автореферат диссертации по энергетике, 05.14.03, диссертация на тему:Теплообмен и гидродинамика тяжелых жидкометаллических теплоносителей в ядерных и термоядерных реакторах

У04607263

На правах рукописи

Савинов Сергей Юрьевич

ТЕПЛООБМЕН И ГИДРОДИНАМИКА ТЯЖЕЛЫХ ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ В ЯДЕРНЫХ И ТЕРМОЯДЕРНЫХ РЕАКТОРАХ

05.14.03 - Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород 2010

2 6 АВГ 2010

004607263

Работа выполнена на кафедре «Атомные, тепловые станции и медицинская инженерия» Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Безносов Александр Викторович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Свиридов Валентин Георгиевич; кандидат технических наук Шпанский Юрий Сергеевич

Ведущая организация - Учреждение Российской академии наук

Объединенный институт высоких температур РАН (ОИВТ РАН), г. Москва

Защита состоится 28 сентября 2010г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 520.009.06 при Российском научном центре «Курчатовский институт» по адресу 123182 г.Москва, пл. Академика Курчатова, д. 1, e-mail: rlp@www.kiae.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского научного центра «Курчатовский институт».

Автореферат разослан _2010г.

Учёный секретарь

диссертационного совета,

д.т.н., профессор

Мадеев В.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 магнитного 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 (ЭИП) на поверхностях, ограничивающих поток жидкого металла, обладающих высоким электрическим сопротивлением. В системах теплообмена с тяжёлыми жидкометаллическими теплоносителями роль ЭИП 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 а=104...10°; средне-расходной скорости теплоносителя в экспериментальном участке \у=1,0...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 У1-УШ 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.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, определяются цель и задачи исследования, приводится общая характеристика работы.

В первой главе проводится анализ и обосновывается возможность применения ТЖМТ и в частности эвтектики свинец-висмут в качестве теплоносителя систем теплоотвода (бланкет) ТЯР.

Рассматривается влияние магнитного поля на теплогидравлические характеристики контура с ТЖМТ и способы снижения влияния магнитного поля на поток теплоносителя. Проведённый анализ показывает, что наиболее эффективным способом снижения влияния магнитного поля является формирование оксидных ЭИП на стенках каналов.

Во второй главе рассматривается процесс теплообмена при течении ЖМ в магнитном поле, и приводятся результаты проведённых автором исследований, целью которых являлось определение характеристик теплообмена при течении свинец-висмутовой эвтектики в круглой, вертикально ориентированной трубе в поперечном магнитном поле при контроле и регулировании содержания примеси кислорода в контуре и теплоносителе.

Экспериментальные исследования проводились на экспериментальном стенде ФТ-1ТОМГД предназначенном для одновременного исследования характеристик теплообмена и МГД-сопротивления при течении эвтектики в поперечном магнитном поле при контролируемом и варьируемом содержании примеси кислорода в теплоносителе и контуре.

В состав экспериментального стенда ФТ -1 ТОМГД входил экспериментальный участок (ЭУ) выполненный из прямой трубы круглого сечения с внутренним диаметром с!вн=25 мм, толщиной стенки 5СТ=3,5 мм и длиной 1Эу=1800мм. Материал трубы - аустенитная сталь 08Х18Н10Т. Схема экспериментального участка представлена на рисунке 1.

ЭУ ориентирован вертикально в воздушном зазоре электромагнита. Теплоноситель в ЭУ течет снизу вверх. Протяженность экспериментального участка в зазоре электромагнита составляет 640 мм. Участок гидродинамической и тепловой стабилизации потока теплоносителя до входа в зазор электромагнита составляет 800 мм (32 калибра). В состав экспериментального участка входит термозонд, предназначенный для измерения профиля температуры по диаметральному сечению канала. Для измерения температур на "внутренней" и "внешней" поверхностях стенки экспериментального участка в шести сечения по высоте сборки установлено по 4 микротермопары.

Рисунок 1 Схема экспериментального участка В четырёх сечениях по высоте экспериментальной сборки расположены отборы теплоносителя (01-04) системы измерения перепада давления.

По результатам исследований были получены зависимости характеристик теплообмена в виде критериальной зависимости числа Нуссельта от чисел Пекле и Гартмана Ки=ДРе, На) и профили температур по сечению ЭУ. На рисунках 2-5 представлены характерные графики зависимости характеристик теплообмена для различных содержаний примеси кислорода (различной термодинамической активности кислорода (ТДАК) в контуре).

'100 1000

-Nu=7+0,025Peos -----Nu=3+0,019Pe"

—— Nu=7+0l025Pefte-(1/(1 +exp(1-40-Pe/Ha'))) TV Ha=0 Д Ha=340 X Ha=435 O Ha=290 o Ha=390 □ Ha=500

100 1000 ----Nu=7+0<025Pe°'>

-Nu=5+0,025Pel'(1/(1+exp<1-45'Pe/Ha')))

« Ha=0 Д Ha-340 O Ha=290 O Ha=390

10000

-----Nu=3+01019Peoí

-Nu=5+0.025Pe

X Ha=435 □ Ha=500

Рисунок 2 Зависимость характеристик Рисунок 3 Зависимость характеристик

теплообмена Nu=f(Ha, Ре), а=1СР

теплообмена Nu=f(Ha, Ре), а=10":

'100 1000 10000

----Nu=7t0,02SPeM -----Nu=3+0,019PeM

-Nu=4+0,025Pe°'(1/(1+exp(1-50 PeíHa'))) --Nu=4<0,025Ps°"

h Ha=0 Л Ha=335 X Ha=435

О На=285 О На=385 □ На=490

10000 - Nu=3+0,019Pe™

100 1000

- Nu=7+0,025PeOB

- Nu=4+0,021Pe°'(1/(1+exp(1-30 Pe/Ha2)» -Nu=4+0,021Pb°''

4 Ha=0 Л Ha=340 X Ha=435

O Ha-290 o Ha=390 □ Ha-500

Рисунок 4 Зависимость характеристик Рисунок 5 Зависимость характеристик

теплообмена Nu=f(Ha, Ре), а=1СГ

теплообмена Nu=f(Ha, Ре), а=10°

В режиме с глубоким раскислением теплоносителя ТДАК а=10"5 отмечено наибольшее влияние поперечного магнитного поля на поток эвтектики. В данном режиме зависимость характеристик теплообмена имеет вид:

Nu = 7 + 0,025 • Ре08----— (1)

1 + ехр(1 - 40—^г) F На2

В диапазоне содержания примеси кислорода, соответствующем эксплуатационным нормам контуров с ТЖМТ, а=10"4...10'2, зависимость характеристик теплообмена описывается следующим выражением:

Nu = 5+ 0,025-Ре0'8-—-1-—. (2)

1 + ехр(1-45-^)

При аварийном загрязнении теплоносителя и контура оксидами теплоносителя, что соответствует ТДАК а=10'1...10°, отмечено наиболее слабое влияние магнитного поля на поток теплоносителя, одновременно, характеристики теплообмена в данном режиме наихудшие. Полученные характеристики теплообмена описываются критериальной зависимостью вида:

1

Nu = 4 + 0,019-Pe

Ре '

1 + ехр(1 - 70—-г) * На2

(3)

На рисунках 6, 7 представлены графики временной зависимости температур с указанием времени включения и отключения магнитного поля. Термопары Т11 и Т12 располагались на «внешней» и «внутренней» поверхности ЭУ соответственно; термопары Т25-Т29 входили в состав термозонда ЭУ и равномерно распределены по сечению ЭУ от оси Т29 до пристенной области ЭУ Т25 (расстояние от внутренней стенки ЭУ 1 мм).

