Управляемый термоядерный синтез является практически неисчерпаемым источником энергии, способным удовлетворить потребность человечества в энергоресурсах. Термоядерная энергетика обладает рядом преимуществ по сравнению с тепловой и ядерной энергетиками. При работе термоядерного реактора отсутствуют выбросы углеводородов и других ухудшающих экологию веществ. Безусловным преимуществом термоядерных реакторов, по сравнению с реакторами деления, является принципиально более высокая «внутренняя» физическая безопасность, исключающая неконтролируемый «разгон» реактора и существенно меньшее количество радиоактивных отходов, особенно, долгоживущих биологически опасных радионуклидов с периодом полураспада тысячи и миллионы лет, которые требуют создания специальных технологий их обезвреживания.
Одной из ключевых научно технических проблем при создании реакторов деления тяжёлых ядер на быстрых нейтронах является обоснование выбора теплоносителя. Одним из оптимальных вариантов теплоносителя являются тяжёлые жидкометаллические теплоносители (ТЖМТ), такие как свинец, эвтектика свинец-висмут. Наша страна обладает значительным опытом разработки и эксплуатации установок с ТЖМТ (бортовые установки подводных лодок проектов 645, 705 и 705К), а также ведёт работы по созданию реакторных установок БРЕСТ и СВБР со свинцовым и свинец-висмутовым теплоносителями соответственно. При создании термоядерного реактора (ТЯР) встаёт аналогичная проблема выбора типа теплоносителя для бланкета и дивертора. Теплоноситель должен отвечать двум краеугольным критериям: экономичности и безопасности. Основным вариантом теплоносителя бланкета традиционно рассматривается литий [1], который одновременно является сырьем для наработки трития. Наряду с преимуществами, данный теплоноситель имеет несколько крупных недостатков, а именно пожароопасность и взрывоопасность при контакте его с водой и воздухом. Тяжелые жидкие металлы (свинец, галлий, эвтектики свинец-висмут и свинецлитий) могут рассматриваться как перспективные теплоносители для систем теплоотвода указанных элементов ТЯР. Тяжелые жидкие металлы несколько уступают литию по теплофизическим и экономическим критериям (невозможность наработки сырьевого материала — трития, затраты на перекачку и др.), но безусловно превосходят литиевый теплоноситель по критериям безопасности.
Течение теплоносителя в системах теплоотвода ТЯР происходит в мощном магнитном поле, необходимом для удержания плазмы. В случае применения жидкометаллических теплоносителей наличие магнитного поля приводит к изменению полей давлений (скоростей) и температур в потоке теплоносителя. Деформация полей температур и скоростей приводит к значительному изменению характеристик теплообмена между потоком ЖМ и теплообменной поверхностью и гидравлического сопротивления каналов теплообменного оборудования.
Основным способом снижения влияния магнитного поля на поток жидкого металла является формирование электроизолирующих покрытий на поверхностях ограничивающих поток жидкого металла. ЭИП увеличивают удельное электрическое сопротивление стенок каналов, что приводит к снижению влияния магнитного поля на поток теплоносителя.
В системах теплообмена с ТЖМТ роль ЭИП выполняют оксидные покрытия на стенках каналов, формируемые путём обработки теплоносителя кислородом. Формирование оксидных электроизолирующих покрытий приводит к снижению гидравлического сопротивления каналов теплообменного оборудования при течении теплоносителя в магнитном поле. Наряду со снижением влияния магнитного поля на поток, оксидные плёнки увеличивают контактное термическое сопротивление пристенной области вследствие их малой теплопроводности, что приводит к снижению эффективности теплообмена между тяжёлым жидким металлом и стенкой канала. Дополнительно, в процессе эксплуатации контура на стенках каналов может образовываться слой отложений дисперсных нерастворимых в ТЖМ частиц (образующихся при обработке теплоносителя кислородом и др.), который также увеличивает термическое сопротивление. Снижение гидравлического сопротивления потока ТЖМТ, путём формирования оксидных плёнок, электроизолирующих стенки от потока ТЖМТ и улучшения их характеристик (толщина, удельное электрическое сопротивление) приводит к заметному ухудшению характеристик теплообмена. Помимо уменьшения влияния магнитного поля, создание оксидных покрытий необходимо для предотвращения процессов коррозии (защиты) конструкционных материалов каналов и обеспечения работоспособности узлов оборудования работающего в среде тяжёлого жидкого металла.
