Экспериментальное и расчетное обоснование применения галлиевого теплоносителя в системе охлаждения дивертора токомака

Дальнейшее развитие мирового энергопроизводства по оценкам специалистов будет сопровождаться существенным изменением сложившейся топливно-энергетической структуры. Это обуславливается, в первую очередь, существенным повышением доли ядерной энергетики в мировом энергопроизводстве.

Однако, запасы ядерного топлива в природе весьма ограничены. По оценкам специалистов, запасы природного урана смогут обеспечить растущие потребности населения планеты в энергоресурсах лишь на ближайшие 200 -300 лет, в связи с чем возникает необходимость поиска новых перспективных источников энергии.

В качестве одного из возможных вариантов решения данной проблемы специалисты рассматривают использование термоядерных реакторов (ТЯР), способных в полной мере удовлетворить требования, предъявляемые к энергоисточникам:

— перспективность (топливные запасы для ТЯР способны удовлетворять потребности планеты на практически неограниченный срок);

— надежность и безопасность работы (существенно меньшее по сравнению с реакторами деления количество образующихся в процессе работы радиоактивных отходов, особенно с большим периодом полураспада);

— отсутствие крупномасштабных горных разработок, транспортировки топлива и загрязнения окружающей среды;

— внутренне присущая ядерная безопасность (исключает проблему их размещения вблизи населенных пунктов).

Однако, несмотря на существенный прогресс, достигнутый в данном направлении, существует ряд проблем, не решенных к настоящему времени и требующих дальнейших исследований. К ним, в частности, относится проблема охлаждения и защиты дивертора ТЯР, который является одним из наиболее энергонапряженных элементов конструкции (тепловой и корпускулярный поток на приемные пластины составляет порядка нескольких МВт на квадратный метр). В связи с этим охлаждение дивертора с использованием жидкометаллического теплоносителя (ЖМТ) является практически единственно возможным безальтернативным решением.

Жидкие металлы (ЖМ) благодаря их хорошим теплофизическим свойствам (низкому давлению пара и радиационной стойкости) представляются, как и в реакторах деления, перспективными теплоносителями для ТЯР. В первую очередь, привлекают возможности достижения хороших нейтронно — физических характеристик в бланкете, возможности получения высокопотенциального тепла для системы преобразования энергии при низком давлении теплоносителя, реализации высокоэффективных схем наиболее напряженных компонентов реактора таких, как первая стенка и дивертор, что в конечном итоге обеспечивает получение более высоких техникоэкономических показателей реактора при высоком уровне надежности и безопасности.

Однако, к обычным проблемам, возникающим при использовании ЖМ, -совместимость с конструкционными материалами и окружающей средой — в ТЯР добавляется новая проблема прокачки ЖМ теплоносителя в сильном магнитном поле и связанные с ней проблемы воздействия магнитного поля на процессы теплообмена, коррозии и т. п. Решение этих проблем находится в стадии научно-исследовательских работ, что определяет острую необходимость проведения экспериментальных работ для системного охвата широкого круга взаимосвязанных вопросов, связанных с взаимодействием магнитного поля и движущимся жидкометаллическим теплоносителем.

В качестве одного из наиболее перспективных теплоносителей для использования в системе охлаждения дивертора ТЯР специалистами РНЦ КИ был предложен галлий.

В настоящее время НГТУ совместно с РНЦ КИ проводит комплекс работ по исследованию применения галлия в качестве теплоносителя для охлаждения дивертора ТЯР. В рамках этой программы были выпущены отчеты по НИР, другие публикации, защищена диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, но несмотря на значительный прогресс, достигнутый в этой области, оставался ряд нерешенных проблем. Решению некоторых из них посвящена настоящая работа.