497

495 494 493 Т, °С 492491 490 489 488 487

i i ч ярп-j

Шш Одр f¡ ffbo Ь'

■ ■ 4 ■

t, сек

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 ~.-Т11 -.-Т12 —'-Т25 -0-Т26 -о-Т27 -»-Т28 -0-Т29

Рисунок 6 Временная зависимость

504 503 502 501 5 00 Т, °С 499 498 497 496 495 494

.V

t, сек

0 10 20 30 40 50 60 70 ■ Т11 • Т12 » Т25 о Т26 о Т27 ♦ Т28 о Т29

Рисунок 7 Временная зависимость

температуры по сечению ЭУ температуры по сечению ЭУ Т=Щ)

1ВКЛ=15 с, 1ВЬ11СЛ=61 с, \у=0,18 м/с, Ре=450, 1ВКЛ=15 с, 1выкл=53 с, w=0,18 м/с, Ре=450, На=500, ср24 Вт/м2, а=10"5 На=500, ц=25,4 Вт/м2, а=10°

Во всех замерах временной зависимости температур по сечению ЭУ обнаружено, что наложение магнитного поля на поток эвтектики свинец-висмут приводит к уменьшению пульсаций измеренной величины температуры в потоке жидкого металла относительно среднего значения. Уменьшение амплитуды температурных пульсаций и коэффициентов теплоотдачи может быть объяснено уменьшением турбулентных пульсаций в потоке теплоносителя

с наложением поперечного магнитного поля и как следствие приводит к уменьшению доли конвективного теплопереноса.

В третьей главе представлены результаты проведённых автором исследований, целью которых являлось определение МГД-сопротивления при течении эвтектики свинец-висмут в круглой, вертикально ориентированной трубе в поперечном магнитном поле при контроле и регулировании содержания кислорода в теплоносителе.

Исследования МГД-сопротивления проводились на экспериментальном стенде ФТ1-ТОМГД, в состав которого входил экспериментальный участок, схема которого представлена на рисунке 1. Измерение давления в локальных точках экспериментального участка осуществлялось через отборы 02 и 03 располагавшиеся на расстоянии 70 мм от нижнего и верхнего краев электромагнита соответственно.

В процессе проведения экспериментальных исследований определялась величина коэффициента полного гидравлического сопротивления при варьируемых параметрах: скорости теплоносителя, магнитной индукции поперечного магнитного поля и ТДАК в эвтектике.

На рисунках 8, 9 представлены экспериментально полученные зависимости отношения коэффициента полного гидравлического

сопротивления при течении в поперечном магнитном поле к коэффициенту гидравлического сопротивления при течении в отсутствии магнитного поля от критериального комплекса На2Я1е (число Стюарта ЭД, полученные для различного содержания примеси кислорода в теплоносителе.

Наибольшая степень влияния поперечного магнитного поля и наибольший относительный рост коэффициента полного гидравлического сопротивления отмечены в режиме с ТДА кислорода в эвтектике а=10"5...юЛ Полученные в данном режиме экспериментальные данные могут быть описаны зависимостью:

60 70 60 50 ХД., 40 30 2010 0

у'

На /Ие

О 2 4 6 8 10 12 -□-Р!е=0,32Ю5 -О-Не=0,84-105 -л-Ве=1,43 Ю5 О—Г!е-2,66Ю5 -Х-Ке=3,4-105-----(1+4,5НагЖе)

80 70 60 50 Х1Х0 40 30 20 10 О

■ -

а* л

На те

О 2 4 6 8 10 12

—Ре=0,23'105 -О-[*е=0,51Ю! -Д-Ке»1,51-10® -Д-Ре=2,42Ю5 -Х-Ре=3,37-105 -----Х=и1+2На7|?е)

Рисунок 8 Зависимость ЯЛо=Г(На Л1е), Рисунок 9 Зависимость Мо=А(На Л*е),

а=10

3=10"'

При термодинамической активности кислорода в теплоносителе в диапазоне данные о коэффициенте полного гидравлического

сопротивления обобщаются зависимостью вида:

На Ие

2 \

(5)

Наименьший рост X с увеличением величины магнитной индукции поперечного магнитного поля обнаружен в режиме с ТДАК а=10",...10°. Полученные экспериментальные данные по X описываются зависимостью: .На1

Х = 1 + 2

Яе

(6)

Обобщающая зависимость коэффициента X может быть представлена в

виде:

А. — X,

1 + (1 + п>

На^ 3*е

(7)

где п - модуль показателя величины термодинамической активности кислорода в эвтектике.

В четвёртой главе диссертации приведены результаты исследования проведённого автором лично, целью которого являлось экспериментальное определение профилей скоростей в высокотемпературном потоке эвтектики свинец-висмут при течении в канале круглого сечения в поперечном

магнитном поле при варьируемом содержании примеси кислорода в теплоносителе.

Экспериментальный циркуляционный стенд со свинец-висмутовым теплоносителем ФТ-1 ПС предназначен для исследования профилей скорости в высокотемпературном потоке эвтектики при течении ЖМ в поперечном магнитном поле. Стенд ФТ-1 ПС является модификацией стенда ФТ-1 ТОМГД и включает в себя все его элементы и системы за исключением экспериментального участка. В состав экспериментального стенда ФТ-1 ПС входит экспериментальный участок с устройством измерения осевой составляющей локальной скорости в потоке (датчик скорости).

Экспериментальный участок выполнен из трубы (материал трубы -аустенитная сталь 08Х18Н10Т) внутренним диаметром с!вн=26 мм, и толщиной стенки 6=3 мм. Участок гидродинамической стабилизации от начала прямого участка экспериментальной сборки до датчика скорости составлял Ь=20-с1вн. Экспериментальная сборка ориентирована вертикально в воздушном зазоре электромагнита. Теплоноситель (эвтектика свинец-висмут) в ЭУ течет снизу вверх. Протяженность экспериментального участка в зазоре электромагнита составляет 640 мм.

В состав экспериментального участка входит устройство для измерения осевой составляющей локальной скорости (датчик скорости). Схема датчика скорости представлена на рисунке 10.

Датчик позволяет измерять потенциальный Нпот и полный Нпол напор потока тяжёлого жидкого металла. По разности полного и потенциального напоров вычислялось значение локальной скорости потока эвтектики. Измерение полного напора осуществлялось с помощью капиллярной трубки 1 (внутренний диаметр трубки (1а„=1 мм, толщина стенки 6=0,25 мм). Свободный конец трубки был направлен на встречу потоку эвтектики свинец-висмут, другой конец капиллярной трубки заделан в обтекатель зонда 2. Измерение потенциального напора осуществлялось через отверстие 3 в стенке

экспериментального участка. Свободный конец капиллярной трубки и отверстие для измерения потенциального напора в стенке находились в одном сечении трубы.

