Исследования в обоснование научно-технических решений конструкции жидкометаллических мишеней ускорительно-управляемых систем

В настоящее время наряду с, безусловно, приоритетными исследованиями по оптимизации существующих и созданию перспективных реакторов деления тяжелых ядер и исследованиями, направленными на создание демонстрационных и коммерческих реакторов управляемого термоядерного синтеза мировым ядерным обществом проводятся исследовательские и опытно-конструкторские работы по выбору концептуальных и научно-технических решений электроядерных установок или ускорительно-управляемых систем [1]. Основой последних является (рЖп) реакция взаимодействия пучка высокоэнергетических протонов, создаваемого ускорителем и ядер мишени, обладающих высокой атомной массой. В результате одного акта такого взаимодействия образуются 10−20 и более быстрых нейтронов. Создаваемый поток нейтронов принципиально может использоваться в бланкете установки для следующих целей:

— для трансмутации долгоживущих биологически опасных радионуклидов, образующихся при эксплуатации реакторов деления тяжелых ядер и др. в 1 изотопы с малым периодом полураспада или в стабильные изотопы;

— для организации реакции деления тяжелых ядер в подкритичном (КЭф<1) бланкете — активной зоне реактора, в котором исключены аварии, связанные с его «разгоном» в установках, генерирующих электроэнергию и тепло;

— для производства радиоактивных изотопов, необходимых в медицинской и других отраслях промышленности;

— для наработки вторичного ядерного топлива;

— для облучения материалов и элементов конструкций с целью придания им новых свойств и др.

Прорабатываются концепции с мишенями из вольфрама и других материалов сложной геометрии, охлаждаемыми теплоносителями различных типов. Для мощных (мегаватты и больше) ускорительно-управляемых систем предпочтительными являются жидкометаллические мишени, благодаря возможностям более эффективного теплоотвода, чем «твердые» мишени. В качестве жидкометаллических теплоносителей рассматриваются эвтектика свинец-висмут, галлий, свинец. Более предпочтительным большинством специалистов признается эвтектика свинец-висмут, однако, для низкотемпературных систем (до 300−350°С) наиболее оптимальным может оказаться галлий.

Основными исследуемыми вариантами конструкций жидкометаллических мишеней являются следующие:

— Конструкция с прочноплотной заглушкой («окном», диафрагмой) установленной на патрубке подвода частиц из полости ускорителя (с глубоким вакуумом) в рабочую полость жидкометаллической мишени (с давлением, близким к атмосферному или избыточным), разделяющую эти полости. Материал этой заглушки работает в условиях высокого флюенса высокоэнергетических протонов и излучения приходящего из мишени, высоких температур, возможных знакопеременных нагрузок, агрессивного воздействия жидкого металла и образующихся в нем примесей и др., провоцирующих разрушение факторов.

— Конструкция без прочноплотной заглушки на патрубке подвода частиц от ускорителя [2]. При таком техническом решении одной из основных научно-технических проблем является исключение поступления радиоактивного теплоносителя из мишени в полость ускорителя во всех режимах работы и состояниях системы.

— Конструкция с установкой в патрубке подвода частиц от ускорителя «прозрачной для протонов», с исключением контакта «прозрачного окна» с жидким металлом за счет инженерно-технических решений. Техническая реализация данного решения сложна и ее возможность вызывает сомнения.

Конструкция жидкометаллической мишени с рядом мощных ускорителей до нескольких десятков мегаватт, принципиально может быть реализована с прочноплотной заглушкой на патрубке подвода частиц от ускорителя или с «прозрачной» для протонов заглушкой. Для мощностей ускорителей десятков и более мегаватт единственно возможными являются реализации концепции жидкометаллической мишени без установки каких-либо заглушек на пути подачи ускоренных протонов в полость мишени.

Актуальность темы

:

Среди комплекса проблем, связанных с созданием ускорительно-управляемых систем, одной из основных задач является разработка научно-технических основ для проектирования жидкометаллических мишеней, обеспечивающих работу с ускорителями большой мощности (1 МВт и более), при требуемых характеристиках нейтронного поля, требуемых температурных характеристиках и заданном ресурсе. В настоящее время в мире отсутствует практический опыт создания и эксплуатации мишеней большой мощности, в частности, с применением в качестве размножающего нейтроны вещества тяжелых жидкометаллических теплоносителей (ТЖМТ — свинца и эвтектического сплава свинец-висмут). Высокий выход нейтронов (около 20 на один акт взаимодействия) под действием потока высокоэнергетических протонов, сравнительно малое сечение поглощения нейтронов, радиационная стойкость, возможность отводить высокотемпературное тепло при высокой удельной энергонапряженности и низком давлении позволяют рассматривать в качестве перспективных тяжелые жидкометаллические теплоносители.

