Постановка и решение задач механики при создании электромагнитной системы токамака

Метод, основанный на расчете роста усталостной трещины, в Нормах применяется для оценки усталостной прочности основных конструкционных элементов, таких как корпуса КТП, межблочные конструкции и др., а также силовых кожухов сверхпроводящих кабелей. Это связано с технической сложностью и высокой стоимостью детальной дефектоскопии конструкционных элементов ЭМС ИТЭР, для которых характерны сложная пространственная геометрия, большие толщины и большая протяженность. Так, например, толщина стенок корпуса КТП достигает 200 мм, длина проводника КТП составляет 82, 2 км, КПП - 61, 4 км. В этом случае исходят из того, что конструкций, свободных от дефектов, вообще говоря, не существует. В качестве начального дефекта в Нормах принимается эллиптическая (внедренная) или полуэллиптическая (поверхностная) трещина, ориентированная наиболее опасным образом, т.е. лежащая в плоскости, перпендикулярной к направлению действия наибольших циклических растягивающих напряжений.

Для расчета роста усталостной трещины в Нормах рекомендуется использовать уравнение Пэриса:

где K_I - размах коэффициента интенсивности напряжений; С и m - константы материала; а - размер трещины; N - число циклов. В качестве предельного состояния принято прорастание трещины сквозь толщину элемента или достижение максимального значения коэффициента интенсивности напряжений предельно допускаемой величины.

В пятом разделе представлены рекомендации по учету среднего напряжения в цикле при расчете роста усталостной трещины. Даны практические соотношения, полученные на основе уравнения Уолкера, для конструкционных материалов ЭМС ИТЭР. Особенности оценки циклической прочности болтов ЭМС ИТЭР рассмотрены в шестом разделе. Болты затягиваются при комнатной температуре, а циклически нагружаются при 4 К. Благодаря низкотемпературному упрочнению материала болта циклические напряжения в резьбе не ограничиваются пределом текучести. Показано, что в этом случае метод среднего номинального напряжения, который широко используется для анализа циклической прочности элементов конструкций с концентраторами напряжений, работающих при комнатной и повышенных температурах, может дать неправильную, неконсервативную оценку. В разделе даны рекомендации по применению метода остаточных напряжений с учетом специфики циклического нагружения болтовых соединений ЭМС.

Критерии прочности для электрической изоляции (высоко- и низковольтной), а также для конструкционных силовых элементов из неметаллических материалов изложены в седьмом разделе. При назначении критериев механической прочности изоляции учитывается, как её конструкционная роль, так и диэлектрическая функция.

В восьмом разделе обсуждаются особенности оценки устойчивости элементов ЭМС токамака. В дополнение к классической потере устойчивости сжатых элементов в Нормах рассматривается возможность потери соосности системы катушек полоидального магнитного поля и центрального соленоида. Указывается на необходимость учета магнитных жесткостей при анализе устойчивости токонесущих элементов ЭМС. Задается требуемый минимальный коэффициент запаса устойчивости, равный 5. Этот коэффициент больше чем в обычных нормах, что объясняется особенностями условий работы ЭМС.

Таким образом, впервые были разработаны нормы расчета на прочность сверхпроводящей электромагнитной системы экспериментального термоядерного реактора. Нормы основаны на действующих нормативных документах, имеющемся опыте создания и эксплуатации криогенного оборудования и магнитных систем, а также на существующих экспериментальных данных. Нормы учитывают специфические характеристики и условия работы сверхпроводящей электромагнитной системы экспериментального токамака-реактора. Нормы использовались при проектировании и расчетах ЭМС ИТЭР. Опыт реальной эксплуатации установки ИТЭР внесет ценный вклад в дальнейшую разработку и усовершенствование норм и стандартов, необходимых для промышленного освоения термоядерной энергии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Поставлен и решен комплекс задач механики, возникающих при создании электромагнитных систем токамаков. Обобщены и систематизированно представлены результаты многолетнего исследования напряженно-деформированного состояния, оценки прочности и устойчивости ЭМС токамаков различных конструкций, включая макеты и модельные катушки. В выполненной работе анализируются и решаются основные проблемы механики электромагнитной системы токамака, начиная с подходов к определению напряженно-деформированного состояния и заканчивая разработкой специальных норм прочности. Разработанные математические модели, расчетные методики и полученные аналитические решения применимы для анализа напряженно-деформированного состояния, магнитоупругой устойчивости, термомеханического состояния и оценки прочности электромагнитных систем токамаков и других электрофизических установок.