Рисунок 10 Схема датчика скорости 1 - Капиллярная трубка; 2 - зонд; 3 - отверстие измерения потенциального напора; 4 - дистанционирующая пластина; 5 - трубка соединительная;

б - шпильки дистанционирующие; 7 - штанги опорные; 8 - труба экспериментального участка; 9 - гайки перемещающие; 10 - сильфон

Полученные профили скорости по сечению экспериментального участка обрабатывались и представлялись в виде графических зависимостей в безразмерных координатах и=Дг/г0), где 11=\7Уа - безразмерная скорость, V -скорость теплоносителя на текущем радиусе, V,- скорость теплоносителя в

центре потока (на оси ЭУ), г - текущий радиус трубы, г-13 мм - внутренний радиус экспериментального участка. На рисунках 11-12 представлены профили скорости, измеренные при различном содержании примеси кислорода, значениях критерия Рейнольдса и критерия Гартмана (величине магнитной индукции).

1,2 1,0 0,8 и 0,6

0,4

0,2 0,0

„V То р. 1

к 4

г/г.

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 -и-1*6=1,91 •10®, На=0 --п--Яе=1,91-10®, На=280 -О- Ве=1,91Ю5, На=375 Рисунок 11 Профиль скорости

и=Дг/г0), а=10'4

1,2 1,0 0,8 и 0,6

0,4 0,2 0,0

-

•¿яр

/

/

г/г

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 -п- Ре=2,15-105, На=0 -а- Рв=2,15Ю5, На=280

Рисунок 12 Профиль скорости и=Дг/г0), а=101

Проведённые исследования показали существенную зависимость профиля скоростей в потоке эвтектики свинец-висмут при течении в поперечном магнитном поле в канале круглого сечения от величины магнитной индукции поля, содержания примеси кислорода в теплоносителе, наличия оксидных покрытий и слоя отложения примесей на поверхностях каналов ограничивающих поток жидкого металла

В пятой главе диссертации отражены результаты проведённых автором совместных экспериментальных исследований характеристик теплообмена и МГД-сопротивления при течении эвтектики свинец-висмут в поперечном магнитном поле в круглой трубе, целью которых являлось определение оптимального (компромиссного) диапазона содержания примеси кислорода в эвтектике, при котором происходит наиболее эффективное снижение МГД-сопротивление при минимально возможном ухудшении теплообмена.

Содержание примеси кислорода в тяжёлых жидкометаллических теплоносителях и характеристики ЭИП являются ключевыми параметрами, влияющими на процесс теплообмена, гидродинамику и коррозионную стойкость материалов в контурах теплоотвода с ТЖМТ, работающих во внешнем магнитном поле. Снижение электропроводимости стенок каналов за счёт формирования на их поверхности оксидных электроизолирующих покрытий, путём ввода в контур кислорода, приводит к снижению влияния магнитного поля на поток и уменьшению МГД-сопротивления. Помимо оксидных плёнок в процессе эксплуатации контура на поверхностях контура может образовываться слой отложений нерастворённых частиц примесей, также существенно снижающих электропроводимость пристенной области. Оксидные плёнки и слой отложений примесей наряду с уменьшением электропроводимости стенок канала значительно увеличивают термическое сопротивление пристенной области, что приводит к ухудшению теплообмена.

В процессе проведения одновременных экспериментальных исследований характеристик теплообмена и МГД-сопротивления при течении эвтектики свинец-висмут в круглой, вертикально ориентированной трубе в поперечном магнитном поле, автором, обнаружено значительное влияние на указанные характеристики величины магнитной индукции поперечного поля, содержания примеси кислорода в эвтектике и расхода (режима течения) теплоносителя через канал.

На основе полученных экспериментальных данных, автором был проведён расчёт эффективности теплоотдачи и снижения МГД-сопротивления при течении эвтектики в поперечном магнитном поле в диапазоне ТДАК а=10"5...10° при трёх различных значениях расхода теплоносителя и величины магнитной индукции.

Изменение эффективности теплоотдачи рассчитывалось как отношение критерия Нуссельта при текущей термодинамической активности кислорода к критерию Нуссельта при ТДАК а=10"5 (соответствует случаю наилучшего

теплообмена) по формуле Еа=Ми/№15. Критерии Нуссельта для различных значений ТДАК в эвтектике рассчитывались по критериальным формулам определённым автором при экспериментальном исследовании характеристик теплообмена.

Эффективность снижения МГД-сопротивления с увеличением содержания примеси кислорода в эвтектике рассчитывалась по соотношению Ех,=Л<А;, где Х<) - коэффициент полного гидравлического сопротивления при течении эвтектики в поперечном магнитном поле в режиме с а=10° (режим с наибольшим снижением МГД-сопротивления), ^ - коэффициент полного гидравлического сопротивления при течении в поперечном магнитном поле при текущем значении ТДАК. На рисунке 13 передставлены результаты расчёта параметров эффективности Еа и Е*..

На основе полученных экспериментальных данных и проведённых расчётов делается вывод о том, что оптимальным содежанием примеси кислорода в эвтектике свинец-висмут при течении в поперечном магнитном поле в канале круглогно сечения с точки зрения наиболее эффективного снижения МГД-сопротивления при минимально возможном ухудшении теплообмена и обеспечении нормальной эксплуатации контура, является количество кислорода, при котором величина термодинамической активности составляет а=10"2. Эту величину можно рекомендовать как среднюю эксплуатационную норму для контуров охлаждения бланкета токамака с теплоносителем свинец-висмут.

1,0 0,9 0,1

Е„> Е;. °,7 0,|

0,4 10"

________ /

-Ал. ¿С""^ 'У

Ы

........

1,0 0,9 0,8

Ео,Ег0,7 0,6 0,5

10" 10" 10'^ 10"1

Е>, На=100, N=0,113 - в- е" - О- ¿, На=300, N=1,197 -а- е -д- е * На=500, N=3,325

10"

0,4

10'

X

)-'' Л

V'

а)

1,0 0,9 0,!

Е„' Е>. 0,7 0,6 0,5

б)

0,4 10

к^А__0- .....[,-'/_

V --х Е

-Л

10"4 10" 10" 10" 10" -о- Е, -о- Е,, На=100, N=0.033 --0--Е, На=300, N=0,299 - А- Е* -Л- Е* На=500, N=0,831

10- 10"3 10"2 10'1 10" -я- Еи -О- Е,, На=Ю0, N=0,053 - в--Е* --0--Е,*, На=300, N=0,479 -А-. е" -Д- Е.', На=500, N=1,33

в)

Рисунок 13 Зависимость эффективности теплоотдачи и снижения МГД-

сопротивления от содержания примеси кислорода а) Ре=1000, Ие=0,75-105; б) Ре=2500, Ке=1,88-105; в) Ре=4000, Яе=3,0-105

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ:

1) Предложена и отработана методика проведения одновременного экспериментального исследования характеристик теплообмена и МГД-сопротивления при течении ТЖМТ в поперечном магнитном поле при целенаправленном варьировании содержания примеси кислорода.