Цель работы. Настоящая работа посвящена теоретической разработке и экспериментальным исследованиям механизмов контролируемого формирования электроизолирующих покрытий (ЭИП) на поверхностях конструкционных материалов, рассматриваемых для использования в условиях галлиевого контура системы охлаждения дивертора ТЯР, исследованию их работоспособности, а также определению МГД — сопротивления потоку галлия в поперечном магнитном поле, в том числе и в условиях неизотермического галлиевого контура.

Для реализации указанной цели потребовалось решить следующие основные задачи:

— Теоретический анализ процессов массопереноса оксидов теплоносителя и примесей в контуре системы охлаждения дивертора ТЯР;

— Исследование способов и механизмов формирования покрытий применительно к условиям работы галлиевого контура охлаждения дивертора ТЯР;

— Экспериментальное исследование электроизолирующих характеристик ЭИП на образцах в галлии с использованием специально введенного параметра р5 (р — удельное электросопротивление материала покрытия, 8 — его толщина);

— Исследование влияния на величину р8 условий, реализуемых в реальном ТЯР (термоциклические нагрузки, наличие примесей, технологические обработки теплоносителя и др.);

— Экспериментальное определение коэффициента сопротивления X при течении галлиевого теплоносителя в поперечном магнитном поле и его зависимости от температуры и величины индукции магнитного поля.

— Экспериментальные исследования по определению величины термодинамической активности кислорода в галлиевом теплоносителе методом гальванического концентрационного элемента.

На защиту выносятся следующие основные положения:

— Результаты теоретических исследований процессов массопереноса оксидов теплоносителя и примесей в контуре системы охлаждения дивертора ТЯР;

— Результаты теоретических и экспериментальных исследований, направленных на выбор и обоснование способов формирования ЭИП, обеспечивающих возможность создания жидкометаллической системы охлаждения дивертора ТЯР на основе галлиевого теплоносителя;

— Результаты теоретических и экспериментальных работ по исследованию характеристик защитных ЭИП, сформированных в различных условиях в зависимости от температуры и индукции магнитного поля;

— Результаты теоретического расчета максимальной величины термоударов, возможных в системе охлаждения дивертора ТЯР;

— Результаты теоретических и экспериментальных работ по исследованию характеристик защитных ЭИП, при воздействии на них термоциклических нагрузок в зависимости от температуры, плотности тока;

— Результаты экспериментального определения МГД — сопротивления при течении галлиевого теплоносителя в каналах из стали и ванадия в поперечном магнитном поле индукцией до 1,0 Тл;

— Результаты исследований по определению величины термодинамической активности кислорода в галлиевом теплоносителе методом гальванического концентрационного элемента.

Научная новизна работы заключается в выполненных расчетнотеоретических и экспериментальных исследованиях механизмов формирования ЭИП на поверхностях конструкционных материалов, рассматриваемых для использования в условиях галлиевого контура системы охлаждения дивертора ТЯР при контакте с ЖМТ на основе галлия, исследованию их работоспособности, а также определению МГД — сопротивления потоку галлия в магнитном поле, в том числе и в условиях неизотермического галлиевого контура.

Практическая ценность работы состоит в том, что автором выполнены исследования различных способов формирования и доформирования ЭИП на поверхностях конструкционных материалов системы охлаждения дивертора ТЯР в условиях, приближенным к реальным условиям работы ТЯР, и сравнительный анализ данных способов. Проведено исследование работоспособности ЭИП и расчет максимальной величины термоциклических нагрузок (термоударов), возникающих в системе охлаждения дивертора при импульсной работе ТЯР. Проведенные исследования подтверждают возможность создания и поддержания на внутренних поверхностях каналов охлаждения дивертора ТЯР оксидных ЭИП, снижающих МГД и общее гидравлическое сопротивление до технически приемлемых величин.

Апробация работы. Результаты работы обсуждались на совещаниях специалистов, докладывались на отечественных и международных конференциях, опубликовывались в отечественных журналах и используются для обоснования концепции системы охлаждения дивертора ТЯР галлиевым теплоносителем, а также при разработке такой системы применительно к ИТР.

