ITER屏蔽包层结合质量超声检测方案研究

国际热核聚变实验反应堆(Internation2 alThermonuclear Experimental Reactor,简称ITER)是一个大型的国际合作项目,其目的是用氢的同位素氘和氚来实现核聚变,提供新能源[1]。中国将承担ITER项目最关键的部位屏蔽包层(即第一壁)模块的研究。第一壁(FW)将承受高温、强中子辐射,起屏蔽中子和冷却作用。第一壁由铍(Be)、铜(Cu)、不锈钢(SS)热等静压(HIP)和电子束焊接(EBW)而成,为了保证反应堆的安全运转,必须对FW进行无损检测和评价[2)。

在国内,FW的设计、加工工艺、热负荷分析、应力分析等方面都有有关单位在负责研究,唯独在无损检测方面还是空白。为此,我们针对FW的无损检测评价问题,参考国内外的有关资料[3],并根据FW的组成材料、结构特点、检测要求和超声波在其内部的传播特性,指出FW结合质量检测可以采用宽频超声检测技术。

1　ITER第一壁的构成

ITER第一壁的示意图如图1所示。最内层是铍瓦,厚度为10mm,它将直接面对高温等离子体,承受高温、强中子辐射;其后为穿插不锈钢冷却管的铜合金,厚度为22mm,其中不锈钢冷却管的外径为12mm,厚度为1mm,起冷却作用;最外层为钻有一定孔的不锈钢基体板,厚度为49mm,起支撑作用;和最外层相连的管状物是支撑梁,起支撑和进、排水作用[2)。

2　第一壁无损检测的要求

FW加工工艺相当复杂,层与层间不仅要求无结合缺陷,且要求有一定的结合强度,必须对其进行无损检测和评价,其检测所要求的基本步骤为:

第1步:将铜合金、不锈钢冷却管采用热等静压焊接在一起,然后进行结合质量无损探伤;

第2步:将不锈钢管密封帽、支撑梁、不锈钢基体板电子束焊接在一起,再进行焊接质量无损探伤;

第3步:将上述两个部件和铍瓦热等静压焊接在一起,进行最后一次结合质量无损探伤。FW工艺过程中的质量监测点如图2所示,其中黑圈表示需要进行无损检测的监测点,白圈表示其他的监测点(如形位公差等)。

3　FW的超声检测方案研究

3.1　异种材料结合质量超声检测理论分析

下面以Be2Cu界面的结合质量超声检测理论分析为例,阐述FW结合质量超声检测的可行性。

在Be和Cu结合质量的超声检测中,当界面结合良好时,可近似为Be2Cu界面,当未结合时,可近似为Be2空气界面。

根据超声波的反射、透射原理,当一束宽频超声脉冲法向入射到两种介质界面时,反射波和透射波的幅度和相位将随着界面两边介质的声阻抗数值发生变化,其声波幅度的反射系数(r12)和透射系数(t12)由下式确定:

r12= (z2-z1)/(z2+z1) (1)

t12=2z2/(z2+z1) (2)

式中,z1和z2分别表示界面两侧介质的声阻抗,r12>0表示反射波的相位和入射波的相位相同,反之则相反;t12>0表示透射波的相位和入射波的位相相同,反之则相反[3]。Be、Cu、水、空气的声阻抗分别为2.35、4.16、0.149、0.004(×10-5g/cm2·s)。由式(1、2)可计算出水2Be、Be2空气、Be2Cu界面的反射系数和透射系数值,见表1。