RGN N° 1 Janvier-Février 2007 p. 57–59

Développements concernant la conception et les techniques de fabrication de l’enceinte à vide

Development of Design and Fabrication Technologies for the Vacuum Vessel

¹ ITER IT Team, Garching (Allemagne)
² AREVA NP, Lyon (France)

Résumé

L’enceinte à vide d’ITER est réalisée en acier inox SS 316L(N)-IG (ITER Grade, 0.06-008 % d’azote). Elle est de forme torique, composée d’une structure double-paroi avec le blindage et les circuits de refroidissement eau entre les enveloppes. Les modules de couverture sont supportés directement par l’enceinte via des supports flexibles. Les parois internes et externes sont constituées de plaques de 60 mm d’épaisseur et de raidisseurs en acier SS 304 contenant 2 ou 1 % de bore (SS 304B7 ou B4). Une configuration d’enceinte épousant la forme du plasma favorise sa stabilité verticale et l’utilisation d’acier ferromagnétique réduit les irrégularités du champ magnétique toroïdal. Une des caractéristiques de sûreté d’ITER est le refroidissement par convection naturelle de l’enceinte pendant les accidents de perte de puissance. Un système de surpression est aussi utilisé pour minimiser les pics de pression à l’intérieur de l’enceinte lors d’un accident de perte de réfrigérant (LOCA), en reprenant la pression causée par l’introduction de vapeur d’eau provenant des composants refroidis de l’enceinte, via des disques de rupture a l’intérieur d’un ballon de condensation. Les supports et fixations des modules de couverture sont usinés et soudés par faisceau d’électron sur la paroi interne de l’enceinte à vide de façon à minimiser les déformations. Les espaces entre l’enveloppe interne et externe sont séparés de façon à permettre des détections de fuite indépendantes, ce qui est plus pratique pour l’assemblage de l’enceinte. Les grandes lignes de la conception de l’enceinte et des composants internes sont restées inchangées depuis 2001, bien qu’il y ait eu plusieurs améliorations conduisant à une plus grande fiabilité et une meilleure maintenance. Les efforts ont aussi porté sur la préparation des documents décrivant les spécifications de ces composants clés en vue de la construction d’ITER. Pour ce composant jouant un rôle majeur dans la sûreté d’ITER, un supplément au code de conception français RCC-MR 2002 est en cours d’élaboration afin d’intégrer des règles de conception et de fabrication compatibles avec la structure de l’enceinte à vide d’ITER.

Une maquette échelle 1 d’un secteur d’enceinte a été fabriquée et testée sur la base de la conception initiale d’ITER, donc d’une dimension plus importante que la conception actuelle. Cette maquette a fourni des informations importantes sur les technologies de fabrication de ce composant, de même que sur l’amplitude des distorsions de soudage et des tolérances réalisables. Un des résultats les plus importants de ce programme de R&D a été la vérification des tolérances qui ont été prises en compte dans la conception. Des outils de soudage TIG automatiques guidés sur rails ont été utilisés pour réaliser la jonction de deux demi-secteurs. L’alignement de la paroi externe pour le soudage a été réalisé en ajustant localement la position des secteurs et en calant localement les parois avant soudage. L’alignement a été réalisé avec une précision inférieure à 0,8 mm. La paroi interne comprend 8 plaques de raccord. Comme le concept actuel de l’enceinte à vide d’ITER est le même que celui utilisé sur la maquette, cette R&D a aussi validé la faisabilité du concept double paroi. Cependant, pour complètement valider les méthodes de fabrication et les tolérances réalisables dans la conception actuelle, des parties de secteur ont été réalisées en 2006 en parallèle à un programme de simulation des distorsions de soudage. La majorité des soudures de la paroi interne seront réalisées en configuration bout à bout avec un accès à chaque face et seront inspectées par radiographie pour s’assurer un soudage à 100 %. Les soudures une-face entre la paroi externe et les raidisseurs, ne pouvant être inspectées par radiographie, le seront pas contrôle ultrason. Un programme de R&D est en cours pour développer ces méthodes d’inspection ultrasonique sur des éléments de 60 mm d’épaisseur. Concernant les inspections de surface des soudures, la possibilité d’utiliser les tests LPT (liquid penetrant dye test) pendant la phase initiale d’assemblage a été vérifiée. Il est proposé de sélectionner des liquides pénétrant avec un taux d’impureté très faible en soufre et halogène et de limiter les composants vaporisés à haute température. Une méthode d’inspection par caméra photothermique (PTC) a été développée comme alternative aux tests LPT. Cette méthode s’avère plus sensible et fiable pour la vérifiation des soudures acier TIG 60 mm faible écartement. Des développements de découpe par laser NdYAG en présence d’azote sur des plaques de 60 mm ont montré l’efficacité de cette méthode en atteignant des vitesses de 0,03 m/min.

