Содержание к диссертации
Стр.
Перечень сокращений, условных обозначений 6
Введение 7
ГЛАВА 1 КОНСТРУКЦИИ И ХАРАКТЕРИСТИКИ
ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МИШЕНЕЙ 15
Общие положения 15
Состав жидкометаллической мишени 15
Ориентация оси мишени в пространстве 19
Проточная часть 20
Элементы, ограничивающие поступление ЖМТ, паров и газов элементов и соединений в направлении полости ускорителя при нормальной работе 22
Теоретический анализ характеристик потока в проточной части 26 модели жидкометаллической мишени
ГЛАВА 2 ЭКМПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОДИНАМИКИ
ПОТОКА В ПОЛНОМАСШТАБНОЙ МОДЕЛИ МИШЕНИ И УСЛОВИЙ
НЕЗАТЕКАНИЯ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В УСКОРИТЕЛЬ (НА ВОДЕ) 39
Общие положения 39
Описание модели устройства при испытаниях на I этапе 39
Описание экспериментального стенда (I этап) 42
Программа испытаний обеих конструкций моделей (I этап) 42 ч-r р
г —^тч
2.9 Методика проведения испытаний на прозрачной модели (II этап) с
установленными цилиндрическими обтекателями при угле ребер закрутки 0
(без закрутки потока) 81
2.10 Обсуждение оезультатов испытаний Ш этап). Влияние оежимных и
3.8 Обсуждение результатов 136
Исследование эжекционных характеристик проточной части модели мишени 137
Исследование профиля свободной поверхности ТЖМТ в полости модели мишени 141
3.11 Выводы к главе 3 147
ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛНОМАШТАБНОИ
ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ МОДЕЛИ ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКОИ МИШЕНИ НА
ЭВТЕКТИЧЕСКОМ СПЛАВЕ СВИНЕЦ-ВИСМУТ 149
Общие положения 149
Описание экспериментального стенда ФТ-1МУУС-2 151
Описание конструкции модели жидкометаллическои мишени 156
Программа-методика проведения испытаний 164
Обсуждение результатов 172
Заключение к главе 4 176 ГЛАВА 5 ИССЛЕДОВАНИЕ МАССОПЕРЕНОСА И ОТЛОЖЕНИЙ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В ПОЛОСТИ ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКОИ МИШЕНИ 177
5.1 Расчетные исследования процесса массопереноса ТЖМТ в полости
жидкометаллическои мишени 177
5.2 Экспериментальные исследования процесса массопереноса 180
5.2.1 Массоперенос при испытаниях жидкометаллическои мишени 180
5.2.2 Исследование массопереноса свинца при рабочих температурах
жидкометаллическои мишени 184
Исследование при температуре свинца 1500 С и давлении газа 1,0 кгс/см (ата) 191
Исследование при температуре свинца 1300 С; давлении 1,0 кгс/см (ата) и вакууме 2-10-3 кгс/см (ата) 195
5.2.5 Исследование процесса уноса газовым потоком частиц свинца,
образующихся при барботаже, в момент разрыва пузырей на свободной
поверхности 201
5
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 209
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 211
Перечень сокращений, условных обозначений
ЖМТ - жидкометаллическии теплоноситель
ТЖМТ - тяжелый жидкометаллическии теплоноситель
ЯЭУ - ядерная энергетическая установка
КПД - коэффициент полезного действия
КИП - контрольно-измерительные приборы
УУС - ускорительно-управляемая система
ЭУ - экспериментальный участок
ЭВМ - электронно-вычислительная машина
ТХКП - термопара хромель-капель поверхностная
ЕЦ - естественная циркуляция
ДМ - дифманометр
М - манометр
MB - мановакууметр
м. ст. ж. - метров столба жидкости
ср - угол закрутки потока,
V - скорость потока, м/сек
/ - длина, м
а - угол наклона ребер в кольцевом зазоре к оси потока
v - коэффициент кинематической вязкости, м /сек
d3Ke. - эквивалентный диаметр, м
q - локальная плотность теплового потока, Вт/м
Pr=v/a - критерий Прандтля
Re=wd/v - критерий Рейнольдса
?Q=RePr = wd/a - критерий Пекле
Nu=ad/X - критерий Нуссельта
Остальные обозначения поясняются в тексте.
Введение к работе
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 (p,N п) 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
і 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
8 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 300-350С) 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.
10 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 жидкометаллическои мишени;
на полномасштабных моделях жидкометаллических мишеней на эвтектическом сплаве свинец-висмут в условиях рабочих температур, скоростей и давлений, с расходами до 80,0x10 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 жидкометаллическои 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).
12 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.
13 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 жидкометаллическои мишени в полость ускорителя заряженных частиц. Автором лично разработан экспериментальный участок, проведена доработка экспериментального жидкометаллического стенда, программа -методика испытаний и проведены испытания полномасштабной жидкометаллическои 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 жидкометаллическои мишени с горизонтальным размещением ее оси на эвтектическом сплаве свинец-висмут, проведена обработка результатов исследований.
14 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
А.В., 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.
