Введение к работе
:--'ьт J к |В- диссертации обобщены работы автора, выполненные в 1977-1990 ~ггГ' в области концептуальных разработок жидкометаллических систем термоядерного реактора-токэмэка и экспериментальных исследований возмшсакяшх при этом принципиальных вопросов. Актуальность проблемы
Создание термоядерного реактора (ТЯР) является одио!1 из общепризнанных важнейших задач научно-технического прогресса в области энергетики. Жидкие металлы (Жп), благодаря их хорошим теплофиэи-ческим свойствам, низкому давлению пэров и радиационной стойкости, представляются, как и в реакторах деления, перспективными средами для термоядерных реакторов. Привлекают возможности достижения хороших нейтронно-фиэических характеристик бланкета, получения высокопотенциалыгого тепла для системы преобразования энаргии при низком давлении, реализации высокоэффективных схем наиболее энер-гонэпряженных компонентов реактора, т.е. в конечном итоге - обеспечения привлекательных технико-экономических показателей при высоком уровне надежности и безопасности. Однако к обычным проблемам, возникающим при использовании ЖМ (совместимость -с конструкционными материалами и окружающей средой) в данном случае добавляется существенно новая - МГД проблема прокачки ЖМ в сильном магнитном поле и связанные с иеИ проблемы воздействия магнитного поля на процессы теплообмена, коррозии и т.п. Решение этих проблем в сочетании с прочими находится пока лиш. в начальной стадии научно-исследовательских работ, что определяет острую необходимость и актуальность поиска новых решений, творческого подхода и притом системного, с охватом широкого круга взаимосвязанных вопросов. Совокупность работ, представляемых настоящей диссертацией, как раз и появилась в соответствии с указанной необходимостью.
Цели и задачи
Цель работы - исследовать возможности использования ЖМ в различных системах реактора-токамака и найти эффективные технические решения для этого использования или усовершенствовать существующие. Указанная общая цель разделяется на две составляющие: использование ЖМ в блапкете ТЯР и в системе контроля примесей плазмы и зашиты первой стенки (на границе плазма-стенка).
Достижение этих целей связано с решением следующих задач.
1. Анализ условий работы и разработка требований к ЖМ системам и их компонентам.
2. Поиск новых технических решения и их принципиальное
Теоретическое обоснование путем создания и исследования упрощенных
математических моделей.
-
Разработка более детальных моделей для концептуального ра-счетно-теоретического исследования ЖМ систем, в том числе их влияния на характеристики реактора в целом (системный анализ), включая создание программ для расчетов на ЭВМ.
-
Разработка требований, расчетное обоснование и проведение принципиальных экспериментов по проверке концепций ЖМ систем ТЯР и к:: основных компонентов, в первую очередь на МГД стендах.
5. Реализация комплексных экспериментов на установках типа
токамак.
Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту
Автор выносит на защиту следующие результаты концептуальных разработок, обладающие научной новизной, т.о. содержащие новые принципиальные решения либо существенные усовершенствования известных, а также описывающие их модели как инструменты для исследования ожидаемых инженерных характеристик проектируемых систем.
Предложена концепция оланкета ТЯР с электроизолированными стенками ЖМ тракта охлаждения, ориентированная на использование свинца или эвтектики свинец-висмут, которые принципиально совместимы с оксидными пленками на конструкционных сталях, что позволяет карательным образом решить проблему прокачки ЖМ в сильном магнитном поле; предложена концепция кассеты со стержневыми твэпами для урановой зорч гибридного оланкета, с полоидальным течением ХМ в щелевых подканалах между рядами стержней, так что длинная сторона шели направлена вдоль магнитного поля, что позволяет существенно снизить МГД-сопротивление.
Предложена концепция трубчатого оланкета с ЖМ теплоносителей типа свинца/свинца-висыута и электроизолирующими покрытиями, в которой весь тракт охлаждения выполнен в виде наоора непрерывных трубок от входа до выхода из магнитного попя, что позволяет исключить МГД потери давления, связанные с неодпородностями течения, стыками, коллекторами и т.п., устранить необходимость экспериментов на сложных моделях и неопределенность расчетных характеристик натурных конструкции.
