автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.11, диссертация на тему:Экспериментальное и расчетное обоснование применения галлиевого теплоносителя в системе охлаждения дивертора токомака

1 I

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Бутов Алексей Александрович

УДК 621.039 На правах рукописи

ргз ол

7 - А5Г 22СЗ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И РАСЧЕТНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ГАЛЛИЕВОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В СИСТЕМЕ ОХЛАЖДЕНИЯ ДИВЕРТОРА ТОКАМАКА

05.04.11 «Атомное реакторостроение, машины, агрегаты и технология материалов атомной промышленности»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Безносое А.В.

Н. Новгород 2000 г.

Работа выполнена на кафедре "Атомные электростанции и установки" Нижегородского государственного технического университета.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Безносое A.B.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Орлов Ю.И.

кандидат технических наук, Севастьянов В.П.

Ведущая организация - РНЦ "Курчатовский институт",

г. Москва.

Защита состоится 30 мая 2000 г. в 10 часов на заседании регионального диссертационного совета Д 063.85.04 Нижегородского государственного технического университета по адресу: 603600, г. Нижний Новгород, ул. Минина, д.24, корп. 5, ауд.5232.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета.

Автореферат разослан " ¿У " ¿¿^еЛг^^_2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессора

митриев С.М.

вззз.ц^рз

т 1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Дальнейшее развитие мирового энергопроизводства по оценкам специалистов будет сопровождаться существенным изменением сложившейся топливно-энергетической структуры. Это обуславливается, в первую очередь, существенным повышением доли ядерной энергетики в мировом энергопроизводстве.

Однако, запасы ядерного топлива в природе весьма ограничены. По оценкам специалистов, запасы природного урана смогут обеспечить растущие потребности населения планеты в энергоресурсах лишь на ближайшие 200 -300 лет, в связи с чем возникает необходимость поиска новых перспективных источников энергии.

В качестве одного из возможных вариантов решения данной проблемы специалисты рассматривают использование термоядерных реакторов (ТЯР), способных в полной мере удовлетворить требования, предъявляемые к энергоисточникам:

- перспективность (топливные запасы для ТЯР способны удовлетворять потребности планеты на практически неограниченный срок);

- надежность и безопасность работы (существенно меньшее по сравнению с реакторами деления количество образующихся в процессе работы радиоактивных отходов, особенно с большим периодом полураспада);

- отсутствие крупномасштабных горных разработок, транспортировки топлива и загрязнения окружающей среды;

- внутренне присущая ядерная безопасность (исключает проблему их размещения вблизи населенных пунктов).

Однако, несмотря на существенный прогресс, достигнутый в данном направлении, существует ряд проблем, не решенных к настоящему времени и

требующих дальнейших исследований. К ним, в частности, относится проблема охлаждения и защиты дивертора ТЯР, который является одним из наиболее энергонапряженных элементов конструкции (тепловой и корпускулярный поток на приемные пластины составляет порядка нескольких МВт на квадратный метр). В связи с этим идея охлаждения дивертора с использованием жидкометаллического теплоносителя (ЖМТ) является практически единственно возможным безальтернативным решением.

К обычным проблемам, возникающим при использовании ЖМ, в ТЯР добавляется новая проблема уменьшения до приемлемых значений МГД -сопротивления при прокачке ЖМ теплоносителя в сильном поперечном магнитном поле, в том числе и при термоударах, вызываемых дискретным выделением энергии в токамаке. Без решения этих проблем невозможно создание надежно работающего контура охлаждения дивертора жидкометашшческим теплоносителем.

В качестве одного из наиболее перспективных теплоносителей для использования в системе охлаждения дивертора ТЯР специалистами Р1Щ КИ был предложен галлий.

Цель работы

Целью настоящей работы является теоретическая разработка и экспериментальные исследования механизмов формирования и доформирования электроизолирующих покрытий (ЭИП) на поверхностях конструкционных материалов, рассматриваемых для использования в условиях гаплиевого контура системы охлаждения дивертора ТЯР при контакте с галлием, исследования их работоспособности, а также определения МГД -сопротивления потоку галлия в поперечном магнитном поле в условиях рабочих температур и скоростей потока в поперечном магнитном поле индукцией до 1 Тл.

