Введение к работе
Актуальность темы
Одной из ключевых научно технических проблем при создании реакторов деления тяжёлых ядер на быстрых нейтронах является обоснование выбора теплоносителя. Одним из оптимальных вариантов теплоносителя являются тяжёлые жидкометаллические теплоносители (ТЖМТ), такие как свинец, эвтектика свинец-висмут. Наша страна обладает значительным опытом разработки и эксплуатации установок с ТЖМТ (бортовые установки подводных лодок проектов 645, 705 и 705К), а также ведёт работы по созданию реакторных установок БРЕСТ и СВБР со свинцовым и свинец-висмутовым теплоносителями соответственно. При создании термоядерного реактора (ТЯР) встаёт аналогичная проблема выбора типа теплоносителя для бланкета и дивертора. Традиционным теплоносителем для систем теплоотвода бланкета токамака рассматривается литий. Тяжелые жидкие металлы (свинец, галлий, эвтектики свинец-висмут и свинец-литий) могут рассматриваться как перспективные теплоносители для систем теплоотвода указанных элементов ТЯР, в первую очередь по соображениям безопасности.
Течение теплоносителя в системах теплоотвода ТЯР происходит в мощном магнитном поле, необходимом для удержания плазмы. В случае применения жидкометаллических теплоносителей наличие мапштного поля приводит к значительному изменению характеристик теплообмена между потоком жидкого металла (ЖМ) и теплообмениой поверхностью и гидравлического сопротивления каналов теплообменного оборудования.
Основным способом снижения влияния магнитного поля на поток жидкого металла является формирование электроизолирующих покрытий (ЗИП) на поверхностях, ограничивающих поток жидкого металла, обладающих высоким электрическим сопротивлением. В системах теплообмена с тяжёлыми жидкометаллическими теплоносителями роль ЗИП выполняют оксидные покрытия на стенках каналов, формируемые путём обработки теплоносителя
кислородом. Снижение гидравлического сопротивления потока ТЖМТ, путём формирования оксидных плёнок, электроизолирующих стенки от потока ТЖМТ, и улучшения их характеристик приводит к монотонному ухудшению характеристик теплообмена вследствие увеличения термического сопротивления пристенной области, создаваемого оксидными пленками. Таким образом, содержание кислорода в теплоносителе и характеристики ЭИП, определяемые этим содержанием, являются ключевыми параметрами, влияющими на процесс теплообмена, гидродинамику и коррозионную стойкость материалов при течении ТЖМТ в магнитном поле.
В настоящее время отсутствуют экспериментальные работы, в которых характеристики теплообмена и МГД-сопротивление исследуются одновременно, а также расчётные зависимости характеристик теплообмена и гидравлического сопротивления, учитывающие содержание примеси кислорода в теплоносителе и соответствующее ему состояние оксидных ЭИП, необходимые для проектирования теплообменного оборудования с ТЖМТ, работающего в мощном магнитном поле.
Разработка (уточнение) расчётных методик, расчётных формул теплообмена и гидравлического сопротивления каналов в системах с ТЖМТ, работающих в магнитном поле при контролируемых и регулируемых содержании кислорода и характеристиках оксидных ЭИП, и определение содержания кислорода в ТЖМТ, оптимальное при совместном учёте гидродинамики и теплообмена в этих условиях являются актуальными для выбора и разработки концепций систем теплоотвода ТЯР типа токамак. Цель работы
Целью настоящей работы является разработка рекомендаций по обоснованным инженерным расчётным формулам теплообмена и полного гидравлического сопротивления при течении свинец-висмутового теплоносителя в поперечном магнитном поле во всём диапазоне содержания примеси кислорода, возможного при эксплуатации, и определение
оптимального содержания примеси кислорода в эвтектике, при котором происходит наиболее эффективное снижение МГД-сопротивления при минимально возможном ухудшении теплообмена. Задачи работы:
- проведение анализа материалов накопленных к настоящему моменту в исследуемой области;
-разработка и создание высокотемпературного тепяофизического стенда со свинец-висмутовым теплоносителем с температурой 380...600 С и экспериментальным участком в мощном (до 1,0 Тл) поперечном магнитном поле;
-проведение экспериментального исследования по обоснованию выбора оптимального типа датчиков температур для измерения температур в высокотемпературном (380...600 С) потоке ТЖМТ и стенках каналов в поперечном магнитном поле;
-проведение комплекса экспериментальных работ по одновременному исследованию характеристик теплообмена и гидравлического сопротивления при течении эвтектики свинец-висмут в канале круглого сечения в поперечном магнитном поле при контролируемых и регулируемых характеристиках ЭИП и варьируемом содержании кислорода в теплоносителе;
-проведение экспериментального исследования осевой составляющей полей локальных скоростей при течении высокотемпературной эвтектики свинец-висмут в канале круглого сечения в поперечном магнитном поле при контролируемых и регулируемых характеристиках ЭИП и содержании кислорода в теплоносителе;
-разработка рекомендаций по формулам для инженерных расчётов теплообмена и гидравлического сопротивления при течении эвтектики свинец-висмут в поперечном магнитном поле в канале круглого сечения на основе проведённых исследований для различных состояний ЭИП и содержания кислорода в теплоносителе.