В работе обобщены результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных на кафедре «АТС и МИ» НГТУ автором самостоятельно и в соавторстве с д.т.н. Безносовым A.B., к.т.н. Щербаковым Р. В., к.т.н. Кузьминых С. А., инж. Серовым В. Е., асп. Захватовым В. Н., асп. Мелузовым А. Г. (НГТУ), к.т.н. Романовым П. В. (РНЦ КИ).

Исследования, результаты которых приводятся в настоящей работе, проводились на оборудовании и экспериментальных установках, смонтированных на базе кафедры «АТС и МИ» НГТУ непосредственно автором.

Основные материалы работы в диссертационных работах соавторов не освещались.

Публикации:

1. Безносов А. В., Щербаков Р. В., Бутов А. А., Романов П. В. Применение жидких металлов для охлаждения дивертора «токамака». «Ядерная энергетика», № 6, 1995 г., с. 66 — 72.

2. Романов П. В., Безносов А. В., Кузьминых С. А., Бутов А. А., Парфенова JI. А. Экспериментальное исследование МГД — сопротивления и характеристик электроизолирующих покрытий на конструкционных материалах систем охлаждения токамака жидкометаллическими теплоносителями. «Вопросы атомной науки и техники», серия «Термоядерный синтез», выпуск 11 — 12, 1998.

3. Романов П. В., Безносов А. В., Бутов А. А., Кузьминых С. А., Захватов В. Н., Мелузов А. Г. Влияние термоциклических нагрузок на характеристики электроизолирующих покрытий конструкционных материалов в контурах охлаждения бланкета и дивертора с жидкометаллическими теплоносителями. «Вопросы атомной науки и техники», серия «Термоядерный синтез», выпуск 2, 1999, с. 66 — 72.

4. Besnosov А. V., Dmitriev S. М., Butov A. A., Remisov J. J., Romanov P. V. Experimental studies of steam generator accident with coolant leak into LM primary loop. Program and collected abstracts. 8th International Conference on Fusion Reactor Materials (ICFRM-8) October 26−31, 1997, Sendai, Japan, p. 302.

5. Безносов А. В., Дмитриев С. М., Бутов А. А., Захватов В. П., Романов П. В. Экспериментальные исследования МГД — сопротивления потока РЬ, РЬ—В], РЬ-1л, Оа, Ь1 в поперечном магнитном поле. «Тяжелые жидкометаллические теплоносители в ядерных технологиях» ТЖМТ -98. Программа и тезисы докладов конференции, с. 28.

6. Безносов А. В., Бутов А. А., Щербаков Р. В., Романов П. В. Экспериментальные исследования в обоснование концепции охлаждения дивертора токамака галлиевым теплоносителем. «Тяжелые жидкометаллические теплоносители в ядерных технологиях» ТЖМТ -98. Программа и тезисы докладов конференции, с. 37.

7. Бутов А. А., Парфенова Л. А. Экспериментальное исследование МГДсопротивления и характеристик электроизолирующих покрытий на конструкционных материалах систем охлаждения токамака жидкометаллическими теплоносителями. «Третья нижегородская сессия молодых ученых». Сборник тезисов докладов, с. 92.

8. Захватов В. Н., Бутов А. А., Семенов А. В. Экспериментальное исследование характеристик электроизолирующих покрытий на конструкционных материалах систем охлаждения токамака жидким свинцом. «Четвертая нижегородская сессия молодых ученых». Сборник тезисов докладов, с. 101.

9. Бутов А. А., Захватов В. Н., Семенов А. В. Влияние термоциклических нагрузок на характеристики электроизолирующих покрытий конструкционных материалов в контурах охлаждения бланкета и дивертора с жидкометаллическими теплоносителями. «Четвертая нижегородская сессия молодых ученых». Сборник тезисов докладов, с. 106.