2) Предложена и отработана методика и созданы средства проведения экспериментального исследования профиля скоростей (осевой составляющей) в высокотемпературном потоке ТЖМТ в поперечном магнитном поле.

3) Определены и представлены зависимости характеристик теплообмена при течении эвтектики свинец-висмут в канале круглого сечения в поперечном

магнитном поле в виде 1Чи=Г(Ре, На) полученные при температуре эвтектики свинец-висмут 480...520 °С, термодинамической активности кислорода в теплоносителе 10'5...10° (включая режим с насыщением кислородом теплоносителя и образованием отложений оксидов теплоносителя), числах Пекле 320...4600 и числах Гартмана 0...500.

4) Определены и представлены зависимости коэффициента полного гидравлического сопротивления при течении эвтектики свинец-висмут в канале круглого сечения в поперечном магнитном поле в виде >7Хо=Г(На3/11е) полученные при температуре эвтектики 480...520 °С, термодинамической активности кислорода в теплоносителе 10"5...10° (включая режим с насыщением кислородом теплоносителя и образованием отложений оксидов теплоносителя), числах Рейнольдса (0,2...3,5)-105 и числах Гартмана 0...500.

5) Определены и представлены профили скоростей в потоке эвтектике свинец-висмут в канале круглого сечения в поперечном магнитном поле при температуре эвтектики свинец-висмут 400...420 °С, термодинамической активности кислорода в теплоносителе а=10"4...10°, средне-расходной скорости теплоносителя в экспериментальном участке 1,0... 1,7 м/с; числах Рейнольдса (1,6...2,7)-105 и числе Гартмана 0...365.

6) Экспериментально показано, что степень влияния поперечного магнитного поля на теплогидравлические характеристики потока ТЖМТ определяется содержанием примеси кислорода в теплоносителе и, как следствие, состоянием поверхности ограничивающей поток жидкого металла (характеристиками ЭИП и слоем отложений примесей).

7) Экспериментально определён и представлен оптимальный диапазон содержания примеси кислорода, при котором достигается максимальное снижение МГД-сопротивления при относительно небольшом ухудшении теплообмена. Получены и рекомендованы для проведения соответствующих инженерных расчётов критериальные зависимости характеристик теплообмена

и коэффициента полного гидравлического сопротивления соответствующие оптимальному диапазону содержания примеси кислорода в теплоносителе.

Основные положения диссертационпой работы изложены в следующих публикациях:

1. Экспериментальные исследования теплопереноса к свинец-висмутовому теплоносителю в поперечном магнитном поле при изменяемых характеристиках электроизолирующих покрытий на ограничивающих стенках / A.B. Безносов, С.Ю. Савинов, A.A. Молодцов [и др.] II Вопросы атомной науки и техники. Сер. Термоядерный синтез. - М., 2007. - вып. 1. - С. 25-32.

2. Безносов, A.B. Экспериментальные исследования процессов теплообмена и профилей температур потока тяжёлого жидкометаллического теплоносителя / A.B. Безносов, О.О. Новожилова, С.Ю. Савинов П Известия высших учебных заведений. Ядерная энергетика. - Обнинск, 2008. - № 3. - С. 80-90.

3. Экспериментальное исследование поля скоростей в потоке свинец-висмутового теплоносителя в поперечном магнитном поле при варьируемом содержании в нём кислорода / A.B. Безносов, С.Ю. Савинов, О.О. Новожилова, М.А. Антоненков // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Термоядерный синтез - М., 2008. - вып. 4. - С. 56-61.

4. Экспериментальное исследование полей температур и скоростей в высокотемпературном потоке ТЖМТ / A.B. Безносов, С.Ю. Савинов, О.О. Новожилова, М.А. Антоненков // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика ядерных реакторов - М., 2010. - вып. 3. - С. 34-39.

5. Исследование теплоотдачи от свинцового теплоносителя к продольно обтекаемой трубе / A.B. Безносов, A.A. Молодцов, С.Ю. Савинов [и др.] // Теплофизика и аэромеханика. - Новосибирск: Ин-т теплофиз. СО РАН, 2007. -Т. 14, №3 - С. 429-436.

6. Экспериментальные исследования характеристик теплообмена к свинец-висмутовому теплоносителю и МГД-сопротивления потока в поперечном

магнитном поле / А.В. Безносов, С.Ю. Савинов, А.А. Молодцов, О.О. Новожилова // Тепломассоперенос и свойства жидких металлов: Сб. тез. докл. межведомственного семинара "Теплофизика-2007" ; ГНЦ РФ - ФЭИ. -Обнинск, 2007. - С. 71-73.

7. Совмещённые характеристики МГД-сопротивления и теплообмена при формировании электроизолирующих покрытий на теплоиередающих поверхностях в потоке ТЖМТ в поперечном магнитном поле / С.Ю. Савинов, А.В. Безносов, О.О. Новожилова, М.А. Антоненков // Тяжёлые жидкометаллические теплоносители в ядерных технологиях (ТЖМТ-2008): Сб. Тез. докл. третьей межотраслевой научно-практической конференции ; ГНЦ РФ - ФЭИ. - Обнинск, 2008. - С. 48-51.

8. 41. Savinov, S. Yu. Combined characteristics of MHD resistance and heat exchange in a HLMC flow in a transverse magnetic field / S. Yu. Savinov, A.V. Besnosov, 0.0. Novozhilova II 17th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE17); ASME. - Brussels, Belgium, July 12-16, 2009. - Paper № 75186. - 5 p. - ISBN 978-0-7918-3852-5 (Order No. I819CD).

9. Пат. 68702 Российская Федерация, МПК7 G 01 Р 5/02. Устройство для измерения локальной скорости жидкого металла / А.В. Безносов, О.О. Кудрин, С.Ю. Савинов [и др.]; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Нижегородский государственный технический университет. - № 2007122432/22 ; заявл. 14.06.2007 ; опубл. 27.11.2007, Бюл. № 33 - 2 с.: ил.

Подписано в печать 28.06.2010 . Формат 60 х 84 '/и. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 88 .

Типография А52. 603950, г. Нижний Новгород, ул. Белинского, 110.