На защиту выносятся следующие положения:
-Методология одновременного экспериментального исследования теплообмена и МГД-сопротивления и исследования полей скоростей при течении ТЖМТ в поперечном магнитном поле при контролируемых и целенаправленно изменяемых характеристиках ЗИП и содержании кислорода в теплоносителе;
-Результаты исследования влияния магнитного поля на высокотемпературные характеристики термопар и обоснование применения термопар типа ХК для измерения температур в потоке высокотемпературного ТЖМТ в поперечном магнитном поле;
-Массив экспериментальных данных исследования характеристик теплообмена при течении эвтектики свинец-висмут в канале круглого сечения в поперечном магнитном поле, полученных применительно к условиям систем теплоотвода бланкета ТЯР при следующих режимных параметрах: температура эвтектики свинец-висмут 480.. .520 С; термодинамическая активность кислорода в теплоносителе (ТДАК) 10"5...10 (включая режим с насыщением кислородом теплоносителя и образованием отложений оксидов теплоносителя); тепловой поток q=20...25 кВт/м2 магнитная индукция поперечного магнитного поля В=0...0,85 Тл; числах Пекле 320...4600; числах Рейнольдса (0,2...3,5)-105 числах Гартмана 0.. .500;
-Массив экспериментальных данных исследования МГД-сопротивления при течении эвтектики свинец-висмут в канале круглого сечения в поперечном магнитном поле, полученные применительно к условиям систем теплоотвода ТЯР при следующих режимных параметрах: температура эвтектики свинец-висмут 480...520 С; ТДАК в теплоносителе 10"5...10 (включая режим с насыщением кислородом теплоносителя и образованием отложений оксидов теплоносителя); числах Рейнольдса (0,2.. .3,5)-105; числах Гартмана 0.. .500;
-Массив экспериментальных данных исследования профиля скорости в потоке эвтектике свинец-висмут в канале круглого сечения в поперечном
магнитном поле при следующих режимных параметрах: температуре эвтектики свинец-висмут 400...420 С; ТДАК в теплоносителе 3=10-4... 10; средне-расходной скорости теплоносителя в экспериментальном участке w=l,0...1,7 м/с; числах Рейнольдса (1,6...2,7)-105 и числе Гартмана 0...365;
-Результаты по совместному экспериментальному исследованию характеристик теплообмена и гидравлического сопротивления при течении эвтектики свинец висмут в канале круглого сечения в поперечном магнитном поле при контроле и регулировании содержания кислорода в теплоносителе и характеристик ЭИП;
-Рекомендации по компромиссному диапазону содержания кислорода в ТЖМТ, при котором достигается максимальное снижение МГД-сопротивления при наименьшем ухудшении теплообмена. Практическая значимость
Экспериментально полученные критериальные зависимости характеристик теплообмена и МГД-сопротивления при течении эвтектики свинец-висмут в поперечном магнитном поле в канале круглого сечения во всём диапазоне возможного содержания примеси кислорода в теплоносителе рекомендованы для расчёта поверхностей теплообмена и полного гидравлического сопротивления теплообменного оборудования и трубопроводов с ТЖМТ, работающих в поперечном магнитном поле. На основе полученных критериальных зависимостей предложен оптимальный (компромиссный) диапазон содержания примеси кислорода в теплоносителе, при котором снижение МГД-сопротивления достигается при минимально возможном ухудшении теплообмена.
Предложены и отработаны методики: 1) проведения совместных теплофизических исследований характеристик теплообмена и гидравлического сопротивления при течении ТЖМТ в поперечном магнитном поле при контроле и регулировании содержания примеси кислорода в теплоносителе, которая рекомендована для проведения аналогичных экспериментов со свинец-
висмутовым и другими тяжёлыми жидкими металлами, что повышает качество и представительность полученных результатов; 2) проведения исследования полей скоростей (осевой составляющей) в потоке высокотемпературного ТЖМТ в магнитном поле при контроле и регулировании примеси кислорода, которая рекомендована для проведения экспериментальных работ со свинец-висмутовым и другими тяжёлыми металлами, что даёт возможность исследовать распределение скоростей и давлений в каналах системы с ТЖМТ, в том числе и работающих в магнитном поле.
Личный вклад автора
Исследования, результаты которых приводятся в настоящей работе, проводились по оригинальным программам-методикам на экспериментальных установках и оборудовании предложенных и созданных на кафедре «Атомные, тепловые станции и медицинская инженерия» НГТУ автором лично или при его непосредственном участии. Автор принимал участие на всех этапах подготовки, проектирования, монтажа, отладки экспериментальных участков, оборудования и контура в целом, в проведении исследований, обработке и обсуждении результатов исследований.
Апробация работы
Результаты работы докладывались и обсуждались на международных и российских конференциях. Полученные результаты рекомендованы к использованию при разработке концепций систем теплоотвода ТЯР с тяжёлым жидкометаллическим теплоносителем.
Автором сделаны доклады по результатам работы на 3-6 Курчатовских молодёжных научных школах, г. Москва 2005-2008гг., на VI-VIII Международных молодежных научно-технических конференциях «Будущее технической науки», г. Нижний Новгород 2007-2009гг., на Межведомственном семинаре «Тепломассоперенос и свойства жидких металлов», г. Обнинск 2007г., на третьей межотраслевой конференции «Тяжёлые жидкометаллические теплоносители в ядерных технологиях (ТЖМТ - 2008), г. Обнинск, 2008г., на
17 International Conference on Nuclear Engineering (ICONE 17), г. Брюссель, 2009г.
Публикации
Основные результаты диссертации изложены в статьях в реферируемых журналах «Известия высших учебных заведений. Ядерная энергетика», «Вопросы атомной науки и техники. Серия термоядерный синтез», «Вопросы атомной науки и техники. Серия физика ядерных реакторов», «Атомная энергия», «Теплофизика и аэромеханика», в 16 докладах на российских и международных конференциях, в трёх зарегистрированных научно технических отчётах, в трёх патентах на изобретение и четырёх патентах на полезную модель.
Структура и объём диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и трёх приложений. Объём работы составляет 242 страницы, 157 рисунков, одной таблицы, список использованных источников из 77 наименований, в том числе 47 работ автора.