В нашей стране работы по исследованиям, направленным на создание таких установок были начаты и проводятся в Институте теоретической и экспериментальной физики, в Физико-энергетическом институте, в ФГУП ОКБ «Гидропресс» и в Нижегородском государственном техническом университете.

Цель работы:

Конечной целью настоящей работы является разработка, на основе экспериментальных и теоретических исследований, научно-технических основ организации проточной части жидкометаллической мишени, сообщенной с полостью ускорителя, а так же рекомендации по принципиальным научно-техническим решениям контура такой мишени и мишенного контура.

Для достижения указанной цели в работе решались следующие задачи:

— Создание экспериментальных стендов, моделей мишеней и проведение исследований гидродинамических характеристик проточной части полномасштабных жидкометаллических мишеней на водяном теплоносителе с вертикальным и горизонтальным расположением осей моделей.

— Создание экспериментального стенда и проведение исследований условий незатекания теплоносителя в имитатор патрубка подвода частиц от ускорителя частиц.

Создание экспериментальных стендов со свинец-висмутовым теплоносителем, моделей мишеней и исследование гидродинамических характеристик и условий незатекания эвтектики в имитатор патрубка подвода частиц от ускорителя при вертикальном и горизонтальном размещении оси модели.

— Создание экспериментальных установок и проведение исследований процесса массопереноса паров свинца в полости мишени.

— Теоретический и расчетный анализ условий незатекания теплоносителя в полость ускорителя.

Научная новизна работы:

В результате проведенных исследований и использования созданных моделей экспериментальных стендов, установок и методик:

— на полномасштабных водных моделях жидкометаллических мишеней получены зависимости характеристик проточной части мишени от величины угла закрутки потока, расположения оси мишени, величины противодавления, значения локальных скоростей: послуживших основой для создания мишеней для испытаний их в среде ТЖМТ;

— теоретическим и расчетным анализом и экспериментальными исследованиями определены условия незатекания теплоносителя в полость ускорителя частиц, контактирующую с рабочей полостью жидкометаллической мишени;

— на полномасштабных моделях жидкометаллических мишеней на эвтектическом сплаве свинец-висмут в условиях рабочих температур, скоростей и давлений, с расходами до 80,0×10 кг/час при вертикальном и горизонтальном расположениях осей мишени исследованы характеристики проточных частей мишеней.

Практическая ценность:

— Предложены и экспериментально обоснованы рекомендации по техническим решениям проточной части жидкометаллической мишени, самой конструкции мишени и мишенного контура.

— Предложены и обоснованы научно-технические рекомендации по исключению поступления жидкометаллического теплоносителя в полость ускорителя элементарных частиц при нормальной работе и при аварийных ситуациях.

— Предложены варианты схемно-конструктивных технических решений жидкометаллических мишеней и мишенного контура, защищенные тремя патентами и четырьмя авторскими свидетельствами РФ (в соавторстве).

На защиту выносятся:

— Результаты экспериментальных исследований гидродинамических характеристик проточной части, на полномасштабных моделях жидкометаллических мишеней на воде.

— Результаты теоретического анализа, расчетных и экспериментальных исследований условий незатекания жидкометаллического теплоносителя в полость ускорителя частиц, сообщенную с полостью мишени.

— Результаты экспериментальных исследований гидродинамических характеристик проточной части вариантов конструкции мишени с вертикальным и горизонтальным расположением осей, при рабочих условиях в проточной части мишени.

— Результаты исследований массопереноса и отложений теплоносителя и его примесей в полости жидкометаллической мишени.

— Рекомендации по научно-техническим решениям проточной части жидкометаллической мишени, конструкции мишени в целом и мишенного контура.

Степень обоснованности научных положений и рекомендаций, сформированных в диссертации:

Достоверность полученных научных положений и рекомендаций, сформулированных в диссертации подтверждается:

— выполнением исследований с использованием современных стендов, методик и современных (компьютерных) методов сбора и обработки информации;

— полномасштабными испытаниями рекомендуемых научно-технических решений в условиях рабочих скоростей, расходов, температур и давлений жидкометаллического теплоносителя;

— защитой предлагаемых научно-технических решений авторскими свидетельствами и патентами РФ.