10. Безносов А. В., Фарафонов А. В., Бутов А. А. Система преобразования энергии термоядерного реактора. Авторское свидетельство № 5885, 1997 г.

11. Безносов А. В., Бутов А. А., Попкова Л. А., Романов П. В. Система преобразования энергии термоядерного реактора типа токамак, охлаждаемого эвтектикой свинец — литий. Авторское свидетельство № 9545, 1999 г.

12. Безносов А. В., Кузьминых С. А., Бутов А. А., Мелузов А. Г., Романов П. В., Парфенова Л. А. Экспериментальное исследование МГДсопротивления и характеристик электроизолирующих покрытий на конструкционных материалах систем охлаждения токамака жидкометаллическими теплоносителями. Нижегородский государственный технический университет, отчет, № г. р. 1 940 002 164, УДК 539.1.08, Инв. № 2 970 003 864.

13. Безносов А. В., Кузьминых С. А., Мелузов А. Г., Бутов А. А., Романов П. В., Каратушина И. В. Экспериментальное исследование взаимодействия в системе конструкционный материал — электроизолирующее (защитное) покрытие — эвтектика свинец — литий + висмут применительно к системе.

16 теплоотвода бланкета токамака. Нижегородский государственный технический университет, отчет, № г. р. 1 940 002 164, УДК 539.1.08, Инв.№ 1 970 003 852 14. Безносов А. В., Бутов А. А., Серов В. Е., Романов П. В. Экспериментальные и теоретические исследования режима «межконтурная неплотность парогенератора» в контуре охлаждения ЖМТ бланкета токамака. Нижегородский государственный технический университет, отчет, № г. р. 1 940 002 164, УДК 539.1.08, Инв. № 2 970 003 460.

5.3.7 Выводы.

Проведенные эксперименты показали принципиальную возможность формирования и поддержания стабильных оксидных электроизолирующих покрытий на поверхности конструкционных материалов, контактирующих с жидким галлием при работе ЭИП в условиях термоциклических нагрузок, по крайней мере, при содержании кислорода теплоносителе на линии насыщения или близкой к ней. Значение величины р8, зафиксированное в экспериментах, не зависит от количества проведенных термоударов и сравнимо со значениями величины р8 оксидных покрытий, сформированных на поверхности конструкционных материалов без термоударов. Анализ вольтамперных характеристик показал, что характеристики электроизолирующих покрытий для галлия близки к характеристикам изолятора, как до проведения термоударов, так и после, что позволяет сделать вывод о пригодности сформированных ЭИП для поставленной целиуменьшения МГД — сопротивления потоку ЖМТ в системе охлаждения дивертора реактора токамака.

6 Рекомендации по проектным и эксплуатационным решениям контура охлаждения дивертора с галлиевым теплоносителем с учетом формирования электроизолирующих покрытий на внутренних поверхностях контура.

В настоящем разделе отражены научно — технические рекомендации, предлагаемые на основе выполненных автором теоретических и экспериментальных исследований по технологии галлиевого теплоносителя, предусматривающей формирование и доформирование оксидных электроизолирующих покрытий на поверхностях конструкционных материалов контура охлаждения дивертора токамака.

6.1 Регулирование содержания кислорода в галлиевом теплоносителе.

Сравнительные экспериментальные исследования различных технологий формирования и доформирования покрытий в разделах 2 и 3 настоящей работы показали возможность реализации этих технологий в условиях галлиевого циркуляционного контура.

В конкретных условиях испытаний наиболее эффективным оказался последний способ (растворение оксидов галлия в обтекающих их потоках теплоносителя). Однако, окончательный вариант может быть выбран на основе экспериментов на нескольких стендах, более представительно моделирующих условия конкретного галлиевого контура (отношение объема теплоносителя и контактирующих с ним конкретных марок материалов — бериллиевых сплавов, сталей и др.- тип насоса — механический, электромагнитныйтемпературные и гидродинамические режимы работы контура охлаждения диверторадругие его характеристики).