Содержание кислорода в теплоносителе и характеристики ЭИП являются ключевыми параметрами, влияющими на процесс теплообмена, гидродинамику и коррозионную стойкость материалов при течении ТЖМТ в магнитном поле. Важнейшей задачей является определение оптимального-компромиссного значения содержания кислорода в ТЖМТ и характеристик ЭИП при которых происходит значительное снижение гидравлического сопротивления при малом ухудшении теплообмена и обеспечивается коррозионная защита конструкционных материалов.
В литературе традиционно процессы гидродинамики при течении электропроводящих жидкостей в магнитном поле рассматриваются для двух «идеальных» случаев: стенки каналах абсолютно проводящие, либо непроводящие. В условиях реальных контуров с ТЖМТ электропроводимость стенок каналов имеет определённое значение (в зависимости от выбора конструкционного материала) и может изменяться в некоторых пределах путём варьирования состояния оксидных ЭИП. Существующие экспериментальные работы по исследованию течения ЖМ в магнитном поле проводились без определения одновременного, комплексного влиян ия характеристик ЭИП на процесс теплообмена и МГД-сопротивления каналов. Отсутствуют работы, в которых характеристики теплообмена и МГД-сопротивление канала исследуются одновременно. Имеющиеся экспериментальные данные получены при ряде режимных параметров не соответствующих натурным условиям в ТЯР (температура, тепловой поток и др.).
Отсутствуют расчётные зависимости характеристик теплообмена и гидравлического сопротивления учитывающие содержание примеси кислорода в теплоносителе и состояние оксидных ЭИП, необходимые для проектирования теплообменного оборудования с ТЖМТ работающего в мощном магнитном поле.
Цель комплекса исследований, составной частью которых является данная работа — разработка (уточнение) расчётных методик, расчётных формул теплообмена и гидравлического сопротивления каналов в системах с тяжёлым жидкометаллическим теплоносителем работающих в магнитном поле при контролируемых и регулируемых содержании кислорода и характеристиках оксидных электроизолирующих покрытиях, и определение содержания примеси кислорода в ТЖМТ, оптимальное при совместном учёте гидродинамики и теплообмена в этих условиях.
Целью диссертационной работы является разработка рекомендаций по обоснованным инженерным расчётным формулам теплообмена и полного гидравлического сопротивления при течении свинец-висмутового теплоносителя в поперечном магнитном поле во всём диапазоне содержания примеси кислорода, возможного при эксплуатации, и определение оптимального содержания примеси кислорода в эвтектике, при котором происходит наиболее эффективное снижение МГД-сопротивления при минимально возможном ухудшении теплообмена.
Задачи работы. Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи: проведение анализа материалов накопленных к настоящему моменту в исследуемой областиразработка и создание высокотемпературного теплофизического стенда со свинец-висмутовым теплоносителем с температурой 380.600 °С и экспериментальным участком в мощном (до 1,0 Тл) поперечном магнитном полеразработка и отработка методов измерения и компьютерной обработки сигналов от датчиков температуры, термодинамической активности кислорода, расхода и других в эвтектике свинец-висмут и представлении теплофизических параметров в режиме реального времениразработка методов и средств измерения полного гидравлического сопротивления канала при течении высокотемпературного ТЖМТ в поперечном магнитном полеразработка методов и средств измерения поля осевой скорости (давления) в потоке высокотемпературного ТЖМТ в магнитном полепроведение экспериментальной работы по обоснованию выбора типа датчиков температур для измерения температур в потоке ТЖМТ и стенках каналов в поперечном магнитном полепроведение комплекса экспериментальных работ по одновременному исследованию характеристик теплообмена и гидравлического сопротивления при течении эвтектики свинец-висмут в канале круглого сечения в поперечном магнитном поле при контролируемых и регулируемых характеристиках ЭИП и варьируемом содержании кислорода в теплоносителепроведение экспериментального исследования осевой составляющей полей скоростей при течении эвтектики свинец-висмут в канале круглого сечения в поперечном магнитном поле при контролируемых и регулируемых характеристиках ЭИП и содержании кислорода в теплоносителеразработка рекомендаций по формулам для инженерных расчётов теплообмена и гидравлического сопротивления при течении эвтектики свинец-висмут в поперечном магнитном поле в канале круглого сечения на основе проведённых исследований для различных состояний ЭИП и содержания кислорода в теплоносителе.