Разработаны требования к электроизолирующим покрытиям для бланкета с ЖМ теплоносителем типа свипца/свинца-висмута и показана возможность решения первоочередной задачи создания экспериментального модуля реактора типа ИТЭР/ОТР при уровне электросопротивле-
ния, изнереннон на обычных антикоррозионнщ пленках, получаемых по существующей технологии.
Разработана модель трубчатого бланкета с ЖМ охлаждением для инженерного расчета его основных характеристик, реализованная в виде программы для ЭВМ и совместимая с программно-вычислительным комплексом для системного анализа реакторов-токамакос
Предложен способ профилирования трубопроводов ХМ на участках неоднородного магнитного поля (например, вход-выход), теоретически обоснована возможность снижения потерь давления в этих условиях.
Для системы контроля примесей плазмы и защити первой стенки па основании анализа условий роботы в ТЯР предложено использовать наряду с традиционно рассматриваемым литием новую перспективную рабочую среду - галлии.
Предложена концепция ЖМ капельной диафрагмы и приемного устройства дивертора; теоретически и экспериментально на ИГД моделях обосновано слабое взаимодействие капель с магнитным полем реактора; разработана расчетная модель и получены критериальные зависимости для инженерных расчетов теплоотвода при взаимодействии плаз-чы с потоком капель; в комплексном демонстрационном эксперименте с капельной диафрагмой на сплаве галлий-индий-олово на токомаке Т-ЗМ тодтвервденл ее работоспособность и принципиальная совместимость тотока ЖМ с плазмой токамака; созданы комплексная расчетная модель і программа для ЭВМ, позволяющие производить инженерный расчет и штимизаиию параметров капельной системы энергоотвода от плазмы шя экспериментальных и энергетических реакторов-токамакоз.
Предложена концепция рельсовой КМ пленочной диафрагмы с тё'чё-іием ЖМ на рабочей поверхности в квазилролольном магнитном поле; в ксперимептах с НТД моделями продемонстрирована возможность полу-енин однородного высокоскоростного пленочного течения па рабочем частко.
Развита известная ранее концепция пленочного ЖМ приемного ус-роИства полоидалыюго диьертора в части получения высокоскорост-ого пленочного течения в кваэикомпланарном магнитном поле; из МГД эдеиях экспериментально подтверждена возможность организации од-зролного BucoKocKopocTiioi'o течения; предложена концепция пленоч-эго приемного устройства с иптенсификацииИ тепломассообмена попэ-ж пленки путем создания устойчивых в магнитном поло турбулентных іхриИ, ориентированных вдоль поля.
Разработана обобщенная гидравлическия модель пленочных НГД ічеішИ и условиях реактора-токамака и программа для ЭВМ, поэво-
ляюшая проводить инженерные гидравлические расчеты рабочих участков пленочных диафрагм и приемных устройств дивертора. Личный вклад автора
Все указанные вше новые принципиальные предложения сделаны лично автором. Некоторые предложения в развитие исходных концепций были ьиесены в соавторстве. При проведении экспериментов в снежных организациях автором определялись технические требования па стадии разработки технических задании и при его участии - программа исследовании, анализ и интерпретация результатов.
Практическая полезность
Разработанные концепции олэшюга с ЖН бестрнтиевим теплоносителем типа свинца/свипца-висмута дают основу для создания блаикета энергетического ТЯР с высокой надежностью и сравнительно небольшими воздействиями в пределах реакторного зала в аварийных ситуациях. Реализация труочатоИ конструкции оланкета обеспечит единою линию развития как гибридных, так и "чистых" его вариантов и существенно упростит их экспериментальную отраоошу.
Разработанные концепции ЖМ систем контроля принесен плазмы и защиты первой степки открывают путь к созданию высокоэффективных и надежных устройств, относящихся к наиболее эиергонопрнжемиим компонентам термоядерного реактора-токамака. Использование высокоскоростных потоков ЖН, взаимодействующих с плазмой токамака, позволит в конечном итоге обеспечить отвод значительных тепловых мощностей (-100 МВт) при плотностях теплового потока ло 10-30 МВт/м2 и с пиковыми нагрузками до 100-300 НЗт/м2, с одновременной откачкой дейтерия, трития, гелия и различных примесей, включая продукты эрозии первой стенки. При этом полностью устраняются критические факторы, ограничивающие срок слуюы ооычиых приемных устройств, - термические и ібрмошшшческие напряжения и эрозия. В перспективе возможно также создание онер! е/ического рь-акгора-гашыака с ОездиверторноП конфигурацией - на базе системы ЖМ откачивающих диафрагм.