Перечень сокращений, условных обозначений

Введение

Глава 1. Применение эвтектики свинец-висмут в качестве теплоносителя в термоядерной энергетике. Аналитический обзор

1.1 Анализ возможности применения тяжелых жидкометаллических теплоносителей в системах теплоотвода термоядерного реактора

1.2 Применение эвтектики свинец-висмут в системах теплоотвода термоядерного реактора

1.3 Влияние магнитного поля на теплогидравлические характеристики контура с ТЖМТ

1.4 Методы снижения влияния магнитного поля в системах теплоотвода с ТЖМТ

1.5 Постановка задач исследований

Глава 2. Характеристики теплообмена при течении ТЖМТ в поперечном магнитном поле

2.1 Аналитический обзор исследований теплообмена при течении жидких металлов в магнитном поле

2.1.1 Теоретические решения

2.1.2 Обзор экспериментальных данных о теплообмене при течении жидких металлов в поперечном магнитном поле

2.2 Экспериментальные исследования теплообмена при течении эвтектики свинец-висмут в вертикально ориентированном канале круглого сечения при варьируемых характеристиках оксидных

ЭИП и содержании примеси кислорода

2.2.1 Экспериментальные исследования по обоснованию выбора типа термопар для проведения высокотемпературных исследований в поперечном магнитном поле

2.2.2 Описание экспериментального стенда ФТ—1 ТОМГД

2.2.3 Описание экспериментального участка

2.2.4 Контрольно-измерительный комплекс

2.2.5 Оценка погрешности измерения

2.2.6 Программа-методика испытаний

2.2.7 Методика обработки экспериментальных данных

2.2.8 Обсуждение результатов исследований

2.2.8.1 Характеристика и последовательность этапов серий исследований

2.2.8.2 Характеристики теплообмена при течении эвтектики свинец-висмут в поперечном магнитном поле

2.8.2.2.1 Характеристики теплообмена при течении эвтектики свинец-висмут в канале круглого сечения в отсутствии магнитного поля

2.8.2.2.2 Характеристики теплообмена при течении эвтектики свинец—висмут в канале круглого сечения в поперечном магнитном поле

2.8.2.2.3 Временная зависимость характеристик теплообмена при течении эвтектики свинец-висмут в поперечном магнитном поле

2.8.2.3 Профиль температур при течении эвтектики свинец-висмут в канале круглого сечения в поперечном магнитном поле

2.8.2.4 Временная зависимость температур при течении эвтектики свинец-висмут в поперечном магнитном поле

2.3 Выводы по главе

Глава 3. МГД— сопротивление при течении ТЖМТ в поперечном магнитном поле

3.1 Аналитический обзор исследований МГД-сопротивления при течении металлов в поперечном магнитном поле

3.2 Экспериментальные исследования МГД-сопротивления при течении эвтектики свинец-висмут в вертикально ориентированном канале круглого сечения в поперечном магнитном поле при контроле и регулировании примеси кислорода и характеристик ЭИП

3.2.1 Измерительная система МГД-сопротивления

3.2.2 Оценка погрешности измерения

3.2.3 Программа-методика испытаний

3.2.4 Методика обработки экспериментальных данных

3.2.5 Обсуждение результатов исследований

3.2.5.1 Характеристика и последовательность этапов серии исследовани й

3.2.5.2 Характеристики МГД-сопротивления при течении эвтектики свинец-висмут в круглой трубе в поперечном магнитном поле

3.3 Оценка МГД-сопротивления и характеристик электроизолирующих покрытий применительно к натурным условиям систем теплоотвода ТЯР

3.3 Выводы по главе 3;

Глава 4. Профиль скоростей в потоке эвтектики свинец—висмут при течении в поперечном магнитном поле

4.1 Аналитический обзор исследований профилей скорости при течении жидких металлов в поперечном магнитном поле

4.2 Экспериментальное исследование профилей скорости в потоке эвтектики свинец-висмут при течении в поперечном магнитном поле в круглой вертикально ориентированной трубе

4.2.1 Описание экспериментального стенда ФТ-1 ПС

4.2.2 Описание экспериментального участка

4.2.3 Контрольно—измерительный комплекс

4.2.4 Оценка погрешности измерения

4.2.5 Программа-методика испытаний

4.2.6 Методика обработки экспериментальных данных

4.2.7 Обсуждение результатов исследований

4.3 Выводы к главе

5. Совместное исследование характеристик теплообмена и МГД-сопротивления потока эвтектики свинец-висмут в поперечном магнитном поле при варьируемом содержании примеси кислорода

5.1 Обобщённый анализ экспериментальных данных о характеристиках теплообмена и МГД-сопротивления при течении эвтектики свинец-висмут в поперечном магнитном поле

5.2 Выводы к главе

Управляемый термоядерный синтез является практически неисчерпаемым источником энергии, способным удовлетворить потребность человечества в энергоресурсах. Термоядерная энергетика обладает рядом преимуществ по сравнению с тепловой и ядерной энергетиками. При работе термоядерного реактора отсутствуют выбросы углеводородов и других ухудшающих экологию веществ. Безусловным преимуществом термоядерных реакторов, по сравнению с реакторами деления, является принципиально более высокая «внутренняя» физическая безопасность, исключающая неконтролируемый «разгон» реактора и существенно меньшее количество радиоактивных отходов, особенно, долгоживущих биологически опасных радионуклидов с периодом полураспада тысячи и миллионы лет, которые требуют создания специальных технологий их обезвреживания.

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. Теплоноситель должен отвечать двум краеугольным критериям: экономичности и безопасности. Основным вариантом теплоносителя бланкета традиционно рассматривается литий [1], который одновременно является сырьем для наработки трития. Наряду с преимуществами, данный теплоноситель имеет несколько крупных недостатков, а именно пожароопасность и взрывоопасность при контакте его с водой и воздухом. Тяжелые жидкие металлы (свинец, галлий, эвтектики свинец-висмут и свинецлитий) могут рассматриваться как перспективные теплоносители для систем теплоотвода указанных элементов ТЯР. Тяжелые жидкие металлы несколько уступают литию по теплофизическим и экономическим критериям (невозможность наработки сырьевого материала - трития, затраты на перекачку и др.), но безусловно превосходят литиевый теплоноситель по критериям безопасности.

Течение теплоносителя в системах теплоотвода ТЯР происходит в мощном магнитном поле, необходимом для удержания плазмы. В случае применения жидкометаллических теплоносителей наличие магнитного поля приводит к изменению полей давлений (скоростей) и температур в потоке теплоносителя. Деформация полей температур и скоростей приводит к значительному изменению характеристик теплообмена между потоком ЖМ и теплообменной поверхностью и гидравлического сопротивления каналов теплообменного оборудования.

Основным способом снижения влияния магнитного поля на поток жидкого металла является формирование электроизолирующих покрытий на поверхностях ограничивающих поток жидкого металла. ЭИП увеличивают удельное электрическое сопротивление стенок каналов, что приводит к снижению влияния магнитного поля на поток теплоносителя.

В системах теплообмена с ТЖМТ роль ЭИП выполняют оксидные покрытия на стенках каналов, формируемые путём обработки теплоносителя кислородом. Формирование оксидных электроизолирующих покрытий приводит к снижению гидравлического сопротивления каналов теплообменного оборудования при течении теплоносителя в магнитном поле. Наряду со снижением влияния магнитного поля на поток, оксидные плёнки увеличивают контактное термическое сопротивление пристенной области вследствие их малой теплопроводности, что приводит к снижению эффективности теплообмена между тяжёлым жидким металлом и стенкой канала. Дополнительно, в процессе эксплуатации контура на стенках каналов может образовываться слой отложений дисперсных нерастворимых в ТЖМ частиц (образующихся при обработке теплоносителя кислородом и др.), который также увеличивает термическое сопротивление. Снижение гидравлического сопротивления потока ТЖМТ, путём формирования оксидных плёнок, электроизолирующих стенки от потока ТЖМТ и улучшения их характеристик (толщина, удельное электрическое сопротивление) приводит к заметному ухудшению характеристик теплообмена. Помимо уменьшения влияния магнитного поля, создание оксидных покрытий необходимо для предотвращения процессов коррозии (защиты) конструкционных материалов каналов и обеспечения работоспособности узлов оборудования работающего в среде тяжёлого жидкого металла.