Научная новизна работы. Разработана методология одновременного исследования характеристик теплообмена и гидравлического сопротивления при течении высокотемпературного ТЖМТ в магнитном поле при целенаправленно изменяемых характеристиках ЭИП. Впервые проведены совместные экспериментальные исследования характеристик теплообмена и гидравлического сопротивления при течении эвтектики свинец-висмут в канале круглого сечения в поперечном магнитном поле при целенаправленно изменяемых характеристиках оксидных покрытий на его стенках в диапазоне чисел Пекле 320.4600, чисел Рейнольдса (0,24.3,5)-105, числах Гартмана 0.500 и термодинамической активности кислорода в теплоносителе 10°. .10°, включая режим с насыщением теплоносителя кислородом. На основании экспериментальных данных получены совмещённые зависимости характеристик теплообмена Ми=:Г (Ре, На) и коэффициента полного гидравлического сопротивления АУАо=^На /Яе) при фиксированных содержаниях примесей в ТЖМТ. Определён диапазон содержания примеси кислорода в эвтектике свинец-висмут при котором достигается максимальное снижение МГД-сопротивлния при минимально возможном ухудшении характеристик теплообмена.
Разработаны методология и средства измерения осевой составляющей полей скоростей в потоке ТЖМТ в поперечном магнитном поле при целенаправленно изменяемых характеристиках ЭИП. Впервые проведены исследования полей скоростей в высокотемпературном потоке свинец-висмутовой эвтектики в поперечном магнитном поле в канале круглого сечения при изменяемых характеристиках оксидных ЭИП. Получены зависимости осевой составляющей полей скоростей и=Т (г/г0) при значениях чисел Рейнольдса (1,6.2,7)-10э, числах Гартмана 0.365 и термодинамической активности кислорода 10″ 4.10°.
Практическая значимость работы. Экспериментально полученные критериальные зависимости характеристик теплообмена и МГД-сопротивления при течении эвтектики свинец-висмут в поперечном магнитном поле в канале круглого сечения во всём диапазоне возможного содержания примеси кислорода в теплоносителе рекомендованы для расчёта поверхностей теплообмена и полного гидравлического сопротивления теплообменного оборудования и трубопроводов с ТЖМТ работающих в поперечном магнитном поле. На основе полученных критериальных зависимостей предложен оптимальный (компромиссный) диапазон содержания примеси кислорода в теплоносителе, при котором снижение МГД-сопротивления достигается при минимально возможном ухудшении теплообмена.
Предложена и отработана методика проведения совместных теплофизических исследований характеристик теплообмена и гидравлического сопротивления при течении ТЖМТ в поперечном магнитном поле при контроле и регулировании содержания примеси кислорода в теплоносителе, которая рекомендована для проведения аналогичных экспериментов со свинец-висмутовым и другими тяжёлыми жидкими металлами, что повышает качество и представительность полученных результатов.
Предложена и отработана методика проведения исследования полей скоростей (осевой составляющей) в потоке высокотемпературного ТЖМТ в магнитном поле при контроле и регулировании примеси кислорода, которая рекомендована для проведения экспериментальных робот со свинец-висмутовым и другими тяжёлыми металлами, что даёт возможность исследовать распределение скоростей и давлений в каналах системы с ТЖМТ, в том числе и работающей в магнитном поле.
Личный вклад автора. Исследования, результаты которых приводятся в настоящей работе, проводились по оригинальным программам-методикам на экспериментальных установках и оборудовании предложенных и созданных на кафедре «Атомные, тепловые станции и медицинская инженерия» НГТУ автором лично или при его непосредственном участии. Автор принимал участие на всех этапах подготовки, проектирования монтажа, отладки экспериментальных участков, оборудования и контура в целом, в проведении исследований, обработке и обсуждении результатов исследований. Подготовка диссертационной работы осуществлялась под научным руководством доктора технических наук, профессора Безносова Александра Викторовича.
В работе обобщены результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных на кафедре «АТС и МИ» НГТУ автором лично и в соавторстве с д.т.н., проф. Безносовым A.B., к.т.н Молодцовым A.A., к.т.н. Назаровым A.B. инж. Серовым В. Е., инж. Новожиловой О. О., лаб. Кудриным О. О. (НГТУ).