Для реализации указанной цели потребовалось решить следующие основные задачи:

- Теоретический анализ процессов массопереноса примеси кислорода в галлиевом контуре системы охлаждения дивертора ТЯР;

- Исследование возможных способов формирования и доформирования покрытий применительно к условиям работы галлиевого контура охлаждения дивертора ТЯР;

- Экспериментальное исследование характеристик ЭИП на стали и ванадиевом сплаве в галлии;

- Исследование влияния на величину р5 (р - удельное сопротивление материала покрытия, 5 - его толщина) термоциклических нагрузок, реализуемых в условиях токамака;

- Экспериментальное определение коэффициента сопротивления X при течении галлиевого теплоносителя в поперечном магнитном поле и его зависимости от температуры, величины индукции магнитного поля и технологии формирования ЭИП.

- Экспериментальные исследования по определению возможности контроля термодинамической активности кислорода в галлиевом теплоносителе методом гальванического концентрационного элемента.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- Результаты теоретических исследований процессов массопереноса примеси кислорода в контуре системы охлаждения дивертора ТЯР;

- Результаты теоретических и экспериментальных исследований, направленных на выбор и обоснование способов формирования оксидных ЭИП, обеспечивающих возможность создания жидкометаллической системы охлаждения дивертора ТЯР на основе галлиевого теплоносителя;

- Результаты теоретических и экспериментальных работ по исследованию характеристик ЭИП;

- Результаты теоретических и экспериментальных работ по расчету максимальных термоударов в ЭИП и исследованию характеристик ЭИП, при тсрмоциклических нагрузках;

- Результаты экспериментального определения МГД - сопротивления при течении галлиевого теплоносителя в каналах из стали и ванадия в поперечном магнитном поле индукцией до 1,0 Тл, при скоростях потока галлия до 2,05 м/с в диапазоне температур ЮО...ЗОО°С;

- Результаты исследований по определению возможности контроля термодинамически активного кислорода в галлиевом теплоносителе методом гальванического концентрационного элемента.

Научная новизна

Научная новизна работы заключается в выполненных расчетно -теоретических и экспериментальных исследованиях механизмов формирования оксидных ЭИП на поверхностях конструкционных материалов, рассматриваемых для использования в условиях галлиевого контура системы охлаждения дивертора ТЯР при контакте с ЖМТ на основе галлия, исследованию их работоспособности, а также определению МГД" -сопротивления потоку галлия в магнитном поле.

Личный вклад автора

Все расчетно-теоретические и экспериментальные исследования, результаты которых приведены в настоящей работе, выполнены непосредственно автором или при его участии под руководством научного руководителя д.т.н. профессора Безносова А. В.

Практическая полезность работы

Результаты работы используются для обоснования концепции применения систем охлаждения дивертора ТЯР галлиевым теплоносителем, б

Апробация работы

Работа прошла апробацию на совещаниях специалистов, на национальных й международных конференциях в г. Обнинске (1996 - 1999 г.).

Публикации

Основные результаты диссертации изложены в двух авторских свидетельствах на полезную модель, трех научно - технических отчетах, шести докладах на научных конференциях, двух статьях в журнале "Вопросы атомной науки и техники" и статье в журнале "Ядерная энергетика".

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав и приложений. Объем работы составляет 191 текстовые страницы, 63 рисунка, 20 таблиц, список литературы из 38 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, место разрабатываемой научной темы в круге вопросов, возникающих при разработке термоядерного реактора.

В первой главе рассматривается возможность применения галлиевого теплоносителя в системе охлаждения дивертора токамака, рассматривается проблема совместимости теплоносителя с конструкционными материалами системы охлаждения дивертора токамака и описываются его основные физические и химщшские свойства.

Одним из перспективных теплоносителей к использованию в качестве ЖМТ для охлаждения дивертора ТЯР является галлий. Галлий принадлежит к самым легкоплавким металлам (температура плавления - около 300 К), уступая только ртути и цезию. Температура кипения его (приблизительно 2500 К) выше, чем у других легкоплавких металлов, вследствии чего температурный интервал

■ 7

существования жидкой фазы очень широк. Плотность расплавленного галлия больше, чем у твердого металла. Галлий очень склонен к переохлаждению. Будучи расплавлен и вновь охлажден, он может длительное время (до нескольких месяцев) сохраняться в жидком состоянии при комнатной температуре.