Des tests thermohydrauliques ont été réalisés pour confirmer les paramètres de refroidissement en vue du “licensing”. Les résultats expérimentaux confirment les performances du refroidissement dont le coefficient de transfert thermique n’excédera pas 500 W/(m²K) dans les premiers canaux en tous points et orientations de l‘enceinte à vide. Pour d’autres essais, un modèle double canal a été développé et testé pour vérifier la distribution et la stabilité des écoulements dans les canaux parallèles. Les résultats pour les canaux verticaux ont montré que la friction hydraulique n’est pas dominante et que la vitesse de chauffage est l’effet dominant sur les distributions d’écoulement en particulier pour les écoulements à vélocité faible. Des tests complémentaires ont aussi été réalisés pour démontrer les capacités de refroidissement par convection naturelle en cas de situations accidentelles et pour acquérir des données expérimentales sur une maquette de 30 m. La dynamique de cette circulation naturelle a été étudiée en simulant la perte du système électrique ou la perte du système de pompage principal. La durée nécessaire à l’établissement d’une circulation par convection naturelle est de seulement 5 min et la vitesse d’écoulement est en accord avec les valeurs calculées.

Abstract

The ITER vacuum vessel (VV) is made of SS 316L(N)-IG (ITER grade, nitrogen weight content 0.06-0.08 %).It has a torus shape, and a double-wall structure with shield-ing and cooling water between the shells. The blanket modules are supported directly by the VV with flexible supports. The inner and outer shells are both 60 mm plates and the stiffening ribs 40 or 60 mm plate. The space between the shells is filled with plates made of SS 304 containing 2 or 1% boron (SS 304B7 or B4). A tight-fi tting configuration of the VV to the plasma aids the passive plasma vertical stability, and ferromagnetic material in the VV reduces the toroidal magnetic field ripple. One of the ITER safety features is natural convection cooling of the vessel during loss of power accidents. A vacuum vessel pressure suppression system is also employed to minimize the peak pressure inside the vacuum vessel during an in-vessel LOCA, by relieving the pressure caused by the ingress of a water steam mixture from damaged, water-cooled, in-vessel components, through rupture discs into a steam condenser tank. For the blanket module support housings and keys, forged pieces are machined and electron-beam welded to the VV inner shell to minimize the deformation. The inter-space between inner and outer shells is separated at field joint regions to achieve independent leak detection, which is more practical for the VV assembly. The basic design of the VV and in-vessel components has remained static since 2001, although there have been several design improvements in detail resulting from efforts for higher reliability and better maintainability, and as a result of the preparation of the procurement specification documents for key components such as the VV in preparation for ITER construction.

For this safety class component, an Addendum to the French Design Code RCC-MR 2002 is being prepared to integrate design and manufacturing rules compatible with the ITER VV structure.

A full-scale VV sector model has been fabricated and tested based on the previous larger ITER design dimensions to provide critical information on fabrication technology of a high quality sector, and the magnitude of welding distortions and achievable tolerances. One of the most important achievements in this R&D has been demonstration of the tolerances which are assumed for the VV design. Automatic TIG welding machines mounted on guide rails were used to make the weld joint between two half sectors. Alignment of the outer shell butt weld joint was accomplished by adjusting the sector positions and locally jacking the shells into position before the welding. Alignment of the root gap and root offset of this joint was achieved to < 0.8 mm. The inner shell field joint includes 8 splice plates for the main shell. Since the basic design of the current ITER VV is the same as the sector model, this R&D also validated the fundamental feasibility of the double-wall VV design. However, to demonstrate manufacturing methods and achievable tolerances of the current ITER VV design, partial VV sector mock-ups are being fabricated additionally in 2006 together with a welding distortion simulation programme. Most of the welds in the inner shell will have butt-joint confi gurations with both-side access and will be radiographically inspected to assure 100% weld effi ciency. However, the one-sided weld joints between the outer shell and the ribs/housings, and the field joints, cannot be radiographically inspected and so will be inspected by ultrasonic testing (UT). R&D is being carried out on UT inspection on one-sided 60 mm thick plate in the inner and outer shell confi guration. Regarding the surface inspection of welds, the applicability of LPT (liquid penetrant dye test) during the initial assembly phase has been assessed, and it is proposed to select suitable liquid penetrant with very low impurities (sulfur and halogen) and a limited amount of high temperature vaporization components. As an alternative to LPT, a Photothermal Camera (PTC) method has been developed and tested. In inspections carried out on weldment surfaces from narrow gap TIG in 60 mm stainless steel, the PTC is generally more sensitive and reliable than LPT. Further development of the NdYAG laser cutting with N2 gas has demonstrated its feasibility on a 60 mm thick plate with a travelling speed of 0.03 m/min.

Thermal-hydraulic tests have been performed to confirm the VV cooling parameters for future licensing. Experimental results gave confi dence in the acceptable VV cooling performance, which should provide not less than 500 W/(m²K) heat transfer coeffi cient in the first channel at any location and orientation in the VV. For further tests, a two-channel model has been developed and tested to check flow distribution and stability in the parallel channels. The test results for vertical channels showed that hydraulic friction is not dominant and that the heating rate has the dominant effect on the flow distribution especially at low flow velocity

Further testing has been carried out to demonstrate natural circulation cooling during off-normal events and to acquire experimental data by using a model (~30 m high). The dynamic characteristics of the VV natural circulation have been studied in tests simulating an electrical system blackout or loss of the main circulation pump function. The time required for the development of the natural circulation is only ~5 min and the flow rate of the natural circulation is in good agreement with the calculated value.