Представленные в диссертации результаты имеют большое научное и прикладное значение для разработки и создания установок с магнитным удержанием плазмы типа токамак для исследований в области управляемого термоядерного синтеза.

Большое значение имеют результаты, относящиеся к созданию ЭМС проекта ИТЭР - первого экспериментального термоядерного реактора. Установка ИТЭР должна вступить в строй в ноябре 2019 г. В итоге выполненных исследований и проведенных расчетов была обоснована прочность ЭМС ИТЭР, что является основой для её будущей безопасной эксплуатации.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Алексеев А.Б., Малков А.А., Спирченко Ю.В. Механика магнитных систем токамаков // Сб. «Вопросы атомной науки и техники». Серия «Электрофизическая аппаратура». Вып. 5(31), 2010. С. 203-212.

Аlekseev А., Mitchell N., Gallix R. et al. Magnet Safety Assessment for ITER // Journal of Fusion Energy. Vol. 16, N 1-2, 1997. P. 25-35.

Alekseev A., Egorov K., Malkov A. and Panin A. Structural Analysis of the GLOBUS-M Tokamak Magnet System // Plasma Devices and Operations. Vol. 9, 2001. P. 57-81.

Alekseev A.B., Sorin V.M. Analysis of Magneto-mechanical Stability of ITER Magnet // Plasma Devices and Operations. Vol. 5, 1998. P. 335-344.

Аlekseev А., Arneman A., Belov A. et al. On the Calculation of Concentrated Loads at Finite-Element Mesh Nodes as Equivalents of a Given Spatial Distribution of Volume Force Density // Plasma Devices and Operations. Vol. 10 (4), 2002. P. 269-284.

Аlekseev А., Korotkov V., Gorkusha D. et al. Adiabatical Spherical Tokamak (TSP-AST) Magnets // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. Vol. 12, N 1, 2002. P. 579-581.

Аlekseev А., Sborchia C., Duglue D. et al. Design and Manufacture of the Poloidal Field Conductor Insert Coil // Fusion Engineering and Design. Vol. 66-68, 2003. P. 1081-1086.

Алексеев А.Б., Малаховский И.В., Малков А.А., Спирченко Ю.В. Центральный соленоид ИТЭР. Прочность опорных структур и системы предварительного поджатия // Сб. «Вопросы атомной науки и техники». Серия «Электрофизическая аппаратура». Вып. 4 (30), 2006. С. 11-20.

Alekseev A. Electromagnetic Loads and Magnetoelastic Stability of the In-vessel Poloidal Field Coils of the T15 Upgrade // Plasma Devices and Operations. Vol. 17 (3), 2009. P. 201-206.

Алексеев А.Б. Применение метода суперпозиции для анализа по критериям прочности допустимых комбинаций токов в магнитной системе ИТЭР // Сб. «Вопросы атомной науки и техники». Серия «Электрофизическая аппаратура». Вып. 5(31), 2010. С. 219-224.

Алексеев А.Б. Учёт влияния среднего напряжения на рост трещины при оценке циклической прочности магнитной системы ИТЭР // Сб. «Вопросы атомной науки и техники». Серия «Электрофизическая аппаратура». Вып. 5(31), 2010. С. 212-219.

Алексеев А.Б., Елисеев В.В. Электрические, тепловые и упругие поля в проводе при локальном скачке сопротивления // ПМТФ. N 6, 1989. С. 41-46.

Алексеев А.Б., Бондарчук Э. Н., Карнаух В.А., Малков А.A. Способ изготовления бескаркасного равнопрочного сверхпроводящего соленоида. // Патент РФ, № 2033650, 1995.

