Исследование параметров теплосъема в тепловоспринимающих элементах инжекционных систем термоядерных установок Наумов, Владимир Константинович

Введение к работе

іктуальность проблемы.

К настоящему времени достигнуты значительные успехи в решении роблемы Управляемого Термоядерного Синтеза (УТС), как в физических редставленнях о свойствах рабочей среды -высокотемпературной плазмы, ак и в разработке и создании инженерных средств практической реализации казанной проблемы. При проектировании термоядерных установок, как равнло, возникает необходимость отвода высоконнтенснвных тепловых отоков от элементов конструкции, непосредственно нагреваемых орпускулярным пучком плазмы большой энергии (~100 МВт). Достигаемые рн этом тепловые потоки весьма велики н составляют 10-100 МВт/м². В астностн, подобная проблема является основной при разработке аботоспособной конструкции приёмника пучков в системе ннжекцнонного агрева плазмы, предназначенной для компенсации потерн энергии в ермоядерной плазме с целью поддержки устойчивой реакции синтеза, [рнбмннки пучков являются диагностическим инструментом определения едачнны дополнительной энергии, вводимой в термоядерную плазму, а экже пространственно-временного распределения теплового потока в еченнн инжектируемого пучка нейтральных атомов. В настоящее время /шествуют работоспособные конструкции приёмников нейтральных атомов нонов, используемых для исследования проблем УТС в ведущих научных абораторнях США, Англии, Японии, России. Как показал анализ научных убликацнй, при проектировании приёмников пучков используются азлнчные расчбтно-теоретнческие подходы определения конструктивных араметров теплосьемных элементов, их термогидравлнческнх н грмопрочносгных характеристик с непосредственной привязкой к решению онкретной практической задачи. Наблюдающаяся тенденция к возрастанию іергии воспринимаемых пучков при соответствующем увеличении эспрннимаемых тепловых потоков приводит, как показала накопленная к астоящему временит практика, к сужению в возможном выборе типов рименяемых теплосьемных элементов, оптимально удовлетворяющих эчетанню необходимой термостойкости конструкционного материала и нннмнзацнн параметров теплоотвода. Указанная тенденция открывает ерспектнвы разработки единого расчётно-теорегаческого метода сследовання процессов теплосьёма в обобщённой модели гплонапряженных элементов, наборы которых позволяют создать одноразмерную конструкцию приёмника пучков. Таким образом, реализация томянутой перспекгавы становится в настоящее время актуальной для звершенствовання методов проектирования высоко теплонапряжённых істем.

Цель работы.

1. Анализ накопленного к настоящему времени мирового опыта по создании средств отвода энергии мощных корпускулярных пучков, характерных дл УТС, как в части конструктивных решений, так н в области эксперимента льньге исследований процессов теплообмена в тепловоспрнннмающн: элементах приёмников.

2. Анализ методов интенсификации теплосьёма и выявление нанболеї перспективного класса теплосъёмных элементов. Анализ процессої теплообмена теплоносителя со стенками трубки, содержащей скрученнук ленту,

3. Выбор и построение расчётно-теоретнческой модели тепловоспрннн мающей трубки со скрученной лентой при одностороннел нестационарном нагреве направленным высоконнтенсивным пучкол частиц с привлечением экспериментальных корреляций для параметрої реального теплообмена с целью получения распределений тепловьс потоков и температурных полей в конструкционном материале и і вынужденном потоке теплоносителя.

4. Формулировка и решение задачи выявления в конструкционном материал» распределения компонентов тензора термоупругих напряжений пс полученным из термогндравлического анализа температурным полям < оценкой максимально допустимого числа циклов термически: нагруженнй при воздействии импульсных тепловых потоков пучка.

5. Экспериментальная коррекция предложенной численной модели № основе проведённых автором экспериментальных исследование теплообмена на фрагментах полноразмерной тепловоспрнннмающе? трубки приёмника пучков системы ннжекцнн токамака Т-15 и привлеченш результатов исследований теплообмена на фрагментах трубок днвертора проектируемого в настоящее время международным содружеством демонстрационного термоядерного реактора ITER.

6. Иллюстрация разработанного автором расчётно-теоретнческого методі адиабатических сеченнй на примере расчёта термогндравлнческнх ь термопрочностных характеристик наиболее теплонапряжённых трубо* приёмника ионов токамака Т-15 при импульсном нагреве ннжектнруемьл пучком н стационарном нагреве трубок приёмника атомов -калориметр! модуля ннжекцнн ITER.

Научная новизна и основные результаты.

1. Разработана обобщённая численная модель расчёта термогндравлическю и термопрочностных параметров при асимметричном нагреве внешни* нестационарным тепловым потоком пучка частиц теплосъёмных трубок с сечениями в виде кругового кольца и прямоугольника с центральный отверстием, содержащими интенснфнкатор теплообмена -скрученнук ленту.

Показано, что разработанный метод адиабатических сечений применим при больших плотностях внешнего теплового потока с высокоинтенснвным теплоогводом.

На основании экспериментальных данных, полученных на стенде FE-200 EURATOM СЕА, произведена коррекция модели метода адиабатических сечений, связанная с выбором корреляций для коэффициента теплообмена при вынужденной конвекции в потоке теплоносителя без фазовых переходов н прн поверхностном кнпенни. , Представлены результаты экспериментальных исследований процесса теплообмена на фрагментах трубок со вставленной скрученной лентой, облучаемых направленным электронным пучком на специализированном теплофизнческом стенде, подтверждающие скорректированную модель адиабатических сечений.

. Сравнение корреляции TONG-75 для критических тепловых потоков в трубках прямоугольного сечения со вставленной скрученной лентой, полученной на теплофизнческом стенде FE-200 EURATOM СЕА, с теоретико-экспериментальной корреляцией, основанной на модели В.В. ЯГОВА, показало высокую надёжность прогнозирования последней, принятой за основу прн расчетной оценке критических тепловых потоков.

'. Представлены результаты термогндравлнческнх и термопрочностных расчетов по скорректированному методу адиабатических сечений тепловоспрнннмающнх трубок приёмника импульсных ионных пучков токамака Т-15 (ИЯС РНЦ «Курчатовский институт») н стационарного нагрева трубок калориметра системы инжекции проектируемого демонстрационного термоядерного реактора ITER.

[рвктическая ценность и апробация работы.

. На основании разработанного автором метода адиабзтнческнх сечений произведена оптимизация параметров охлаждения тепловоспринимающих трубок, содержащих скрученную ленту, для приёмников пучков нейтральных атомов и ионов импульсной системы инжекции на промышленном прототипе инжектора - ннжекцнонном стенде «ИРЕК» н штатных модулей ннжекцин токамака Т-15.

. Метод адиабатических сечений н разработанный автором на его основе АЗС-код были официально приняты Международной рабочей группой по проектированию компонент инжекцнонных модулей - калориметра и приёмника отклоненных нонов демонстрационного термоядерного реактора ITER в качестве основного инструмента по определению их термогндравлнческнх и термопрочностных параметров. Результаты соответствующих расчётов содержатся в официальной технической документации проекта ITER, і. Основные положения диссертации докладывались на VI Всероссийской Конференции по Инженерным Проблемам Термоядерных Реакторов

(ИПТР) в г. Санкт-Петербурге 27-29 мая 1997 г.[9].

Публикации. Основные материалы диссертации изложены в 12 публикациях. Структура и объЗм работы, Диссертация состоит из шести глав, включая Введение и Выводы, содержащихся на 191 страницах, 8 таблицах, 87 рисунках. Список использованной литературы включает 56 наименований. Общий объём диссертации 203 страниц.