Создание и развитие ядерных энерготехпологий на первом этапе их освоения в середине прошлого века осуществлялось на базе военных разработок — технологий получения плутония для создания' оружия и ядерных реакторов для атомных подводных лодок. Несколько сот работающих в настоящее время энергетических ядерных реакторов на АЭС, являются, таким образом, гражданскими копиями военных разработок. По современной классификации это реакторы второго поколения, разработанные и построенные, в основном, до чернобыльских событий.
Переход к использованию реакторов на быстрых нейтронах, при замыкании топливного цикла, позволит ядерной энергетике принять на себя весь требуемый (по прогнозам WEC) прирост электропроизводства в течение ближайших десятилетий. При этом автоматически выполняются требования Киотского протокола и стабилизируются на любом заранее заданном уровне выбросы парниковых газов, связанные с электроэнергетикой [1]. Европейское сообщество интенсивно продвигает работы по созданию ускорительно управляемых систем с жидкометаллическими мишенями, в, которых используется эвтектический сплав свинец-висмут для трансмутации долгоживущих радионуклидов и для других целей [2 — 4]. Повышение требований к безопасности и надежности работы ядерных реакторов побуждают к поиску новых теплоносителей, обладающих преимуществами по сравнению с традиционными (вода, натрий и др.). Одним из таких теплоносителей является жидкий свинец. Жидкий свинец по своим физико-химическим свойствам близок к эвтектическому сплаву свинец-висмут, с которым накоплен большой опыт работы не только в условиях лаборатории, но и в промышленности.
Концептуальные проработки быстрых реакторов, охлаждаемых свинцом, показавшие перспективность этого направления в плане создания реакторов повышенной безопасности [5, 6], требуют проведения ряда экспериментальных исследований по уточнению расчетных методик поверхностей теплообмена, исходя из реального (фактического) содержания примесей в тяжелом жидкометаллическом теплоносителе, включая возможные аварийные ситуации с использованием современной вычислительной техники, которая в сороковых-пятидесятых годах прошлого века просто отсутствовала.
Одной из основных проблем, возникающих в процессе проектирования ядерных энергетических установок, охлаждаемых тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями, является учет влияния эксплуатационного содержания примесей в теплоносителе и контуре на характеристики теплообмена.
В тяжелых жидкометаллических теплоносителях характеристики теплообмена в участках теплоотвода и теплоподвода не симметричны вследствие различного направления массопереноса примесей, составляющих основное препятствие теплообмену, и различного направления тепловых потоков. В связи с этим актуальной является разработка (уточнение) расчетных методик, расчетных формул теплообмена в системах с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями при контролируемом и регулируемом содержании примесей в контуре, прежде всего, примеси кислорода, а также в период и после аварийных ситуаций, связанных с резким и значительным изменением содержания и физико-химического состояния примесей в контуре и в теплоносителе в условиях неизотермического контура.
Целью диссертационной работы является разработка рекомендаций по инженерным расчетным формулам теплообмена в системах с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями при возможных эксплуатационных состояниях теплоносителя и контура на основе комплексных экспериментальных исследований характеристик теплообмена в неизотермическом контуре с участками теплоподвода и теплоотвода, а также анализ и обобщение полученных ранее экспериментальных данных по теплообмену в круглой трубе и кольцевом зазоре при контролируемом и регулируемом содержании примесей в тяжелом жидкометаллическом теплоносителе и в контуре.
Задачи работы. Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи: проведение анализа накопленного в исследуемой области информационного материала;
— разработка и отработка методов измерения и компьютерной обработки информационных сигналов с датчиков температуры, термодинамической активности кислорода в свинце и др., расчета и представления теплофизических параметров в режиме реального времени;
— разработка, создание и испытание устройства определения локальной скорости потока тяжелого жидкометаллического теплоносителя в кольцевом зазоре и в круглой электрообогреваемой трубе;
— проведение комплексных экспериментальных исследований влияния контролируемого регулирования содержания примесей на характеристики теплообмена в кольцевом зазоре неизотермического контура .с участками теплоподвода и теплоотвода;
— проведение комплексных экспериментальных исследований влияния контролируемого, регулирования содержания примесей на распределение полей скоростей и температур в кольцевом зазоре неизотермического контура с участками теплоподвода и теплоотвода;
— разработка выражений для инженерных расчетов характеристик теплообмена в системах с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями на основе проведенных иссле71-ований в неизотермическом контуре при различных содержаниях примесей в теплоносителе и контуре.