На данной стадии исследований для последующей разработки рекомендуются три основных технологии формирования и доформирования оксидных электроизолирующих покрытий на поверхностях конструкционных материалов, контактирующих с галлиевым теплоносителем:

— с дозированным вводом кислорода (или оксидов в газовой (паровой) фазе) в газовый объем над свободным уровнем галлиевого теплоносителя в проточной буферной емкости (компенсаторе объема) контура (рис. 6.1).

— с эжекцией кислородосодержащих газовых (газопаровых) смесей потоком галлия с насыщением кислородом циркулирующего потока галлиевого теплоносителя (рис. 6.2) из объема газовых пузырей, эжектируемых потоком.

— с растворением гранул (либо в другой форме) оксида галлия, помещенных в проточную емкость с регулируемой температурой нагрева оксидов и омывающего их теплоносителя (рис. 6.3).

Дозированный ввод кислорода в газовый объем контура, в зависимости от конкретного исполнения контура, рекомендуется производить следующими основными способами:

— регулируемой подачей газовой (газопаровой) кислородосодержащей смеси из баллонов компрессором с переменной производительностью (рис. 6.1);

— регулируемой подачей газовой (газопаровой) кислородосодержащей смеси из баллонов через дросселирующее устройство, регулирующий и запорный вентиля;

— подачей кислорода, генерируемого путем регулируемого термического разложения кислородосодержащих веществ (марганцовокислого калия или др.);

— подачей увлажненного кислорода, генерируемого путем регулируемого электролиза воды;

— другие способы (или комбинация вышеперечисленных) ввода примеси кислорода.

Дозированный ввод кислорода в поток циркулирующего галлиевого теплоносителя, в зависимости от конкретного исполнения контура, рекомендуется производить следующими основными способами:

— регулируемой подачей (за счет регулирующего газового вентиля) и эжекцией потоком галлия «двойной» газовой смеси (аргон + кислород, гелий + кислород) из газового объема контура (рис. 6.2) с последующей сепарацией непрореагировавшей газовой смеси в буферной емкости (компенсаторе объема);

— регулируемой подачей (за счет регулирующего газового вентиля) и эжекцией потоком галлиевого теплоносителя «тройной» (увлажненной) газовой смеси (аргон + кислород + водяной пар, гелий + кислород + водяной пар) с пропуском эжектируемого потоком газа через барботер с водой с регулируемой температурой подогрева водыпоследующая сепарация непрореагировавшей газовой смеси осуществляется в буферной емкости (компенсаторе объема);

— регулируемым вводом газовой (газопаровой) смеси из баллонов в поток галлия за счет избыточного давления газа в баллоне над давлением галлия в точке ввода газа;

— насыщением потока галлиевого теплоносителя оксидами галлия при регулируемом изменении температуры емкости с оксидами, омываемыми потоком теплоносителя (рис. 6.3).

Особенностью технологического процесса формирования и доформирования ЗИП на поверхностях конструкционных материалов контура охлаждения дивертора токамака галлием является то, что часть свободной поверхности галлия через щелевые зазоры непосредственно сообщается с отвакуумированным объемом плазменной камеры токамака. Поэтому компоновочные решения этого контура должны исключать «проскок» газа, в том числе и содержащего примесь кислорода, в плазменную камеру реактора во всех нормальных и аварийных ситуациях. Техническая реализация этого требования возможна, например, введением гидрозатворов между камерами охлаждения токамака и свободными уровнями галлия, причем высота галлиевого гидрозатвора, умноженная на удельный вес галлия при температуре в гидрозатворе, должна превышать сумму избыточного давления газа над свободным уровнем и соответствующего гидростатического давления галлия.