Содержание кислорода в теплоносителе и характеристики ЭИП являются ключевыми параметрами, влияющими на процесс теплообмена, гидродинамику и коррозионную стойкость материалов при течении ТЖМТ в магнитном поле. Важнейшей задачей является определение оптимального-компромиссного значения содержания кислорода в ТЖМТ и характеристик ЭИП при которых происходит значительное снижение гидравлического сопротивления при малом ухудшении теплообмена и обеспечивается коррозионная защита конструкционных материалов.

В литературе традиционно процессы гидродинамики при течении электропроводящих жидкостей в магнитном поле рассматриваются для двух «идеальных» случаев: стенки каналах абсолютно проводящие, либо непроводящие. В условиях реальных контуров с ТЖМТ электропроводимость стенок каналов имеет определённое значение (в зависимости от выбора конструкционного материала) и может изменяться в некоторых пределах путём варьирования состояния оксидных ЭИП. Существующие экспериментальные работы по исследованию течения ЖМ в магнитном поле проводились без определения одновременного, комплексного влиян ия характеристик ЭИП на процесс теплообмена и МГД-сопротивления каналов. Отсутствуют работы, в которых характеристики теплообмена и МГД-сопротивление канала исследуются одновременно. Имеющиеся экспериментальные данные получены при ряде режимных параметров не соответствующих натурным условиям в ТЯР (температура, тепловой поток и др.).

Отсутствуют расчётные зависимости характеристик теплообмена и гидравлического сопротивления учитывающие содержание примеси кислорода в теплоносителе и состояние оксидных ЭИП, необходимые для проектирования теплообменного оборудования с ТЖМТ работающего в мощном магнитном поле.

Цель комплекса исследований, составной частью которых является данная работа - разработка (уточнение) расчётных методик, расчётных формул теплообмена и гидравлического сопротивления каналов в системах с тяжёлым жидкометаллическим теплоносителем работающих в магнитном поле при контролируемых и регулируемых содержании кислорода и характеристиках оксидных электроизолирующих покрытиях, и определение содержания примеси кислорода в ТЖМТ, оптимальное при совместном учёте гидродинамики и теплообмена в этих условиях.

Целью диссертационной 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. Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи: проведение анализа материалов накопленных к настоящему моменту в исследуемой области; разработка и создание высокотемпературного теплофизического стенда со свинец-висмутовым теплоносителем с температурой 380.600 °С и экспериментальным участком в мощном (до 1,0 Тл) поперечном магнитном поле; разработка и отработка методов измерения и компьютерной обработки сигналов от датчиков температуры, термодинамической активности кислорода, расхода и других в эвтектике свинец-висмут и представлении теплофизических параметров в режиме реального времени; разработка методов и средств измерения полного гидравлического сопротивления канала при течении высокотемпературного ТЖМТ в поперечном магнитном поле; разработка методов и средств измерения поля осевой скорости (давления) в потоке высокотемпературного ТЖМТ в магнитном поле; проведение экспериментальной работы по обоснованию выбора типа датчиков температур для измерения температур в 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 скоростей при течении 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.

Научная новизна работы. Разработана методология одновременного исследования характеристик теплообмена и гидравлического сопротивления при течении высокотемпературного ТЖМТ в магнитном поле при целенаправленно изменяемых характеристиках ЭИП. Впервые проведены совместные экспериментальные исследования характеристик теплообмена и гидравлического сопротивления при течении эвтектики свинец-висмут в канале круглого сечения в поперечном магнитном поле при целенаправленно изменяемых характеристиках оксидных покрытий на его стенках в диапазоне чисел Пекле 320.4600, чисел Рейнольдса (0,24.3,5)-105, числах Гартмана 0.500 и термодинамической активности кислорода в теплоносителе 10°. .10°, включая режим с насыщением теплоносителя кислородом. На основании экспериментальных данных получены совмещённые зависимости характеристик теплообмена Ми=:Г(Ре, На) и коэффициента полного гидравлического сопротивления АУАо=^На /Яе) при фиксированных содержаниях примесей в ТЖМТ. Определён диапазон содержания примеси кислорода в эвтектике свинец-висмут при котором достигается максимальное снижение МГД-сопротивлния при минимально возможном ухудшении характеристик теплообмена.

Разработаны методология и средства измерения осевой составляющей полей скоростей в потоке ТЖМТ в поперечном магнитном поле при целенаправленно изменяемых характеристиках ЭИП. Впервые проведены исследования полей скоростей в высокотемпературном потоке свинец-висмутовой эвтектики в поперечном магнитном поле в канале круглого сечения при изменяемых характеристиках оксидных ЭИП. Получены зависимости осевой составляющей полей скоростей и=Т(г/г0) при значениях чисел Рейнольдса (1,6.2,7)-10э, числах Гартмана 0.365 и термодинамической активности кислорода 10"4.10°.

Практическая значимость работы. 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.

Предложена и отработана методика 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.

Предложена и отработана методика проведения исследования полей скоростей (осевой составляющей) в потоке высокотемпературного ТЖМТ в магнитном поле при контроле и регулировании примеси кислорода, которая рекомендована для проведения экспериментальных робот со свинец-висмутовым и другими тяжёлыми металлами, что даёт возможность исследовать распределение скоростей и давлений в каналах системы с ТЖМТ, в том числе и работающей 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. Подготовка диссертационной работы осуществлялась под научным руководством доктора технических наук, профессора Безносова Александра Викторовича.

В работе обобщены результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных на кафедре «АТС и МИ» НГТУ автором лично и в соавторстве с д.т.н., проф. Безносовым A.B., к.т.н Молодцовым A.A., к.т.н. Назаровым A.B. инж. Серовым В.Е., инж. Новожиловой О.О., лаб. Кудриным О.О. (НГТУ).

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 ЭИП 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 10"5.10° (включая режим с насыщением кислородом теплоносителя и образованием отложений оксидов теплоносителя); магнитная индукция поперечного магнитного поля В=0.0,85 Тл; числах Пекле 320.4600; числахГартмана 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; термодинамическая активность кислорода в теплоносителе 10"510° (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; термодинамической активности кислорода в теплоносителе а=10"4. 10°; средне-расходной скорости теплоносителя в экспериментальном участке \¥=1,0.1,7 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 теполообмена.

Апробация работы и публикации. Результаты работы докладывались и обсуждались на международных и российских конференциях. Полученные результаты рекомендованы к использованию при разработке систем теплоотвода ТЯР с тяжёлым жидкометаллическим теплоносителем. Основные положения диссертационной работы изложены в публикациях [2-41].