Вышеперечисленные свойства галлия дают основание рассматривать его в качестве перспективного теплоносителя для использования в системе охлаждения дивертора ТЯР.

Во второй главе производится предварительный анализ возможных технологий формирования ЭИП, анализ процессов массообмена примеси кислорода в районе поверхности конструкционного материала, контактирующей с галлиевым теплоносителем.

Для успешной эксплуатации контура охлаждения дивертора с галлиевым теплоносителем необходим процесс формирования и доформирования оксидных ЭИП, в связи с чем возникает необходимость в разработке технологий периодической кислородной обработки контура и его элементов с целью формирования ЭИП на внутренних поверхностях. трубопроводов и дальнейшего поддержания их в рабочем состоянии. Автором анализировались следующие основные технологии кислородной обработки галлиевого контура:

- введение кислорода в составе газовых смесей в газовый объем над свободной поверхностью жидкого галлия;

- введение кислорода в составе газовых смесей непосредственно в поток галлия;

- введение оксидов галлия либо оксидов других металлов, неактивных по отношению к теплоносителю и конструкционным материалам контура в поток ЖМТ.

В процессе изготовления, технологических обработок и эксплуатации ЖМТ - контура на поверхностях, контактирующих с теплоносителем,

формируются слои, качественно отличающиеся от конструкционного материала как по химическому составу, так и по физическим свойствам.

Автором предлагается общий случай модели пристенной области (рис.1). Непосредственно на материале (1) в процессе его изготовления формируется слой (2) толщиной от долей микрона до десятков микрон. Химический состав слоя по толщине переменен: в его состав входят чистые компоненты конструкционных материалов и их оксиды.

В процессе работы материала в составе ЖМТ - контура внешняя граница слоя (2) переходит в слой отложений (3), состоящий из оксидов компонентов конструкционного материала и теплоносителя с добавлением перенесенных теплоносителем масс примесей. Механические свойства этих слоев (2, 3) несколько отличаются друг от друга: так, например, значения микротвердости в направлении от материала (1) к поверхности уменьшаются в каждом слое приблизительно в 1,5 - 2,5 раза. В общем случае отложения в слое (3) могут адсорбировать на себя газовую фазу (4) из теплоносителя.

Поверхность отложений (3) со стороны теплоносителя обогащена примесями, которые образуют рыхлый, пропитанный теплоносителем слой (5) смеси дисперсных частиц примесей. Этот слой контактирует с поверхностью (6) обогащенного дисперсной фазой и растворенными примесями диффузионного слоя ламинарного подслоя, между которым и ядром потока (7) также

1 - Материал

2 - Оксидная пленка

3 - Слой отложений

4 - Газовая прослойка

5 - Слой дисперсных отложений

6 - Ламинарный подслой

7 - Ядро потока Рис.1. Модель пристенной области

происходит массообмен примесями.

////¿///А

//;/////.' ///////л

V////////,

V/,

//, /;/////,'А

///,////////Л

///,////////^ /,/'//////^

?///////\ /////////

Процессы формирования отложений определяются в первую очередь: .

— диффузией примесей компонент конструкционных материалов через указанные выше слои;

— диффузией принесенных потоком масс примесей к стенке;

— физико-химическим взаимодействием примесей между собой и с теплоносителем в указанных слоях.

Анализ массообмена примеси кислорода на поверхности конструкционного материала, контактирующей с галлиевым теплоносителем показал, что в общем случае массообмен примесей на границе контакта конструкционный материал - теплоноситель осуществляется через 6 слоев, имеющих различную структуру и физико - химические свойства. Процессы массообмена на локальном участке определяются физико - химическим составом примесей, маркой конструкционного материала, температурой, режимом течения теплоносителя и др.

В третьей главе приведены результаты исследований МГД-сопротивления потока галлиевого теплоносителя в поперечном магнитном поле.