Особенностью галлия, по сравнению со свинцом или сплавом свинецвисмут, является то, что в случае избыточного поступления кислорода в контур с галлием невозможно восстановление оксидов галлия водородом или его удаления другими технически простыми способами. Для исключения избыточного накопления примеси оксида галлия в циркуляционном контуре и отложения их в каналах и на теплопередающих поверхностях рекомендуется вводить в состав галлиевого контура последовательно (на полный расход) проточную буферную емкость (компенсатор давления) с техническими характеристиками, обеспечивающими отстой (сепарацию) дисперсных частиц оксидов галлия с концентрацией частиц этих примесей на свободной поверхности галлия. Последующее удаление дисперсных примесей («шлаков») со свободной поверхности галлия возможно механическими или другими способами.

Возможно удаление избыточного содержания кислорода в галлии «холодными» ловушками аналогично устройствам, применяемым в контурах с натриевым теплоносителем.

6.2 Контроль процесса формирования и деформирования оксидных электроизолирующих покрытий.

Одним из основных условий формирования и доформирования оксидных ЭИП на конструкционных материалах, а также сохранение их работоспособности в галлиевом теплоносителе является условие поддержания в теплоносителе величины окислительного потенциала, обеспечивающей протекание указанных процессов. На основании проведенного автором анализа можно утверждать, что величина термодинамической активности кислорода в галлии в общем случае должны находиться в диапазоне ЮЛ. ЛО" 1. При отсутствии средств контроля этой величины возникает опасность, с одной стороны, перенасыщения контура кислородом и его зашлаковывания, с другой стороны — восстановление и разрушение оксидных ЭИП.

На основании проведенных исследований автор рекомендует использовать для контроля содержания термодинамически активного кислорода в галлиевом теплоносители датчик на основе твердого гальванического концентрационного элемента, например, на основе диоксида циркония (См. раздел 4 диссертации). Указанные датчики рекомендуется устанавливать до и после элементов охлаждения дивертора, например, до и после напорного и сливного коллекторов (рис. 6.1 — 6.3). Число датчиков в каждом месте их установки рекомендуется не менее трех для получения представительных результатов замера. Ввод кислородосодержащих веществ в галлиевый контур, в его газовую систему или поток галлия должен осуществляться и прекращаться по сигналам от датчика термодинамически активного кислорода в галлии. Значение величины термодинамической активности кислорода в галлии в конкретном контуре рекомендуется поддерживать в диапазоне, определяемом температурным режимом, а также примененными конструкционными материалами.

Следует отметить, что оптимальным техническим решением была бы комплексная система контроля и регулирования содержания примесей в галлиевом теплоносителем, в контуре ЖМТ и в системе защитного газа, одной из функций которой было бы контроль и регулирование окислительного потенциала галлиевого теплоносителя с целью формирования, доформирования и обеспечение работоспособности оксидных ЭИП на поверхностях конструкционных материалов контура, контактирующих с галлиевым теплоносителем.

Заключение

.

— Проведены теоретические исследования процессов массопереноса оксидов теплоносителя и примесей в контуре системы охлаждения дивертора ТЯР;

— Проведены теоретические и экспериментальные исследования по выбору и обоснованию способов формирования ЭИП, обеспечивающих возможность создания жидкометаллической системы охлаждения дивертора ТЯР Ж основе галлиевого теплоносителя;

— Выполнены теоретические и экспериментальные работы по исследованию характеристик защитных ЭИП, сформированных в различных условиях в зависимости от температуры и индукции магнитного поля;

— Расчитана максимальная величина термоударов, возможных в системе охлаждения дивертора ТЯР;

— Выполнены теоретические и экспериментальные работы по исследованию характеристик защитных ЭИП при воздействии на них термоциклических нагрузок в зависимости от температуры, плотности тока;

— Проведены экспериментальные исследования по определению МГДсопротивления при течении галлиевого теплоносителя в каналах из стали и ванадиевого сплава в поперечном магнитном поле индукцией до 1,0 Тл;

— Проведены исследования по определению величины термодинамической активности кислорода в галлиевом теплоносителе методом гальванического концентрационного элемента.