Автором сделаны доклады по результатам работы на Третьей курчатовской молодёжной научной школе, г. Москва 2005г., на Четвёртой курчатовской молодёжной научной школе, г. Москва 2006г., на VI Международной молодежной научно-технической конференции "Будущее технической науки", г. Нижний Новгород 2007г., на Межведомственном семинаре «Тепломассоперенос и свойства жидких металлов», г. Обнинск 2007г., на Пятой курчатовской молодёжной научной школе, г. Москва 2007г., на VII Международной молодежной научно-технической конференции "Будущее технической науки", г. Нижний Новгород 2008г., на третьей межотраслевой конференции «Тяжёлые жидкометаллические теплоносители в ядерных технологиях (ТЖМТ — 2008), г. Обнинск, 2008г., на Шестой курчатовской молодёжной научной школе, г. Москва 2008г., на VIII Международной молодежной научно-технической конференции "Будущее технической науки", г. Нижний Новгород 2009г., на 17 International Conference on Nuclear Engineering (ICONE 17), г. Брюссель, 2009г.

Ряд технических решений, предложенных с участием автора в процессе выполнения диссертационной работы, защищены патентами и авторскими свидетельствами [42-48].

Статьи с результатами исследований, выполненных автором лично или при его непосредственном участии, опубликованы в журналах «Атомная энергия», «Ядерная энергетика», «Вопросы атомной науки и техники», «Теплофизика и аэромеханика» [5, 8-10, 24-26, 34-36].

Во время подготовки диссертационной работы автор принимал участие в исследованиях по разработке технологии свинцового теплоносителя применительно к реакторной установке БРЕСТ-ОД-ЗОО, проводимых на кафедре «АТС и МИ» Нижегородского государственного технического университета. Полученные результаты и накопленный опыт использовались автором при выполнении работ над диссертацией.

Автор выражает глубокую признательность д.т.н., профессору A.B. Безносову осуществлявшему научное руководство этой работой и предоставившему автору все условия для научной деятельности.

Диссертация состоит из введения, пяти глав заключения, трёх приложений. Объём работы составляет 242 страницы, 157 рисунков, одна таблица, список использованных источников из 77 наименований, в том числе 47 работ автора.

5.2 Выводы по главе 5

Разработаны методология и средства проведения одновременного экспериментального исследования характеристик теплообмена и МГД— сопротивления при течении высокотемпературного ТЖМТ в поперечном магнитном поле при варьировании содержания примеси кислорода.

Степень влияния поперечного магнитного поля на поток теплоносителя определяется состоянием поверхности канала ограничивающего поток жидкого металла - характеристиками оксидных ЭИП и слоя отложений примесей. Варьирование содержания примеси кислорода в эвтектике свинец-висмут приводит к одновременному изменению характеристик теплообмена и МГД— сопротивления при течении в поперечном магнитном поле и в отсутствии поля.

В результате экспериментальных исследований течения эвтектики свинец-висмут в поперечном магнитном поле в круглой трубе определёно оптимальное содержание примеси кислорода в эвтектике свинец-висмут а=10"2, при котором достигается наиболее эффективное снижение МГД-сопротивления при относительно небольшом ухудшении теплообмена и обеспечивается нормальная эксплуатации контура с точки зрения коррозионной стойкости и загрязнения нерастворимыми примесями теплоносителя и контура.

Определены и представлены формулы по расчёту характеристик теплообмена и коэффициента полного гидравлического сопротивления при течении эвтектики свинец-висмут в поперечном магнитном в круглой трубе из аустенитной стали 08Х18Н10Т при содержании кислорода в теплоносителе а=10" соответствующему оптимальному режиму эксплуатации:

1) N11 = 4 + 0,025 • Ре08--—

1 + ехр(1-50^е-) На2

2) Х =

На2 ^

Заключение

1) Предложена и отработана методика проведения одновременного экспериментального исследования характеристик теплообмена и МГД— сопротивления при течении ТЖМТ в поперечном магнитном поле при целенаправленном варьировании содержания примеси кислорода.

2) Предложены и отработаны методика и созданы средства проведения экспериментального исследования профиля скоростей (осевой составляющей) в высокотемпературном потоке ТЖМТ в поперечном магнитном поле.

3) Обосновано применение термопар типа ХК для измерения температур в потоке ТЖМТ и стенках каналов в поперечном магнитном поле;

4) Определены и представлены зависимости характеристик теплообмена при течении эвтектики свинец-висмут в канале круглого сечения в поперечном магнитном поле в виде Ыи^Ре, На) полученные при температуре эвтектики свинец-висмут 480.520 °С, термодинамической активности кислорода в теплоносителе 10"510° (включая режим с насыщением кислородом теплоносителя и образованием отложений оксидов теплоносителя), чисел Пекле 320. .4600 и чисел Гартмана 0. .500.

5) Определены и представлены зависимости коэффициента полного гидравлического сопротивления при течении эвтектики свинец-висмут в канале круглого сечения в поперечном магнитном поле в виде Шо=:Г(На2/Ке) полученные при температуре эвтектики 480.520 °С, термодинамической активности кислорода в теплоносителе 10"5.10° (включая режим с насыщением кислородом теплоносителя и образованием отложений оксидов теплоносителя), числах Рейнольдса (0,2. .3,5)Т05 и числах Гартмана 0.500.

6) Определены и представлены профили скоростей в потоке эвтектике свинец-висмут в канале круглого сечения в поперечном магнитном поле при температуре эвтектики свинец-висмут 400.420 °С, термодинамической активности кислорода в теплоносителе а=10"4.10°, средне-расходной скорости теплоносителя в экспериментальном участке \у=1,0.1,7 м/с; числах Рейнольдса (1,6.2,7)Т05 и числе Гартмана 0.365.

7) Экспериментально показано, что степень влияния поперечного магнитного поля на теплогидравлические характеристики потока ТЖМТ определяется содержанием примеси кислорода в теплоносителе и, как следствие, состоянием поверхности ограничивающего поток жидкого металла (характеристиками ЭИП и слоя отложений примесей).

8) Экспериментально определён и представлен оптимальный диапазон содержания примеси кислорода, при котором достигается максимальное снижение МГД-сопротивления при относительно небольшом ухудшении теплообмена. Получены и рекомендованы для проведения соответствующих инженерных расчётов критериальные зависимости характеристик теплообмена и коэффициента полного гидравлического сопротивления соответствующие оптимальному диапазону содержания примеси кислорода.

1. Тананаев, А. В. Течения в каналах МГД-устройств / А. В. Тананаев. -М. : Атомиздат, 1979. 368 с.

2. Экспериментальные исследования теплоотдачи к свинец-литиевому теплоносителю / А. В. Безносов, A.B. Семёнов, С.Ю. Савинов и ДО-. // Третья курчатовская молодежная научная школа: Тез. докл. ; РНЦ "Курчатовский институт". М., 2005. - С. 29.

3. Теплоотдача от свинцового теплоносителя к продольно обтекаемой трубе / A.B. Безносов, A.A. Молодцов, С.Ю. Савинов и др. // Известия высших учебных заведений. Ядерная энергетика. Обнинск, 2006. - № 3. - С. 83-90.