Апробации работы и публикации:

Материалы работы докладывались и обсуждались на ежегодных Международных и отечественных конференциях по теплофизике и по проблемам жидкометаллических теплоносителей в г. Обнинске в 1999, 2001, 2002, 2003 годах, публиковались на международных конференциях в США (2002 году), Словакии (2000 г.), в журналах «Атомная энергия» в 1997, 1998, 1999, 2000 годах, «Вопросы атомной науки и техники» в 1999 году, на семинаре по расчетам жидкометаллических мишеней июнь-июль 2001 год, на региональных нижегородских сессиях молодых ученых 1998 — 2003 годах.

Основное содержание диссертации изложены в 10 научно-технических отчетах, 19 докладах, в 5 публикациях в журналах, 4 авторских свидетельствах и 3 патентах РФ.

Личный вклад автора:

Автором лично выполнен аналитический обзор, совместно с научным руководителем сформулированы цель и задачи работы. При непосредственном участии автора созданы экспериментальные стенды и проведены экспериментальные и теоретические исследования условий незатекания теплоносителя жидкометаллической мишени в полость ускорителя заряженных частиц. Автором лично разработан экспериментальный участок, проведена доработка экспериментального жидкометаллического стенда, программаметодика испытаний и проведены испытания полномасштабной жидкометаллической мишени с вертикальной осью на эвтектическом сплаве свинец-висмут, проведена обработка результатов исследований.

Автором лично, под руководством и при непосредственном участии, разработаны программа-методика испытаний, предложен и разработан экспериментальный участок, проведены исследования характеристик жидкометаллической мишени с горизонтальным размещением ее оси на эвтектическом сплаве свинец-висмут, проведена обработка результатов исследований.

Личное участие автора подтверждается публикациями в реферируемых журналах, докладами на международных и отечественных конференциях, авторскими свидетельствами, патентами и научно-техническими отчетами.

В проведении исследований, отраженных в диссертации принимали участие сотрудники кафедры «АТС и МИ» НГТУ д.т.н. профессор Безносов A.B., к.т.н. Давыдов Д. В., к.т.н. Пинаев С. С., зав. лабораториями Серов В. Е., магистры и студенты кафедры «АТС и МИ», за что автор выражает благодарность.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Проведенные экспериментальные исследования гидродинамических характеристик полномасштабных моделей жидкометаллических мишеней с вертикальным и горизонтальным расположением осей на воде подтвердили принципиальную возможность создания конструкций мишеней обеспечивающих работу мишени в составе жидкометаллического контура. Результаты приведенных исследований позволили обосновать и разработать конструкции жидкометаллических мишеней для испытаний на натурной среде.

2. В результате теоретического анализа и расчетных исследований определены условия незатекания жидкометаллического теплоносителя в полость ускорителя протонов. Предложены и созданы метод и устройства определения геометрии свободной поверхности потока жидкого металла.

П 1 внутри полости мишени при температуре до 450 С и расходе до 60×10 кг/час. Испытаниями на воде и на эвтектике свинец-висмут подтверждена возможность незатекания теплоносителя в полость ускорителя во всех эксплуатационных режимах работы жидкометаллических мишеней, созданных на основе разработанных рекомендаций, как с вертикальной, так и с горизонтальным расположением осей мишени.

3. Проведенные экспериментальные исследования, гидродинамических характеристик проточной части вариантов конструкции мишеней с вертикальным и горизонтальным расположением осей при натуральных рабочих условиях в проточной части обосновали работоспособность мишени в режимах пуска, работы и вывода из работы (кроме характеристик процессов взаимодействия ускоренных протонов с тяжелыми ядрами).

4. Расчетно-экспериментальные исследования массопереноса и возможных отложений тяжелого жидкометаллического теплоносителя в полости жидкометаллической мишени и ускорителя показали принципиальную возможность создания в полости мишени, за счет эжекции парогазовой смеси, величины вакуума близкой к вакууму в полости ускорителя и соответственно, массопереноса паров ТЖМТ с последующей их конденсацией на «холодных» поверхностях. Исследован процесс выноса и транспортировки частиц жидкого металла при барботаже парогазообразных примесей в полости мишени.

5. Предложены и разработаны рекомендации по научно-техническим решениям проточной части жидкометаллической мишени, конструкции мишени в целом и мишенного контура для ускорительно-управляемых систем. Рекомендации защищены 4 авторскими свидетельствами и 3 патентами РФ (в соавторстве).