Использование всего комплекса предложенных концепции КМ систем в реакторо токамаке обеспечивает в конечном итоге реальную основу для иоььшения в целом его эиергомапряюнпости, уменьшения габарита и дос тления привлекательных технико-экономических поісаза-телеіі при высоком уровне надежности и безопасности.
Реализация результатов работы
Концепция оланкь і а с ЖМ іешюноеиголем на основе свинца дала толчок к развиты НИР по вопросам, связанным с созданием электрон-ч
золируюших пленок на стенках тракта ЖН и прокачкой ЖМ в магнитном поле через характерные элементы блапкета: УШИ, ФЭП, ГПІ1, Ш ЛИ Латв.ССР, ЦНИИ Прометей; выполнены исследования электросопротивления оксидных пленок, получаемых по существующей технологии, и ряд принципиальных демонстрационных экспериментов с прокачкой Ш через элементы тракта с. изолирующими пленками, подтверждающих реальность такого направления. В проекте ОТР была принята к разработке одна из двух экспериментальных энергетических секций блапкета с теплоносителем свинец-висмут, результаты этой совместной работы НШЭФЛ им. Д.В.Ефремова, 11АЭ, Ю1КИЭТ, НПО ЦКТИ, ЦІМ Прометей, ГПИ представлены в материалах эскизного и первого этапа технического проекта. В Ш1К11ЭТ начата разработка экспериментального модуля трубчатого блапкета для испытаний на реакторе ИТЭР.
Предложенные концепции устройств со свободной поверхностью ЖМ используются в научно-исследовательской тематике по магнитной гидродинамике в 1!Ф АН Лэтв.ССР (движение и деформация капель в неоднородном магнитном поле), в ЛПИ, НПО ЦКТИ и ЭШ1Н (пленочные НГД-течения и их устойчивость); в ИИИЭФА, ИАЭ, НПО Энергия, ИЭД АН УССР, Ш> АН Латв.ССР развернуты ОКР по созданию экспериментальных образцов ЖМ диафрагм для токамака Т-ЗМ, впервые в технологии УТС испытана капельная диафрагма, изготовлена рельсовая пленочная диафрагма; ведутся проектные работы по ЖМ диверторной системе для международного реактора ИТЭР.
Экономическая эффективность
Разработанные концепции ЖМ систем ориентированы на использование преимуществ новых для технологии УТС ЖМ - свинца (свинца-висмута) и галлия, по которым СССР имеет уникальный опыт и технологическую базу, что ставит его в лидирующее положение по отношению к другим странам. Это имеет важное экономическое значение в широком международном сотрудничестве, которое развивается в области УТС.
Апробация
Материалы диссертации доісладивались на 2-й, 3-й и 4-й Всесоюзных конференциях по ИПТЯР (1981, 84, 88 гг.), 10-м, 11-м, 12-м и 13-м Всесоюзных Рижских совещаниях по МГД (1981, 84, 87, 90 гг.), Советско-Американском совещании по технико-экономическим проблемам энергетических ТЯР (1979г.), Советско-Американском семинаре "Синтез-деление" (1985г.), Совещании МАГАТЭ по технологии ТЯР (Ялта, 1986г.), Советско-Американских совещаниях по проблемам жидкометал-
лических сланкетов (Ленинград, 1968г., Аргонн, 1989г.), по экономике и безопасности термоядерной энергетики (Москва, 1990), совещании экспертов ИТЭР по альтернативным концепциям дивертора (Гар-хинг, 1990), представлялись на совещании экспертов МАГАТЭ по инновационным концепциям для токамаков (Вена, 1986г.). на Международном симпозиуме по ядерной технологии ТЯР (Токио, 1988г.), а также неоднократно обсуждались на семинарах и совещаниях 0Ш1 ИАЭ, в ННИЭФА, НШ1ЭТ, НЛО Энергия, ДЛИ, ИФ АН Латв.ССР, ФЭП, НПО ЦКТИ, использовались автором в лекциях по курсу "Теплофизические проблемы и проектирование ТЯР" в МЭИ. Структура и ооьем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Объем раооты - текстовых страниц, 40 рисунков, список литературы из 246 наименований.