Исследования проводились в циркуляционном контуре на круглых трубах, изготовленных из стали 08Х18Н10Т и ванадиевого сплава ВТХ - 1 (4% - Сг, 4% - "Л, до 1% - примеси, остальное - ванадий) с электроизолирующими покрытиями (ЗИП) в состоянии поставки, а также сформированными в условиях контура с использованием технологий, предложенных в главе 2 диссертации. Внутренний диаметр стальной трубы - 6-10"3 м, трубы, изготовленной из ванадиевого сплава - 1,4-Ю'2 м. Для сравнения рыли также проведены эксперименты на трубе, изготовленной из изолятора (молибденового стекла) внутренним диаметром 6-Ю'3 м. В процессе формирования ЗИП проводилось измерение характеристики рб (произведения удельного сопротивления покрытия на его толщину).

Эксперименты проводились при значениях Рейнольдса порядка

(8...70)-103 в поперечном магнитном поле с величиной индукции до 1 Тл. при ю

температурах 100, 200, 300°С - на трубах, изготовленных из стали и ванадиевого сплава, 100°С - на стеклянной трубе.

Экспериментальные исследования МГД - сопротивления потоку галлиевого теплоносителя в поперечном магнитном поле заключались в измерении перепада давления на участке контура, проходящем в зазоре тороидального сердечника электромагнита. Результаты экспериментов представлены на графиках зависимости коэффициента сопротивления X от критерия Стюарта N = На2/Ые (рис. 2, 3). Здесь под коэффициентом сопротивления X понимается сумма гидравлического сопротивления трения и некоторой добавки, обусловленной действием магнитного поля: X = Хо + Хм

Материаловедческий анализ внутренней поверхности фрагментов труб экспериментального участка контура после проведения экспериментов показал значительное (на величину порядка 100...800%) увеличение толщины оксидных отложений по сравнению с образцами, изготовленными из труб с покрытиями в состоянии поставки (как на стальных, так и на образцах из ванадиевого сплава), что однозначно подтверждает тот факт, что во время обработки трубопроводов в галлиевом циркуляционном контуре осуществлялся процесс формирования на внутренних стенках труб оксидных покрытий, состоящих из оксидов теплоносителя и компонент конструкционного материала. Средняя скорость роста толщины покрытий составила величину порядка 10 м/с

Результаты измерений по определению электрофизических характеристик ЭИП на образцах конструкционных материалов, помещенных в специальную емкость показали, что величина р5 для всех способов формирования ЭИП была одинаковой и стабилизировалась на следующих значениях: (2,47...2.64) 105 Ом-м2 для стали 08Х18Н10Т и (6,12...6,29)-10"5 Ом •м2 для ванадиевого сплава, что в достаточной степени совпадает с результатами экспериментов, проведенных ранее.

и

0,12 0,11 0,10 0,09 0,08 0,07 0,06

V = 2,05 м/с

V = 0,38 м/с

0,2

♦ ^—

• 1А--

—« —1 --—- —т— г> é-

0,4

0,6 0,8 V = 0,89 м/с

1,2

9

N 1,4

1 - ♦ - Т = 100 С; покрытие в состоянии поставки 2- А - Т= 100 С; покрытие, сформированное вводом кислорода в поток галлия

3 - х - Т= 100 С; покрытие, сформированное вводом оксидов галлия

4 - ■ - Т = 200 С, покрытие в состоянии поставки

5 - ж - Т = 200 С; покрытие, сформированное вводом кислорода в поток галлия

6 — • — Т = 200 С; покрытие, сформированное вводом оксидов галлия

7 - + - Т = 300 С; покрытие в состоянии поставки

8 - Д — Т = 300 С; покрытие, сформированное вводом кислорода в поток галлия

9 - □ - Т = 300 С; покрытие, сформированное вводом оксидов галлия

— 0 — Т = 100 С; труба с непроводящей стенкой из молибденового стекла

Рис.2. Зависимость коэффициента сопротивления X от числа Стюарта N—~ на экспериментальном участке из стали

