Исследование физико-механических свойств прототипа конструкционного элемента для термоядерного реактора DEMO

В работе исследованы физико-механические свойства заготовки из бериллида хрома, рассматриваемой в качестве концепции блока бланкета размножителя нейтронов для термоядерного реактора DEMO. Проведен анализ результатов, по текущим итогам работы продемонстрирована возможность применения данного интерметаллида в качестве конструкционного элемента.

Введение ………………………………………………………………………………………………….. 13
Актуальность …………………………………………………………………………………………… 14
1. Бериллид хрома CrBe12 …………………………………………………………………………. 15
1.1 Химические и физические свойства бериллия …………………………………. 15
1.2 Применение бериллия……………………………………………………………………… 16
1.3 Химические и физические свойства хрома ………………………………………. 18
1.4 Интерметаллиды бериллия………………………………………………………………. 19
1.5 Бериллид хрома ………………………………………………………………………………. 21
2. ИТЭР ……………………………………………………………………………………………………. 22
2.1 Общая информация …………………………………………………………………………. 22
2.2 Цели ……………………………………………………………………………………………….. 24
2.3 Техническое исполнение …………………………………………………………………. 25
2.3.1 Вакуумная камера …………………………………………………………………….. 25
2.3.2 Бланкет размножителя ………………………………………………………………. 26
2.3.3 Магнитная система……………………………………………………………………. 28
2.3.4 Дополнительный нагрев ……………………………………………………………. 28
2.3.5 Криостат …………………………………………………………………………………… 29
2.3.6 Дивертор…………………………………………………………………………………… 30
2.3.7 Охлаждающие системы …………………………………………………………….. 30
3. DEMO ………………………………………………………………………………………………….. 31
3.1 Общая информация …………………………………………………………………………. 31
3.2 Подход к проектированию ………………………………………………………………. 32
3.2.1 Обзор основных проблем интеграции технологий и конфигураций
…………………………………………………………………………………………………………. 32
3.3 Основные достижения …………………………………………………………………….. 33
3.3.1 Бланкет размножителя ………………………………………………………………. 33
3.3.2 Дивертор…………………………………………………………………………………… 34
3.3.3 Заправка тритием и вакуум (WPTFV) ………………………………………… 34
4. Применение интерметаллидов бериллия в термоядерной энергетике …….. 36
4.1 Концепт штифта бланкета размножителя охлаждаемого гелием (HCPB)
…………………………………………………………………………………………………………….. 36
4.2 Опыт получения бериллида титана на АО «УМЗ» ……………………………. 38
5. Практичесая часть ………………………………………………………………………………… 41
5.1 Получение заготовки. Определение плотности и микротвердости ……. 41
5.2 Микроструктура ……………………………………………………………………………… 43
5.3 Определение коэффициента термического линейного расширения
(КТЛР) …………………………………………………………………………………………………. 44
5.3 Определение коррозионной стойкости …………………………………………….. 45
5.4 Определение предела прочности на сжатие и на изгиб …………………….. 50
6 Социальная ответственность …………………………………………………………………. 53
6.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов …………………. 54
6.2 Обоснование и разработка мероприятий по снижению уровней
опасного и вредного воздействия и устранению их влияния при работе на
ПЭВМ ………………………………………………………………………………………………….. 55
6.2.1 Организационные мероприятия…………………………………………………. 55
6.2.2 Технические мероприятия …………………………………………………………. 55
6.3 Условия безопасной работы…………………………………………………………….. 58
6.4 Электробезопасность ………………………………………………………………………. 60
6.5 Пожарная и взрывная безопасность …………………………………………………. 61
6.6 Техника безопасности при работах с бериллием и его соединениями63
6.6.1 Санитарно-гигиенические требования к технологическим
процессам и оборудованию ……………………………………………………………….. 64
6.6.2 Требования к вентиляции ………………………………………………………….. 65
6.6.3 Меры личной гигиены и средства индивидуальной защиты ………. 66
7. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение .. 68
7.1 Потенциальные потребители результатов исследования ………………. 69
7.2 Анализ конкурентных технических решений ……………………………….. 70
7.3 SWOT-анализ ………………………………………………………………………………. 72
7.4 Оценка готовности проекта к коммерциализации …………………………. 73
7.5 Методы коммерциализации результатов научно-технического
исследования …………………………………………………………………………………….. 76
7.6 Инициация проекта ……………………………………………………………………… 77
7.7 Планирование управления научно-исследовательского проекта …… 79
7.8 Бюджет научного исследования …………………………………………………… 82
7.9 Определение ресурсной, финансовой, бюджетной, социальной и
экономической эффективности исследования ……………………………………. 86
Заключение ……………………………………………………………………………………………… 90
Список публикаций ………………………………………………………………………………….. 92
Список использованных источников ………………………………………………………… 97
Приложение А ……………………………………………………………………………………….. 102