Alekseev A., Jong C., Mitchell N. Structural Design Criteria for ITER Magnet System // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции «Прочность материалов и конструкций при низких температурах», Украина, г. Киев, 25-27 мая 2010 г.. Киев: ИПП им. Г.С. Писаренко НАН Украины. 2010. С. 1-2.

Alekseev A., Маlkov A., Thome R.G. еt al. Experimental Reactor (ITER) Magnet System Design // Proceedings of 15th International Conference on Magnet Technology. Beijing, China, 1997. Part 1. P. 343-346.

Alekseev A., Barabaschi P., Malkov A. et al. Mechanical Structures for the ITER Magnet System // Proceedings of 19th SOFT. Lisbon, Portugal, 16-20 September 1996. Vol. 2. P. 1075-1078.

Alekseev A.B., Arneman A.F., Belyakov V.A. et al. GLOBUS-M Tokamak Magnets // Proceedings of 19th SOFT. Lisbon, Portugal, 16-20 September 1996. Vol. 1. P. 829-832.

Алексеев А.Б., Андрианов О.А., Рогов Е.А. Исследование напряженно-деформированного состояния блока обмотки тороидального токамака Т-10-C // Тезисы докладов Пятой Всесоюзной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов (г. Ленинград, 10-12 октября 1990 г.). М.: ЦНИИатоминформ, 1990. С. 85-86.

Алексеев А.Б., Арнеман А.Ф., Егоров К.Э. и др. Проблемы прочности сверхпроводящей магнитной системы термоядерного реактора ИТЭР // Тезисы докладов III научно-технического семинара “Актуальные проблемы прочности материалов и конструкций при низких и криогенных температурах”. СПб.: СПбГАХПТ, 1997. С. 31-35.

Алексеев А.Б., Елисеев В.В. Определение остаточных напряжений, вызванных намоткой сверхпроводящих катушек // Тезисы докладов Шестой Всесоюзной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов (г. С.-Петербург, 27-29 мая 1997 г.). М.: ЦНИИатоминформ, 1997. С.102.

Алексеев А.Б., Малков А.А., Корольков М.Д., Спирченко Ю.В. Циклическая прочность силовых конструкций магнитной системы ИТЭР // Тезисы докладов Шестой Всесоюзной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов (г. С.-Петербург, 27-29 мая 1997 г.). М.: ЦНИИатоминформ, 1997. С. 113.

Алексеев А.Б., Малков А.А. Способ изготовления бескаркасного равнопрочного сверхпроводящего соленоида // Тезисы докладов Шестой Всесоюзной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов (г. С.-Петербург, 27-29 мая 1997г.). М.: ЦНИИатоминформ, 1997. С. 114.

Аlekseev А., Arneman A., Huguet M. et al. Structural Assessment of the ITER Magnet System // Proceedings of 20th SOFT. Marseilles, France, 1998. Vol. 1. P. 899-902.

Алексеев А.Б. Термоупругость в электрических проводах при скачке сопротивления // Аннотированная программа IV Межреспубликанской конференции “Проблемы повышения прочности элементов машиностроительных конструкций” (г. Харьков, ХПИ, 1986). С. 20.

Алексеев А.Б., Елисеев В.В., Спирченко Ю.В. Термомеханические процессы при захолаживании катушки тороидального поля установки ИТЭР / ЛГТУ. СПб., 1992. 35 с. Деп. в ВИНИТИ 10.07.92, N 2265 - В 92.

Алексеев А.Б., Сорин В.М. Анализ магнитомеханической устойчивости ЭМС ИТЭР // Тезисы докладов Шестой Всесоюзной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов (г. С.-Петербург, 27-29 мая 1997 г.). М.: ЦНИИатоминформ, 1997. С. 103.

Алексеев А.Б., Арнеман А.Ф., Малков А.А. Исследование напряженно-деформированного состояния и оценка прочности тороидального магнита ИТЭР с помощью конечно-элементных глобальных моделей // Тезисы докладов Седьмой Международной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов (г. С.-Петербург, 28-31 октября 2002 г.). СПб.: ФГУП «НИИЭФА им. Д.В. Ефремова». С. 85-86.