08Х18Н10Т £

N

V = 0,49 м/с

8,5 8,0 7,5 7,0 6,5 : 6,0' 5,5

V = 0,16 м/с

1,5

1 — ♦ — Т = 100 С; покрытие в состоянии поставки

2 - А - Т = 100 С; покрытие, сформированное вводом кислорода в поток галлия

3 - х - Т = 100 С; покрытие, сформированное вводом оксидов галлия

4 - ■ - Т = 200 С; покрытие в состоянии поставки

5 - ж - Т = 200 С, покрытие, сформированное вводом кислорода в поток галлия

6 - • - Т = 200 С; покрытие, сформированное вводом оксидов галлия

7 - + - Т = 300 С; покрытие в состоянии поставки

8 - Д - Т = 300 С, покрытие, сформированное вводом кислорода в поток галлия

9 - □ - Т = 300 С; покрытие, сформированное вводом оксидов галлия

На

Рис.3. Зависимость коэффициента сопротивления X от числа Стюарта N = -на экспериментальном участке из

К с ,

ванадиевого сплава

к

Погрешности выполненных в данной главе измерений составляют следующие значения:

± 9,5% - для измерения величины расхода галлиевого теплоносителя;

± 2,9% - для измерения величины перепада давления на экспериментальном участке;

± 64,5% - для измерения величины р8.

Проведенные исследования путем прямого замера МГД - сопротивления потоку галлия в поперечном магнитном поле подтвердили возможность создания и поддержания ЭИП на внутренней поверхности труб из аустенитной стали 08Х18Н10Т и ванадиевого сплава в режиме циркуляции в диапазоне температур 100 - 300°С и величинах напряженности поперечного магнитного поля до 1,0 Тл.

Анализируя зависимости, полученные в результате обработки экспериментальных данных (рис. 2, 3), следует отметить, что решающим фактором при определении величины коэффициента сопротивления потоку галлия в поперечном магнитном поле (при больших значениях критерия Стюарта) является зависимость электромагнитной составляющей коэффициента сопротивления А.м от температуры.

Полученные результаты могут быть использованы в инженерных расчетах для определения ожидаемого МГД - сопротивления течению потока галлиевого теплоносителя в каналах в поперечном магнитном поле.

В четвертой главе приводятся результаты исследований по определению возможности контроля термодинамической активности кислорода в галлиевом теплоносителе методом гальванического концентрационного элемента с целью подтверждения концепции использования метода гальванического концентрационного элемента для контроля термодинамической активности кислорода в галлиевом теплоносителе при формировании и доформировании ЭИП в условиях работы системы охлаждения дивертора ТЯР.

< »

Для проведения экспериментов были выбраны две схемы ГКЭ: Схема I: РЬ + РЬО | I Твердый электролит | | ва Схема II: О а + СаО | | Твердый электролит | | Са На основе выбранных схем ГКЭ была смонтирована экспериментальная установка, в состав которой входят: электрообогреваемая и теплоизолированная нагревательная емкость, снабженная патрубками подвода и отвода защитного газа. Внутри нее на специальной подставке размещена стеклянная емкость, заполненная расплавленным теплоносителем (галлием). Под слой теплоносителя погружена нижняя часть трубки электролита, изготовленной из диоксида циркония с находящемся в ней металлом - эталоном (свинцом или галлием) с концентрацией кислорода в состоянии насыщения, что достигалось введением на поверхность металла его оксидов. Верхняя часть трубки электролита герметично закреплена в крышке нагревательной емкости с помощью уплотнения, обеспечивающего возможность перемещения трубки электролита в вертикальном направлении.

Циркуляция теплоносителя внутри стеклянной емкости организовывалась вращением осевого колеса, соединенного валом с электродвигателем. Для регулирования концентрации кислорода в теплоносителе установка была снабжена каналом ввода раскислителя. Установка также имела барботажную трубку для продувки теплоносителя аргоно - кислородной смесью и водородом.

Методика экспериментов заключалась в измерении ЭДС, развиваемой элементами в зависимости от времени при различном содержании в контролируемом ЖМТ термодинамически активного кислорода в режимах естественной и принудительной циркуляции. Измерение величины ЭДС проводилось при температуре теплоносителя 400°С. Результаты проведения экспериментов отражены на рис. 4, 5. Результаты сравнения величин ЭДС элемента, полученных при различных режимах циркуляции теплоносителя (естественная либо принудительная циркуляция) показали, что режим циркуляции не оказывает влияния на величину развиваемой элементом ЭДС.