Проведен литературный обзор применения интерметаллидов бериллия
и конструкционного исполнения термоядерных реакторов ITER и DEMO.
Подготовлены к работе образцы и испытательное оборудование.
Проведены экспериментальные исследования физико-механических свойств
образцов бериллида хрома. Для образцов определены основные физико-
механические свойства, представленные в таблице 5.6.
Таблица 5.6 – Физико-механические свойства образцов бериллида хрома
Параметр Значение
Фазовый состав CrBe12
Плотность, г/см3 2,42
Микротвердость, HV 1108
Средний условный размер зерна, мкм 17,11
КТЛР, К-1 (200-1000 °С) 1,17∙10-5
Предел прочности на сжатие, МПа 229,327
Предел прочности на изгиб, МПа 111,765

Полученные значение согласуются с теоретическими. При этом,
значение КТЛР превосходит данное значение для чистого бериллия (1,51∙10-5
К-1) и для различных стальных и алюминиевых сплавов (1,5∙10-5 – 2,1∙10-5 К-1).
Исходя из полученных данных, можно сделать вывод о возможности
использования данного интерметаллида в экстремальных условиях, которые
будут обусловлены режимами работы термоядерного реактора DEMO.
Для дальнейших исследований и рассмотрения вопроса применения
бериллида хрома в качестве блока бланкета размножителя в термоядерном
реакторе, необходим статистический набор результатов испытаний, а также
другие испытания, в частности испытание на распухание при нейтронном
облучение. Данный параметр является одним из ключевых, поскольку
чистый бериллий непригоден для длительного использования в качестве
блока бланкета размножителя по причине сильного распухания и ухудшении
ядерных и механических свойств.
Список публикаций

1. Ушаков И.А., Вавилов А.В., Головков Н.И. Разделение катионов
магния и стронция под действием внешнего периодического электрического
поля. Изотопы: технологии, материалы и применение: сборник тезисов
докладов 4 Международной научной конференции молодых ученых,
аспирантов и студентов. Томск, 30 октября – 3 Ноября 2017. – Томск:
Графика, 2017 – С.76.
2. Головков Н.И., Ушаков И.А., Тимченко С.Н. Изучение
возможности разделения изомеров органических кислот в внешнем
периодическом электрическом поле. Изотопы: технологии, материалы и
применение: сборник тезисов докладов 4 Международной научной
конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. Томск, 30 октября –
3 Ноября 2017. – Томск: Графика, 2017 – С.77.
3. Головков Н.И, Алюков Е.С. Моделирование процесса
плазмохимического синтеза оксидных композиций «Pu02-UO2-Be2».
Изотопы: технологии, материалы и применение: сборник тезисов докладов 5
Международной научной конференции молодых ученых, аспирантов и
студентов. Томск, 19 – 23 Ноября 2018. – Томск: Графика, 2018 – С.64.
4. Головков Н.И, Алюков Е.С. Исследование порошков оксидов
редких и рассеянных элементов, синтезированных в условиях воздушной
плазмы высокочастотного факельного разряда. Изотопы: технологии,
материалы и применение: сборник тезисов докладов 5 Международной
научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. Томск, 19 –
23 Ноября 2018. – Томск: Графика, 2018 – С.54.
5. Butov, V., Timchenko, S., Ushakov, I., Golovkov, N., Poberezhnikov,
A.
Hydralulic and separation characteristics of an industrial gas centrifuge
calculated with neural networks / AIP Conference Proceedings. – 2018. – Vol.
1938, Article number 020019. – p. 1-5.
6. Головков Н.И. Новоселов И.Ю. Синтез оксида иттрия в
высокочастотной плазме факельного разряда. Химия и химическая
технология в XXI веке. Материалы ХХ Международной научно-
практической конференции имени профессора П.П. Кулева студентов и
молодых ученых. Томск. 20-23 мая 2019. Томск: ТПУ, 2019 – С.414-415.
7. Головков Н.И., Тихонов А.Е., Новоселов И.Ю. Исследование
порошка оксида иттрия, синтезированного в плазме из азотнокислого
раствора с добавлением органического компонента. VIII Молодежная
конференция ИОХ РАН: сборник тезисов докладов, Москва, 22-23 Мая 2019.
– Москва: МАКС Пресс, 2019 – С.183.
8. Hongda Li, Sergey Sosnovskiy, Mishik Kazaryan, Victor Sachkov,
Almas Abdiyanov, Nikita Golovkov Separation of chemical elements with the
electrochemical processes on asymmetric current / AIP Conference Proceedings. –
2019. – Vol. 2101, Article number 020014. – p. 1-6.
9. Karengin, A., Karengin, A., Novoselov, I., Golovkov, N., 18 Apr
2019, V International Conference for Young Scientists, Post-Graduate Students
and Students Isotopes: Technologies, Materials and Application, ITMA 2018.
Martoyan, G. A., Godymchuk, A. & Rieznichenko, L. (eds.). American Institute of
Physics Inc., 020016. (AIP Conference Proceedings; vol. 2101).
10. Головков Н.И. Тихонов А.Е. Новоселов И.Ю. Утилизация и
иммобилизация отходов переработки отработавшего ядерного топлива в
матрице из хлоридов металлов в условиях высокочастотной плазмы. VIII-я
международная молодежная научная школа-конференция «Современные
проблемы физики и технологий», сборник тезисов докладов, Москва, 15-20
апреля 2019 г. – Москва, Национальный исследовательский ядерный
университет «МИФИ», 2019 – С. 111-112.
11. Шаманин И.В. Казарян М.А. Тимченко С.Н. Бутов В.Г. Ушаков
И.А. Головков Н.И. Теоретическое обоснование эффекта индуцированного
дрейфа ионов под действием внешнего периодического электрического поля.
Тезисы докладов международной конференции «Экстракция и мембранные
методы в разделении веществ», посвященная 90-летию со дня рождения
академика Б.А. Пурина. Москва, 03 декабря 2018 г. – Москва, Российский
химико-технологический университет им. Д.И.Менделеева. 2018. – С.117-
118.
12. Головков Н.И. Новоселов Н.Ю. Получение наноструктурного
Y2O3 в высокочастотной плазме из отработавшего ядерного топлива.
Физико-технические проблемы в науке, промышленности и медицине
(ФТПНПМ-2019). Сборник научных трудов Международной научно-
практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, г.
Томск, 30 сентября – 04 октября 2019 г. – Томск. Изд-во ТПУ, 2019. – С.118.
13. Головков Н.И. Новоселов И.Ю. Плазменная переработка горючих
отходов замкнутого ядерного топливного цикла. Сборник материалов
научно-практической конференции «Ядерные технологии: от исследования к
внедрению – 2019», Нижний Новгород, 17-18 октября 2019 г., Нижний
Новгород: Изд-во Нижегородский государственный технический
университет им. Р.Е. Алексеева, 2019. – С.109-110.
14. Головков Н.И. Тихонов А.Е. Новоселов И.Ю. Исследование
возможности иммобилизации отходов переработки отработавшего ядерного
топлива в матрице из хлоридов металлов в условиях высокочастотной
плазмы. Сборник трудов конференции «Актуальные проблемы
инновационного развития ядерных технологий», Северск, 08-12 апреля
2019г. Москва: Изд-во Национальный исследовательский ядерный
университет «МИФИ», 2019. – С.22.
15. Головков Н.И., Сосновский С.А. очистка техногенных растворов
в условиях высокотемпературного распылительного реактора. Изотопы:
технологии, материалы и применение: сборник тезисов докладов VI
Международной научной конференции молодых ученых, аспирантов и
студентов. Томск, 26–29 октября 2020 г. – Томск : Томский политехнический
университет, 2020. – С. 86.
16. Головков Н.И., Сосновский С.А., Кудабаев Б.Б. Исследование
процесса очистки руд при воздействии высоковольтного импульсного
разряда. Изотопы: технологии, материалы и применение: сборник тезисов
докладов VI Международной научной конференции молодых ученых,
аспирантов и студентов. Томск, 26–29 октября 2020 г. Томск : Томский
политехнический университет, 2020. – С. 87.
17. Головков Н.И., Сосновский С.А., Сачков В.И.
Электроэкстракционно-плазменная технология очистки и переработки руд,
содержащих редкоземельные элементы. Изотопы: технологии, материалы и
применение: сборник тезисов докладов VI Международной научной
конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. Томск, 26–29
октября 2020 г. Томск : Томский политехнический университет, 2020. – С. 88.

