Введение к работе
Актуальность темы. В*связи с постоянно усложняющейся энергетической ситуацией в мире, связанной с истощением топливно-энергетических ресурсов планеты, поиском новых, нетрадиционных источников энергии, проблема осуществления управляемого термоядерного синтеза занимает одно из ведущих мест среди приоритетов мировой науки и техники. Среди множества научно-технических проблем, возникающих при создании термоядерного реактора То-камака, одной из важнейших является проблема конструкции дивертора. Это объясняется тем, что дивертор термоядерного реактора Токамака является одним из наиболее энергонапряженных элементов его конструкции (корпускулярный и энергетический поток на приемные пластины дивертора составляет до 30 мегаватт на квадратный метр), связанное с этим быстрое разрушение токоприемных поверхностей вызывает необходимость периодической замены оборудования с использованием робототехники. Обеспечение достаточного теплоотвода от приемных пластин дивертора и вместе с тем исключение утечек паров теплоносителя в плазменную камеру диктует необходимость применения жидкомёталлического теплоносителя (ЖМТ), поскольку другие традиционные типы теплоносителей не могут обеспечить достаточно полное соблюдение вышеуказанных требований. Из всех возможных жидких металлов наиболее подходящим к использованию является галлий, т.к. он обладает низкой температурой плавления и высокой температурой кипения в вакууме, что обеспечивает низкое давление паров (на 6 порядков ниже, чем у лития). Однако, ис-
пользование жидкометаллического теплоносителя для охлаждения дивертора встречает ряд трудностей, одной из которых является обеспечение возможности прокачки ЖМТ по трактам, расположенным в мощном магнитном поле Тока-мака. Снижения гидравлического сопротивления до приемлемых величин можно добитьдя при условия использования электроизолирующих покрытий на поверхностях конструкционных материалов, контактирующих с ЖМТ. Изучению возможности создания и исследованию свойств таких покрытий и посвящена' данная работа.
Целью работы является проведение экспериментального исследования возможности создания таких покрытий на основе оксидов конструкционных материалов, изучение свойств таких покрытий с учетом условий, приближенных к условиям реально:! установки (глубокого вакуума над свободной поверхностью галлиевого теплоносителя, повышенной температуры, наличия магнитного поля и др.), а также проведение теоретического анализа типа проводимости таких покрытий и непосредственное экспериментальное определение магнитогидро-динамического (МГД) сопротивления при течении галлиевого теплоносителя в поперечном магнитном поле с индукцией до 1 Тл.
Научная новизна. В настоящей работе выполнено экспериментальное исследование свойств .электроизолирующих локрытий, формируемых на поверхностях конструкционных материалов (аустенитной стали 08Х18Н10Т, ванадия, ванадиевого сплава "Б", бериллия) при контакте с галлиевым теплоносителем, в рамках которого:
- проведен термодинамический анализ принципиальной возможности
формирования таких покрытий на основе оксидов указанных материалов;
проведены серии экспериментов, направленные на практическую проверку теоретических положений, а также на исследование электроизолирующих свойств покрытий путем замера электрофизической характеристики р8 (Р-удельное электросопротивление материала покрытия, 5- толшина покрытия) и их зависимости от времени, температуры, режима обтекания поверхности образцов галлием, давления над свободной поверхностью галлия и др.;
проведены эксперименты по формированию вышеописанных покрытий в условиях галлиевого контура Токомака Т-ЗМ;
экспериментально измерено МГД- сопротивление при стекании галлиевого теплоносителя в трубе в поперечном магнитной поле индукцией до 1 Тл;
теоретически рассмотрены возможные типы проводимости покрытии с использованием экспериментально полученных данных;
на основании проведенных исследований сделан вывод о возможности применения оксидных электроизолирующих покрытии в галлиевом теплоносителе и предложены основные варианты технологии формирования и поддержа-HIш работоспособности таких покрытий.
'Практическая ценность работы. Экспериментально доказана возможность формирования и последующего доформнрования ЗИП, снижающих МГД-сопротивление при использовании галлиевого телоносителя в системе охлаждения дивертора и обеспечивающих прокачку ЖМТ в мощном магнитном поле
Токамака. Результаты работы используются при проёктировавии дивертора в проектах ITER и ARIES.
На защиту выносятся следующие основные положения.
1. Результаты термодинамического анализа и экспериментальных иссле
дований, направленных на обеспечение возможности снижения . МГД-
сопротивления течению галлиевого теплоносителя, применительно х системе
охлаждения дивертора реактора Токамака, путем формирования на стенках ка
налов электроизолирующих покрытий на основе оксидов конструкционных ма
териалов (статей, ванадия и его сплавов, бериллия).
2. Результаты экспериментальных исследований электроизолирующих
свойств таких покрытий с учетом условий, приближенных к условиям реальной
установки (температура, вакуум над свободной поверхностью галлия и др.) на
специально созданных экспериментальных установках и, в условиях Токамака
Т-ЗМ.
3. Экспериментальное определение МГД-сопротивления при течении гал
лиевого теплоносителя в поперечном магнитном поле с индукцией до 1 Тл и
сравнение полученных результатов с расчетными, вычисленными исходя из ра
нее измеренных значений электросопротивления покрытия.
-
Результаты теоретического анализа,возможных видов проводимости покрытий, основанного на экспериментальных данных.
-
Рекомендации по разработке технологии создания электроизолирующих покрытий и последующего поддержания их в рабочем состоянии (самовосстановление в случае нарушения целостности).
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на международной конференция "ЯЭ-93" - ядерная энергетика и безопасность человека, Ядерное общество, г. Н. Новгород, 1993 г. Межведомственных конференциях: "Тешюфизика-93" - теплогидравлические и физико-химические процессы переноса примесей в теплоносителях, ФЭИ, г. Обнинск, 1993 г.; "Теплофизика-94" -конверсия теплофизических разработок атомной и оборонной техники в различные отрасли народного хозяйства, ФЭЙ, г. Обнинск, 1994 г.; "Теплофизика-96" - методы и средства измерения теплофизических параметров, ФЭИ, г. Обнинск, 1996 г. На международной конференции Seventh International Conference on Fusion Reactor Materials, г. Обнинск, 1995 г.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 149 страницах машинописного текста. Состоит из введешм, шести глав и заключения. Работа включает 48 рисунков, список использованной литературы из 47 наименований.
Личный вклад автора. Автором лично и при его непосредственном участии проведен теоретический анализ, разработаны методики проведения экспериментов, а также .созданы экспериментальные установки, проведены эксперименты и обработка экспериментальных данных.