К)-3 В Е ■540 —Г"

•560

-580

•600

■620 Т 0 50 100 150 200 250 мин

Рис. 4. Изменение ЭДС ГКЭ, собранного по схеме: Pb + PbO I I Твердый электролит | | Ga

1(Г3 В Е

зоо i---г---------------------

*

200----------------

100-----------------/-----

1 3 4 У

------XT ---1----

-200 ----------------

-300 ------1--------------^- х

О 40 80 120 160 200 МИн

1 - Момент ввода раскислителя;

2 - Начало подачи в теплоноситель аргоно - кислородной смеси;

3 - Прекращение подачи в теплоноситель аргоно - кислородной

смеси;

4 - Начало подачи в теплоноситель водорода.

Рис. 5. Изменение ЭДС ГКЭ, собранного по схеме: Ga + GaO | I Твердый электролит | | Ga

* /

/

1 3 4 у /

"X \

ry

Погрешность определения величины ЭДС элемента определяется по паспортным данным вольтметра и составляет величину порядка 9,5 %

Проведенные эксперименты показали принципиальную возможность контроля термодинамической активности кислорода в галлиевом теплоносителе методом гальванического концентрационного элемента с твердым электролитом, изготовленным на основе диоксида циркония при температурах теплоносителя в контуре порядка 400°С.

В пятой главе приводятся результаты расчета величины возможных термоударов, возникающих на поверхности пластины дивертора, контактирующей с теплоносителем при концептуально существующей в настоящее время импульсной работе термоядерного реактора, а так же результаты экспериментальных исследований влияния термоциклических нагрузок (термоударов) на характеристики электроизолирующих покрытий (ЭИП) на поверхностях конструкционных материалов, помещенных в галлиевый теплоноситель. Результаты консервативного расчета показали, что средняя величина возможных термоциклических нагрузок в центральной части бериллиевой пластины дивертора составляет порядка 17°С/с.

Экспериментальные исследования стойкости оксидных электроизолирующих покрытий при воздействии термоциклических нагрузок проводились на установке, в состав которой входили: нагревательная емкость, заполненная расплавленным теплоносителем с температурой 350°С, под уровень которого с помощью гермовводов устанавливались исследуемые образцы (электроды), изготовленные из стали 12Х18Н10Т и ванадиевого сплава (5% - Ti, 6% - Сг, 0,15% - примеси, остальное - ванадий). Для охлаждения теплоносителя под уровень сплава был помещен змеевиковый теплообменник, охлаждаемый водой с температурой на входе порядка 10°С. Изменение температуры сплава в районе образцов-электродов при термоударах составляло порядка 150 - 200°С, с величинами термоударов порядка 16 т 20°С/с, что сопоставимо с величиной возможных термоударов в материалах дивертора при

возрастании тепловой нагрузки на пластину от 0 до 20 МВт/м2 за время порядка 10 с в переходных режимах работы.

В целом, в пределах погрешности эксперимента, можно считать, что уменьшения величины удельного электросопротивления ЭИП р5 после проведения серии из 20 термоударов не произошло как на стальных образцах, так и на образцах из ванадиевого сплава.

Проведенные эксперименты показали принципиальную возможность формирования и поддержания в рабочем состоянии оксидных электроизолирующих покрытий на поверхностях конструкционных материалов, контактирующих с галлиевым теплоносителем при работе ЭИП в условиях термоциклических нагрузок, по крайней мере, при содержании кислорода в теплоносителе на линии насыщения или близко к ней. Значение величины удельного электросопротивления ЭИП при температуре 350°С составило: 2,79-Ю"5 Ом ■м2 для стали 12Х18Н10Т; 6,24-Ю"5 Ом •м2 для ванадиевого сплава и не зависит от количества проведенных термоударов, что сравнимо с значениями величины р5 оксидных покрытий, сформированных на поверхности конструкционных материалов до проведения термоударов. Отсутствие заметного уменьшения величины р8 после всех циклов термоударов может косвенно указывать либо на отсутствие заметного разрушения (растрескивания) при термоударах покрытий (заведомо имеющих различные КТУ с основным -металлом), либо на эффективное доформирование разрушающихся участков покрытий.

В шестой главе отражены научно - технические рекомендации, предлагаемые на основе выполненных автором теоретических и экспериментальных исследований по технологии галлиевого теплоносителя, предусматривающей формирование и доформирование оксидных электроизолирующих покрытий на поверхностях конструкционных материалов контура охлаждения дивертора токамака.

