Введение к работе
Актуальность темы
Одним из направлений развития мировой ядерной энергетики является использование жидкометаллических систем в качестве теплоносителей для ядерных энергетических установок, развитие и безопасная эксплуатация которых неразрывно сочетается с разработкой и использованием совершенных систем контроля и средств их диагностики. Важным компонентом таких систем являются приборы контроля состояния теплоносителя, от быстродействия и надежности которых во многом зависит правильный выбор технологического регламента и обоснованность действия персонала, особенно в нештатных ситуациях. Изучение поведения теплоносителя необходимо и при отработке перспективных конструкций и элементов будущих ядерных энергетических установок. Применение ультразвуковых приборов и устройств для диагностики процессов в жидкометаллическом теплоносителе является технически обоснованным. Проведенные ранее исследования различных авторов подтверждают перспективность работ в этом направлении.
В настоящее время выполнены эксперименты с использованием акустической техники, направленные на решение ряда задач. В частности, это обнаружение вскипания натриевого теплоносителя, регистрация течи в теплообменниках натрий-вода, обнаружение посторонних предметов в теплоносителе над активной зоной реактора, измерение уровня и расхода жидкометаллического теплоносителя в трубопроводах. Вместе с тем, практическое применение акустических систем при эксплуатации ядерных энергетических установок для контроля процессов в жидкометаллическом теплоносителе фактически отсутствует. Основными причинами, препятствующими их использование в ядерной энергетике, являются, во-первых, недостаточная стойкость погружных датчиков, подвергающихся воздействию высокой температуры и радиации (при этом их стоимость весьма значительна), во-вторых, проблема акустического контакта поверхности датчика с расплавом,
и, наконец, в-третьих, низкий уровень используемой электроники для детектирования и генерации акустических сигналов.
Настоящая работа посвящена исследованиям, направленным на совершенствование и разработку новых ультразвуковых датчиков для контроля и диагностики жидкометаллических теплоносителей.
Цель работы
Главной целью работы является разработка и исследование волноводных ультразвуковых датчиков для контроля жидкометаллических теплоносителей.
Для достижения этой главной цели в диссертации решаются следующие задачи:
исследование распространения ультразвуковых волн в материалах, потенциально пригодных для использования в конструкции волновода, в диапазоне температур от 20 до 1000С;
исследование особенностей передачи ультразвуковых колебаний через приграничную область: материал волновода - тяжелый жидкометаллический теплоноситель;
поиск технологических приемов, направленных на обеспечение акустического контакта волновода с контролируемой жидкометаллической средой;
разработка конструкций волноводных ультразвуковых датчиков для контроля движения жидкометаллического теплоносителя и их экспериментальное исследование.
На защиту выносятся следующие основные положения:
физические основы волноводных линий связи датчиков для распространения продольных и сдвиговых волн;
конструкции и основные характеристики волноводных ультразвуковых датчиков для контроля и диагностики жидкометаллического теплоносителя, использующие волноводы продольных и сдвиговых волн, способные работать на частотах до 6МГц;
результаты экспериментальных исследований распространения ультразвуковых волн в материалах, потенциально пригодных для использования в конструкции волновода, в диапазоне температур от 20 до 1000С;
результаты экспериментальных исследований приграничной области конструкционный материал - тяжелый жидкометаллическии теплоноситель при различных состояниях системы с помощью ультразвука различной частоты;
результаты применения волноводных ультразвуковых датчиков в системах измерения скорости движения жидкого натрия и эвтектики свинец-висмут по трубопроводам, а также в ряде локальных экспериментов по отработке контрольного оборудования.
Научная новизна
Научная новизна работы заключается в следующем:
впервые разработаны волноводные ультразвуковые датчики для контроля и диагностики жидкометаллического теплоносителя, использующие волноводы продольных и сдвиговых волн;
выполнены экспериментальные исследования затухания ультразвука в материалах для волновода в диапазоне температур от 20 до 1000С;
выполнены экспериментальные исследования приграничной области конструкционный материал - тяжелый жидкометаллическии теплоноситель при различных состояниях системы с помощью ультразвука различной частоты;
найдены технологические приемы, обеспечивающие акустический контакт волновода с контролируемой жидкометаллической средой;
впервые при помощи разработанных волноводных датчиков выполнены измерения профиля скорости эвтектики свинец-висмут и натрия на циркуляционных стендах в различных температурных диапазонах;
выполнены тестовые измерения профиля скорости различных жидкометаллических сред при температурах свыше 1000С.
Практическая ценность
Разработаны новые волноводные ультразвуковые датчики для контроля и
диагностики жидкометаллических теплоносителей. Получены
экспериментальные зависимости коэффициента затухания продольных волн от температуры (в диапазоне температур от 20 до 1000С) для различных конструкционных материалов. Результаты проведенных исследований зоны контакта конструкционный материал - тяжелый жидкометаллический теплоноситель (свинец, эвтектика свинец-висмут) позволяют обосновать причины затухания ультразвука в приграничной области. Разработана технология подготовки поверхности волновода, с целью обеспечения акустического контакта его с жидкометаллической средой. Подтверждена возможность применения волноводных датчиков для контроля процессов в ряде теплоносителей: натрии, эвтектике свинец-висмут и различных жидкометаллических средах.
Публикации
Основные научные результаты опубликованы в одиннадцати печатных работах.
Апробация полученных результатов
Основные результаты работы были представлены на I и II региональном молодежном научно-техническом форуме (Н.Новгород, 2002-2003г), на девятой ежегодной молодежной научно-практической конференции ядерного общества России (Н.Новгород, 2004г), на VIII, IX и X сессии молодых ученых (Н.Новгород, 2003-2006г), на IV международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки» (Н.Новгород, 2005г), на III Курчатовской молодежной научной школе (Москва, 2005г), на научных семинарах департамента магнитной гидродинамики научно-исследовательского центра Розендорф (г.Дрезден, Германия, 2003-2005г) и на научных семинарах кафедры "Ядерные реакторы и энергетические установки".
Личный вклад автора
Исследования, результаты которых представлены в настоящей работе, проводились непосредственно автором с использованием оборудования и экспериментальных установок НГТУ кафедр "ЯР и ЭУ", "АТС и МИ", а также в департаменте магнитогидродинамики научно-исследовательского центра
Розендорф (г.Дрезден, Германия). Автор принимал участие на всех этапах подготовки, проведения исследований, обработки и обсуждения результатов.
Автор выражает глубокую признательность д.т.н., профессору В.И. Мельникову осуществлявшему научное руководство этой работой и предоставившему автору все условия для научной деятельности. Автор благодарит д.т.н., профессора А.В. Безносова, к.т.н. Дунцева А.В., к.т.н. Хохлова В.Н., к.т.н. Иванова В.В., доктора Г.Гунтера и доктора С.Экерта принявших участие в обсуждении полученных результатов и помогавшими полезными советами.
Объем и структура работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка использованной литературы. Объем работы составляет 155 текстовых страниц, 109 рисунка, 7 таблиц, список литературы из 92 наименований.