18. Sosnovskiy, A. Lukanin, A. Tskhe, A. Tskhe, V. Sachkov and N.
Golovkov, “Creation of Non-stationary Volume Discharge Inside Cylindrical
Microwave Resonator,” 2020 7th International Congress on Energy Fluxes and
Radiation Effects (EFRE), Tomsk, Russia, 2020, pp. 83-86, doi:
10.1109/EFRE47760.2020.9242046.

19. С.А. Сосновский, А.А. Цхе, А.А. Цхе, А.А. Луканин, В.И. Сачков, Н.И.
Головков. Удаление органических соединений из водных сред в условиях воздействия
активных радикалов, созданных в плазме атмосферного СВЧ-разряда. Сборник тезисов
докладов XI Международной конференции «Химия нефти и газа», посвященной 50-летию
ИХН СО РАН. Томск, 28 сентября – 2 октября 2020 г..

20. Н.И. Головков, С.В. Ударцев, М.А. Подойников, М.К.
Кылышканов. Опыт получения бериллидов хрома и титана на АО «УМЗ».
Сборник тезисов докладов I Международной научной школы-конференции
«Атом. Наука. Технологии». Алматы, 14-16 апреля 2021г, с. 16.
21. Тихонов А.Е., Головков Н.И., Беспала Ю.Р., Новоселов И.Ю.
Плазменная утилизация горючих отходов переработки отработавшего
ядерного топлива замкнутого ядерного топливного цикла. Сборник тезисов
докладов I Международной научной школы-конференции «Атом. Наука.
Технологии». Алматы, 14-16 апреля 2021г., с. 70.