Научная новизна работы заключается в разработке методологии исследований теплофизических характеристик тяжелых жидкометаллических теплоносителей в неизотермическом контуре с контролем и управлением содержания примеси кислорода. Впервые проведены комплексные экспериментальные исследования характеристик теплообмена в неизотермическом контуре с теплоподводящим и теплоотводящим участками при контролируемом и регулируемом содержании примеси кислорода в теплоносителе и контуре, и получены зависимости Nu=/(Pe) в диапазоне чисел Пекле 500.5000 при контролируемом и регулируемом содержании примеси термодинамически активного кислорода в диапазоне 10″ 5.10° и при наличии слоя отложений примесей. Экспериментально определены поля температур и скоростей в кольцевом зазоре неизотермического контура в потоке тяжелого жидкометаллического теплоносителя при контролируемом и регулируемом содержании примесей.
Достоверность и обоснованность результатов обеспечивается использованием современных средств проведения экспериментов, использованием сертифицированного программного обеспечения при проведении экспериментов, соответствием полученных результатов общепринятым физическим представлениям, удовлетворительным совпадением расчетных и экспериментальных данных.
Практическая значимость работы: Рекомендованы для проведения инженерных расчетов, экспериментально полученные в неизотермическом контуре критериальные зависимости характеристик теплообмена в системах с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем при эксплуатационных и аварийных содержаниях примесей в теплоносителе и контуре, что существенно повышает качество расчетов и позволяет улучшить массогабаритные характеристики теплообменпого оборудования и установки в целом.
Предложена и отработана методика теплофизических исследований характеристик теплообмена в кольцевом зазоре неизотермического контура при контролируемом и регулируемом содержании примесей в теплоносителе и контуре, которая рекомендуется для экспериментов со свинцовым и свинец-висмутовым теплоносителями, что повышает качество и представительность полученных результатов.
Личный вклад автора: Исследования, результаты которых приводятся в настоящей работе, проводились на оборудовании и экспериментальных установках, смонтированных на базе кафедры «АТСиМИ» НГТУ им. Р. Е. Алексеева при непосредственном участии автора, автором лично или под его руководством. Автор принимал участие на всех этапах подготовки, проектирования, монтажа, отладки экспериментальных участков, оборудования, а также в разработке программ-методик, проведении исследований, обработки и обсуждении результатов. 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 «АТСиМИ» НГТУ им. Р. Е. Алексеева автором самостоятельно и в соавторстве с д.т.н., проф. Безносовым А. В., инж. Серовым В. Е., доц. Боковой Т. А., асп. Савиновым С. Ю., асп. Антоненковым М. А., лаб. Кудриным О. О., лаб. Кузнецовым Д. В., лаб. Ярмоновым М. В. (НГТУ).
На защиту выносятся следующие положения:
— Методические основы определения характеристик теплообмена в системах с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем, включающие исследования одновременно на участках теплоподвода и теплоотвода при контроле и регулировании содержания примесей в теплоносителе и контуре.
— Методические основы и устройства измерения полей скоростей в потоке тяжелого жидкометаллического теплоносителя в круглой трубе и кольцевом зазоре.
— Массив экспериментальных данных исследований полей температур и скоростей в потоке тяжелого жидкометаллического теплоносителя в каналах неизотермического контура при контроле и регулировании содержания примесей в теплоносителе и контуре.
— Массив экспериментальных данных исследований и обобщения характеристик теплообмена при продольном обтекании поверхностей тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями при контроле и регулировании содержания примесей в теплоносителе и контуре.
Апробация работы и публикации: Результаты работы докладывались на международных и отечественных конференциях и семинарах.
Результаты работы докладывались и обсуждались на межведомственном семинаре «Теплофизика-2007» «Тепломассоперенос и свойства жидких металов» в г. Обнинскена VI Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки» г. Нижний Новгород, 2007 г.- на Пятой курчатовской молодежной научной школе г. Москва, 2007 г., на Шестой курчатовской молодежной научной школе г. Москва, 2008 г., на семнадцатой международной конференции по ядерной энергетике «ICONE-17», г. Брюссель, Бельгия, 2009 г.
