имитационные нагрузки до 2 МВт/мм². Следовательно, соединение может быть использовано в будущем реакторе/макетах реактора.

Перспективы использования результатов работы

Результаты проекта будут использованы для дальнейших исследований и испытаний в области создания соединений для термоядерного реактора DEMO.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

ИЯФиТ НИЯУ МИФИ

Награды/достижения

Конференция «Наука для жизни» – победитель;
Конкурс инженерно-физических работ – финалист

Мнение автора

«В процессе проекта были изучены современные научные подходы и методы, получены навыки работы с материалами, а также с инструментами моделирования. Я рад, что внёс свой вклад в развитие современной науки»