На защиту выносятся следующие положения:
— Методология одновременного экспериментального исследования теплообмена и МГД-сопротивления и исследования полей скоростей при течении ТЖМТ в поперечном магнитном поле при контролируемых и целенаправленно изменяемых характеристиках ЭИП и содержании кислорода в теплоносителе;
— Результаты исследования влияния магнитного поля на высокотемпературные характеристики термопар и обоснование применения термопар типа ХК для измерения температур в потоке высокотемпературного ТЖМТ в поперечном магнитном поле;
— Массив экспериментальных данных исследования характеристик теплообмена при течении эвтектики свинец-висмут в канале круглого сечения в поперечном магнитном поле, полученных применительно к условиям систем теплоотвода бланкета ТЯР при следующих режимных параметрах: температура эвтектики свинец-висмут 480.520 °Стермодинамическая активность кислорода в теплоносителе 10″ 5.10° (включая режим с насыщением кислородом теплоносителя и образованием отложений оксидов теплоносителя) — магнитная индукция поперечного магнитного поля В=0.0,85 Тлчислах Пекле 320.4600- числахГартмана 0.500;
— Массив экспериментальных данных исследования МГД-сопротивления при течении эвтектики свинец-висмут в канале круглого сечения в поперечном магнитном поле, полученные применительно к условиям систем теплоотвода ТЯР при следующих режимных параметрах: температура эвтектики свинец-висмут 480.520 °Стермодинамическая активность кислорода в теплоносителе 10″ 510° (включая режим с насыщением кислородом теплоносителя и образованием отложений оксидов теплоносителя) — числах Рейнольдса (0,2.3,5)-105- числах Гартмана 0.500;
Массив экспериментальных данных исследования профиля скорости в потоке эвтектике свинец-висмут в канале круглого сечения в поперечном магнитном поле при следующих режимных параметрах: температуре эвтектики свинец-висмут 400.420 °Стермодинамической активности кислорода в теплоносителе а=10″ 4. 10°- средне-расходной скорости теплоносителя в экспериментальном участке ?=1,0.1,7 м/счислах Рейнольдса (1,6.2,7)-105 и числе Гартмана 0. .365;
Результаты по совместному экспериментальному исследованию характеристик теплообмена и гидравлического сопротивления при течении эвтектики свинец висмут в канале круглого сечения в поперечном магнитном поле при контроле и регулировании содержания кислорода в теплоносителе и характеристик ЭИП;
Рекомендации по компромиссному диапазону содержания кислорода в ТЖМТ при котором достигается максимальное снижение МГД-сопротивления при наименьшем ухудшении теполообмена.
Апробация работы и публикации. Результаты работы докладывались и обсуждались на международных и российских конференциях. Полученные результаты рекомендованы к использованию при разработке систем теплоотвода ТЯР с тяжёлым жидкометаллическим теплоносителем. Основные положения диссертационной работы изложены в публикациях [2−41].
Автором сделаны доклады по результатам работы на Третьей курчатовской молодёжной научной школе, г. Москва 2005 г., на Четвёртой курчатовской молодёжной научной школе, г. Москва 2006 г., на VI Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки», г. Нижний Новгород 2007 г., на Межведомственном семинаре «Тепломассоперенос и свойства жидких металлов», г. Обнинск 2007 г., на Пятой курчатовской молодёжной научной школе, г. Москва 2007 г., на VII Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки», г. Нижний Новгород 2008 г., на третьей межотраслевой конференции «Тяжёлые жидкометаллические теплоносители в ядерных технологиях (ТЖМТ — 2008), г. Обнинск, 2008 г., на Шестой курчатовской молодёжной научной школе, г. Москва 2008 г., на VIII Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки», г. Нижний Новгород 2009 г., на 17 International Conference on Nuclear Engineering (ICONE 17), г. Брюссель, 2009 г.
Ряд технических решений, предложенных с участием автора в процессе выполнения диссертационной работы, защищены патентами и авторскими свидетельствами [42−48].
Статьи с результатами исследований, выполненных автором лично или при его непосредственном участии, опубликованы в журналах «Атомная энергия», «Ядерная энергетика», «Вопросы атомной науки и техники», «Теплофизика и аэромеханика» [5, 8−10, 24−26, 34−36].
Во время подготовки диссертационной работы автор принимал участие в исследованиях по разработке технологии свинцового теплоносителя применительно к реакторной установке БРЕСТ-ОД-ЗОО, проводимых на кафедре «АТС и МИ» Нижегородского государственного технического университета. Полученные результаты и накопленный опыт использовались автором при выполнении работ над диссертацией.
Автор выражает глубокую признательность д.т.н., профессору A.B. Безносову осуществлявшему научное руководство этой работой и предоставившему автору все условия для научной деятельности.