Результаты исследований, выполненных автором лично или при его непосредственном участии, опубликованы в статьях в журнале «Атомная энергия», в журнале «Ядерная энергетика», в журнале «Вопросы атомной науки и техники», в журнале «Вестник машиностроения».
Автор выражает глубокую признательность д.т.н., профессору А. В. Безносову осуществлявшему научное руководство этой работой и предоставившему автору все условия для научной деятельности.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, 2 приложений. Объем работы составляет 212 страниц, 78 рисунков, 10 таблиц, список использованных источников из 76 наименований, в том числе 48 работ автора.
5.5 Выводы по главе.
Массообмен и массоперенос примесей в системах с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем оказывает существенное влияние на характеристики теплообмена в данных системах.
Экспериментальное определение характеристик теплообмена для рекомендаций по проектным инженерным расчетам теплообменных поверхностей реакторных контуров с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями недопустимо проводить без моделирования и/или учета массообмена и массопереноса примесей в неизотермическом контуре.
Целесообразно экспериментально полученные выражения для определения характеристик теплообмена в тяжелых жидкометаллических теплоносителях представлять в виде:
Nu = {A + В ¦ Рес) • к: к2к3, где, А — постоянная величина, которая определяется геометрией поверхности, содержанием кислорода в теплоносителе и направлением теплового потока;
В — коэффициент, величина которого определяется режимом обтекания поверхностей теплообмена и их геометрией;
С — показатель степени, величина которого близка к 0,8- к}, к2, к3 — коэффициенты, учитывающие шаг между теплообменными элементами по фронту и в глубину, угол наклона оси теплообменных элементов к направлению потока и другое, характеризующее конкретное исполнение конструкций (наличие и характеристики дистанционирующих решеток, условия подвода теплоносителя к теплообменным элементам и др.).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
1. Предложены и экспериментально обоснованы методические основы определения характеристик теплообмена в системах с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями, включающие одновременно участки теплоподвода и теплоотвода при контроле и регулировании содержания примесей в теплоносителе и в контуре.
2. Предложены и экспериментально обоснованы методики исследований полей скоростей в потоке высокотемпературных свинцового и свинец-висмутового теплоносителей в круглых трубах и кольцевых зазорах. Варианты устройства измерения полей скоростей в потоке высокотемпературных теплоносителей защищены патентами РФ.
3. Определен и представлен массив экспериментальных данных полей температур и осевых скоростей потока высокотемпературного тяжелого жидкометаллического теплоносителя в канале круглого сечения в потоке эвтектики свинец-висмут при температуре 480 — 520 °C, числах Re = (1,6 — 2,7)-105 и в кольцевом зазоре в потоке свинцового теплоносителя при температуре 500 — 550 °C, числах Re = (2,33 — 2,99)-105 в диапазоне термодинамической активности кислорода в теплоносителях 10~5 — 10°.
4. Определен и представлен массив экспериментальных данных зависимостей локальных характеристики теплообмена от поверхности оболочки твэла (сталь 16Х12МВСФБАР-Ш) к свинцовому теплоносителю в кольцевом зазоре при температуре 470 — 520 °C, скорости потока 0,1−1,5 м/с в диапазоне чисел Ре = 500 — 5000 при содержании кислорода в свинце от 10° до 10~5 и при наличии дисперсной фазы оксидов свинца в контуре в явно выраженном неизотермическом контуре.
5. Исследовано влияние содержания примеси кислорода в тяжелом жидкометаллическом теплоносителе на характеристики теплообмена и экспериментально подтверждена существенная разница влияния содержания примеси кислорода на характеристики теплообмена на теплоподводящих и теплоотводящих поверхностях.
6. Полученные критериальные формулы характеристик теплообмена, соответствующие возможным эксплуатационным состояниям теплоносителя и контура, рекомендованы для проведения соответствующих ¦ инженерных расчетов поверхностей теплообмена применительно к инновационным проектам установок с реакторами на быстрых нейтронах охлаждаемых свинцовым (БРЕСТ) и свинец-висмутовым (СВБР) теплоносителями.