4. Экспериментальные исследования теплообмена и гидравлического сопротивления свинец-висмутового теплоносителя в поперечном магнитном поле при контроле и регулировании примеси кислорода / A.B. Безносов, С.Ю.

5. Савинов, A.A. Молодцов и др. // Четвёртая курчатовская молодежная научная школа: Тез. докл.; РНЦ "Курчатовский институт". М., 2006. - С. 40.

6. Исследование теплоотдачи от свинцового теплоносителя к продольно обтекаемой трубе / A.B. Безносов, A.A. Молодцов, С.Ю. Савинов и др. // Теплофизика и аэромеханика. Новосибирск: Ин-т теплофиз. СО РАН, 2007. -Т. 14, №3 - С. 429-436.

7. Совмещённые характеристики МГД-сопротивления и теплообмена при формировании электроизолирующих покрытий на теплопередающихповерхностях в потоке ТЖМТ в поперечном магнитном поле / С.Ю. ,Савинов,

8. A.B. Безносов, О.О. Новожилова, М.А. Антоненков // Тяжёлые жидкометаллические теплоносители в ядерных технологиях (ТЖМТ—2008): Сб. Тез. докл. третьей межотраслевой научно-практической конференции ; ГНЦ РФ ФЭИ. - Обнинск, 2008. - С. 48-51.

9. Безносов, A.B. Экспериментальное исследование полей скоростей в потоке тяжёлого жидкометаллического теплоносителя / A.B. Безносов, О.О.

10. Новожилова, С.Ю. Савинов // Атомная энергия. М., 2009. - Т. 106, вып. 4. - С. 234-236.

11. Экспериментальные исследования осевых скоростей потока свинцового теплоносителя в кольцевом зазоре / A.B. Безносов, О.О. Новожилова, С.Ю. Савинов и др. // Атомная энергия. М., 2010. - Т. 108, вып. З.-С. 172-176.

12. Научно-технический анализ применения ТЖМТ в системах теплоотвода токамака: отчет по НИР / Нижегород. гос. техн. ун-т (НГТУ) ; рук. Безносов A.B.; исполн. С.Г. Скобелев и др.. Н. Новгород. - № ГР 01940002164. -Инв. № 02.99.0000629.

13. Паропроизводящая установка БМ-40/А. Опыт создания и эксплуатации / Ю.Г. Драгунов, B.C. Степанов, В.А. Шулындин и др. //

14. Тяжелые жидкометаллические теплоносители в ядерных технологиях: Тез. докл. Межд. науч. конф. ; ГНЦ РФ ФЭИ. - Обнинск, 1998.

15. Тяжелые теплоносители на основе свинца в системе охлаждения и преобразования энергии термоядерного реактора с магнитным удержанием плазмы / В.В. Орлов, Е.В. Муравьев, В.И. Хрипунов и др. // Атомная энергия. -М., 1990.-Т. 71, вып. 12.-С. 506-511.

16. Материаловедение жидкометаллических систем термоядерных реакторов / Грязнов Г.М., Евтихин В.А., Завяльский Л.П. и др. М.: Энергоатомиздат, 1989. - 240 с.

17. Шматко Б.Д. Влияние примесей серебра, олова и сурьмы на окислительный потенциал теплоносителя свинец-висмут / Б.Д. Шматко, А.Е. Русанов // Известия высших учебных заведений. Ядерная энергетика. — Обнинск, 2000. -№3. С. 58-64.

18. Lyon, R.N. "Liquid Métal Heat Transfer Coefficients" / R.N. Lyon // Chem. Engng. Progr. 1949. - Vol. 47 (2). - P. 75-79.

19. Исаченко, В.П. Теплопередача: учебник для вузов / В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел: 4-е изд., перераб. и доп. - М. : Энергоатомиздат, 1981.-416 с. : ил.

20. Генин, Л.Г. Гидродинамика и теплообмен МГД-течений в каналах / Л.Г. Генин, В.Г. Свиридов. М.: Издательство МЭИ, 2001. - 200 с. : ил.

21. Gardner, R.A. Magneto-fluid-mechanic pipe flow in a transverse magnetic field. Part2. Heat transfer / R.A. Gardner, P.S. Lykoudis // Journal of Fluid Mechanics. 1971. -Vol. 48, №1.-P. 129-141.

22. Семенов, А.В. Теплообмен свинцового теплоносителя в круглой трубе и кольцевой щели при условии регулирования и контроля его примесей: дис. на соиск. ученой степ. канд. техн. наук : 05.04.11 / Семенов Андрей Валёрьевич. -Н. Новгород, 2003. 251 с.

23. Рогельберг, И.Л. Сплавы для термопар: Справочник / И.Л Рогельберг, В.М. Бейлин. М. : Металлургия, 1983. - 360 с.

24. Теплопроводность твердых тел: Справочник / A.C. Охотин, Р.П. Боровиков, Т.В. Нечаева и др. ; под. ред. A.C. Охотина. М. : Энергоатомиздат, 1984. — 320 с. : ил.

25. Брановер, Г.Г. Турбулентные магнитогидродинамические течения в трубах / Г.Г. Брановер. Рига : Знание, 1967. - 206 с.

26. Брановер, Г.Г. Магнитная гидродинамика несжимаемых сред / Г.Г. Брановер, А.Б. Цинобер. — М. : Наука, 1970. 379 с.

27. Пинаев, С.С. Исследование в обоснование применения свинец-висмутовой эвтектики в качестве теплоносителя бланкета термоядерного реактора: дис. на соиск. ученой степ. канд. техн. наук : 05.04.11 / Пинаев Сергей Сергеевич — Н. Новгород, 2002. — 244 с.

28. Кутателадзе, С.С. Основы теории теплообмена / С.С. Кутателадзе. -5-е изд. доп. М. : Атомиздат, 19790. - 415 с.

29. Глухих, В.А. Магнитная гидродинамика в ядерной энергетике / В.А. Глухих, A.B. Тананаев, И.Р. Кириллов. М. : Энергоатомиздат, 1987. - 264 с.

30. Кириллов П.Л., Юрьев Ю.С., Бобков В.П. Справочник по теплогидравлическим расчетам / П.Л. Кириллов, Ю.С. Юрьев, В.П. Бобков ; под общ. ред. П.Л. Кириллова. 2-е изд. перераб. и доп. - М. : Энергоатомиздат, 1990. - 360 с.

31. Обоснование требований к электроизолирующим покрытиям в бланкете с жидкометаллическим охлаждением: Отчет по НИР / ИАЭ. М., 1988. - Исполн.: Муравьев Е.В., Орлов В.В. - Инв. № 40/5834.

32. Разработка литиевого дивертора термоядерного реактора / В.А. Евтихин, И.Е. Люблинский, A.B. Вертков и др. // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Термоядерный синтез. М., 2001, вып. 2. - С. 15-29.

33. Захватов, В.Н. Экспериментальное и расчетное обоснование применения свинцового теплоносителя в системе охлаждения бланкета токамака: дис. на соиск. ученой степ. канд. техн. наук : 05.04.11 / Захватов Владимир Николаевич — Н. Новгород, 2001. 225 с.