Диссертация состоит из введения, пяти глав заключения, трёх приложений. Объём работы составляет 242 страницы, 157 рисунков, одна таблица, список использованных источников из 77 наименований, в том числе 47 работ автора.
5.2 Выводы по главе 5.
Разработаны методология и средства проведения одновременного экспериментального исследования характеристик теплообмена и МГД— сопротивления при течении высокотемпературного ТЖМТ в поперечном магнитном поле при варьировании содержания примеси кислорода.
Степень влияния поперечного магнитного поля на поток теплоносителя определяется состоянием поверхности канала ограничивающего поток жидкого металла — характеристиками оксидных ЭИП и слоя отложений примесей. Варьирование содержания примеси кислорода в эвтектике свинец-висмут приводит к одновременному изменению характеристик теплообмена и МГД— сопротивления при течении в поперечном магнитном поле и в отсутствии поля.
В результате экспериментальных исследований течения эвтектики свинец-висмут в поперечном магнитном поле в круглой трубе определёно оптимальное содержание примеси кислорода в эвтектике свинец-висмут а=10″ 2, при котором достигается наиболее эффективное снижение МГД-сопротивления при относительно небольшом ухудшении теплообмена и обеспечивается нормальная эксплуатации контура с точки зрения коррозионной стойкости и загрязнения нерастворимыми примесями теплоносителя и контура.
Определены и представлены формулы по расчёту характеристик теплообмена и коэффициента полного гидравлического сопротивления при течении эвтектики свинец-висмут в поперечном магнитном в круглой трубе из аустенитной стали 08Х18Н10Т при содержании кислорода в теплоносителе а=10″ соответствующему оптимальному режиму эксплуатации:
1) N11 = 4 + 0,025 • Ре08——.
1 + ехр (1−50^е-) На2.
2) Х =.
На2 ^.
Заключение
.
1) Предложена и отработана методика проведения одновременного экспериментального исследования характеристик теплообмена и МГД— сопротивления при течении ТЖМТ в поперечном магнитном поле при целенаправленном варьировании содержания примеси кислорода.
2) Предложены и отработаны методика и созданы средства проведения экспериментального исследования профиля скоростей (осевой составляющей) в высокотемпературном потоке ТЖМТ в поперечном магнитном поле.
3) Обосновано применение термопар типа ХК для измерения температур в потоке ТЖМТ и стенках каналов в поперечном магнитном поле;
4) Определены и представлены зависимости характеристик теплообмена при течении эвтектики свинец-висмут в канале круглого сечения в поперечном магнитном поле в виде Ыи^Ре, На) полученные при температуре эвтектики свинец-висмут 480.520 °С, термодинамической активности кислорода в теплоносителе 10″ 510° (включая режим с насыщением кислородом теплоносителя и образованием отложений оксидов теплоносителя), чисел Пекле 320. .4600 и чисел Гартмана 0. .500.
5) Определены и представлены зависимости коэффициента полного гидравлического сопротивления при течении эвтектики свинец-висмут в канале круглого сечения в поперечном магнитном поле в виде Шо=:Г (На2/Ке) полученные при температуре эвтектики 480.520 °С, термодинамической активности кислорода в теплоносителе 10″ 5.10° (включая режим с насыщением кислородом теплоносителя и образованием отложений оксидов теплоносителя), числах Рейнольдса (0,2. .3,5)Т05 и числах Гартмана 0.500.
6) Определены и представлены профили скоростей в потоке эвтектике свинец-висмут в канале круглого сечения в поперечном магнитном поле при температуре эвтектики свинец-висмут 400.420 °С, термодинамической активности кислорода в теплоносителе а=10″ 4.10°, средне-расходной скорости теплоносителя в экспериментальном участке у=1,0.1,7 м/счислах Рейнольдса (1,6.2,7)Т05 и числе Гартмана 0.365.
7) Экспериментально показано, что степень влияния поперечного магнитного поля на теплогидравлические характеристики потока ТЖМТ определяется содержанием примеси кислорода в теплоносителе и, как следствие, состоянием поверхности ограничивающего поток жидкого металла (характеристиками ЭИП и слоя отложений примесей).
8) Экспериментально определён и представлен оптимальный диапазон содержания примеси кислорода, при котором достигается максимальное снижение МГД-сопротивления при относительно небольшом ухудшении теплообмена. Получены и рекомендованы для проведения соответствующих инженерных расчётов критериальные зависимости характеристик теплообмена и коэффициента полного гидравлического сопротивления соответствующие оптимальному диапазону содержания примеси кислорода.