Сравнительные экспериментальные исследования различных технологий формирования и доформирования покрытий в разделах 2 и 3 диссертации показали возможность реализации этих технологий в условиях галлиевого циркуляционного контура.

На данной стадии исследований для последующей разработки рекомендуются три основных технологии формирования и доформирования оксидных электроизолирующих покрытий на поверхностях конструкционных материалов, контактирующих с галлиевым теплоносителем:

- с дозированным вводом кислорода (или оксидов в газовой (паровой)

фазе) в газовый объем над свободным уровнем галлиевого теплоносителя в проточной буферной емкости (компенсаторе объема) контура;

- с эжекцией кислородосодержащих газовых (газопаровых) смесей

потоком галлия с насыщением кислородом циркулирующего потока галлиевого теплоносителя из объема газовых пузырей, эжектируемых потоком;

- с растворением гранул (либо в другой форме) оксида галлия,

помещенных в проточную емкость с регулируемой температурой нагрева оксидов и омывающего их теплоносителя;

Дозированный ввод кислорода в газовый объем контура, в зависимости от конкретного исполнения контура, рекомендуется производить следующими основными способами:

- регулируемой подачей газовой (газопаровой) кнслородосодержащей

смеси из баллонов компрессором с переменной производительностью;

- регулируемой подачей газовой (газопаровой) кнслородосодержащей

смеси из баллонов через дросселирующее устройство, регулирующий и запорный вентиля;

- подачей кислорода, генерируемого путем регулируемого термического

разложения кислородосодержащих веществ (марганцовокислого калия или др.);

- подачей увлажненного кислорода, генерируемого путем регулируемого

электролиза воды;

- другие способы (или комбинация вышеперечисленных) ввода примеси

кислорода.

Дозированный ввод кислорода в поток циркулирующего галлиевого теплоносителя, в зависимости от конкретного исполнения контура, рекомендуется производить следующими основными способами:

- регулируемой подачей ( за счет регулирующего газового вентиля) и

эжекцией потоком галлия "двойной" газовой смеси (аргон + кислород, гелий + кислород) из газового объема контура с последующей сепарацией непрореагировавшей газовой смеси в буферной емкости (компенсаторе объема);

- регулируемой подачей (за счет регулирующего газового вентиля) и

эжекцией потоком галлиевого теплоносителя "тройной" (увлажненной) газовой смеси (аргон + кислород + водяной пар, гелий + кислород + водяной пар) с пропуском эжектируемого потоком газа через барботер с водой с регулируемой температурой подогрева воды; последующая сепарация непрореагировавшей газовой смеси осуществляется в буферной емкости (компенсаторе объема);

- регулируемым вводом газовой (газопаровой) смеси из баллонов в поток

галлия за счет избыточного давления газа в баллоне над давлением галлия в точке ввода газа;

- насыщением потока галлиевого теплоносителя оксидами галлия при

регулируемом изменении температуры емкости с оксидами, омываемыми потоком теплоносителя.

На основании проведенных исследований автор рекомендует использовать для контроля содержания термодинамически активного кислорода в галлиевом теплоносители датчик на основе твердого гальванического концентрационного элемента, например, на основе диоксида циркония (раздел 4 диссертации). Указанные датчики рекомендуется устанавливать до и после элементов охлаждения дивертора, например, до и после напорного и сливного коллекторов. Число датчиков в каждом месте их установки рекомендуется не менее трех для получения представительных результатов замера. Ввод кислородосодержащих веществ в галлиевый контур, в его газовую систему или поток галлия должен осуществляться и прекращаться по сигналам от датчика термодинамически активного кислорода в галлии. Значение величины термодинамической активности кислорода в галлии в конкретном контуре рекомендуется поддерживать в диапазоне, определяемом температурным режимом, а также примененными конструкционными материалами.

Следует отметить, что оптимальным техническим решением была бы комплексная система контроля и регулирования содержания примесей в галлиевом теплоносителем, в контуре ЖМТ и в системе защитного газа, одной из функций которой было бы контроль и регулирование окислительного потенциала галлиевого теплоносителя с целью формирования, доформирования и обеспечение работоспособности оксидных ЗИП на поверхностях конструкционных материалов контура, контактирующих с галлиевым теплоносителем.

Заключение

- Проведены теоретические исследования процессов массопереноса оксидов теплоносителя и примесей в контуре системы охлаждения дивертора ТЯР; .

- Проведены теоретические и экспериментальные исследования по выбору и обоснованию способов формирования ЗИП, обеспечивающих

возможность создания жидкометаллической системы охлаждения дивертора ТЯР на основе галлиевого теплоносителя;

- Выполнены теоретические и экспериментальные работы по исследованию характеристик защитных ЭИП, сформированных в различных условиях в зависимости от температуры и индукции магнитного поля;

- Рассчитана максимальная величина термоударов, возможных в системе охлаждения дивертора ТЯР;

- Выполнены теоретические и экспериментальные работы по исследованию характеристик защитных ЭИП при воздействии на них термоциклических нагрузок в зависимости от температуры, плотности тока;

- Проведены экспериментальные исследования по определению МГД -сопротивления при течении галлиевого теплоносителя в каналах из стали и ванадиевого сплава в поперечном магнитном поле индукцией до 1,0 Тл;

- Проведены исследования по определению величины термодинамической активности кислорода в галлиевом теплоносителе методом гальванического концентрационного элемента.

Основные положения диссертационной работы изложены в научно-технических отчетах и следующих публикациях:

1. Безносов А. В., Щербаков Р. В., Бутов А. А., Романов П. В. Применение жидких металлов для охлаждения дивертора "токамака". "Ядерная энергетика", № 6,1995 г., с. 66 - 72

2. Романов П. В., Безносов А. В., Кузьминых С. А., Бутов А. А., Парфенова Л. А. Экспериментальное исследование МГД - сопротивления и характеристик электроизолирующих покрытий на конструкционных материалах систем охлаждения токамака жидкометаллическими теплоносителями. "Вопросы атомной науки и техники", серия "Термоядерный синтез", выпуск 11 - 12, 1998.

3. Романов П. В., Безносов А. В., Бутов А. А., Кузьминых С. А., Захватов В. Н., Мелузов А. Г. Влияние термоциклических нагрузок на характеристики

электроизолирующих покрытий конструкционных материалов в контурах охлаждения бланкета и дивертора с жидкометаллическими теплоносителями. "Вопросы атомной науки и техники", серия "Термоядерный синтез", выпуск 2, 1999, с. 66-72.

4. Безносов А. В., Дмитриев С. М., Бутов А. А., Захватов В. Н., Романов П. В. Экспериментальные исследования МГД - сопротивления потока РЬ, РЬ-В^ РЬ-1л, ва, 1л в поперечном магнитном поле. Сборник тезисов докладов международной конференции "Тяжелые жидкометаллические теплоносители в ядерных технологиях" ТЖМТ - 98, с. 28

5. Безносов А. В., Бутов А. А., Щербаков Р. В., Романов П. В.

Экспериментальные исследования в обоснование концепции охлаждения

дивертора токамака галлиевым теплоносителем. Сборник тезисов докладов

международной конференции "Тяжелые жидкометаллические теплоносители /

в ядерных технологиях" ТЖМТ - 98, с. 37

6. Бутов А. А., Парфенова Л. А. Экспериментальное исследование МГД -сопротивления и характеристик электроизолирующих покрытий на конструкционных материалах систем охлаждения токамака жидкометаллическими теплоносителями. Сборник тезисов докладов третьей нижегородской сессии молодых ученых, с. 92

7. Бутов А. А., Захватов В. Н., Семенов А. В. Влияние термоциклических нагрузок на характеристики электроизолирующих покрытий конструкционных материалов в контурах охлаждения бланкета и дивертора с жидкометаллическими теплоносителями. Сборник тезисов докладов четвертой нижегородской сессии молодых ученых, с. 106

8. Безносов А. В., Кузьминых С. А., Бутов А. А., Мелузов А. Г., Романов П. В., Парфенова Л. А. Экспериментальное исследование МГД - сопротивления и характеристик электроизолирующих покрытий на конструкционных материалах систем охлаждения токамака жидкометаллическими теплоносителями. Нижегородский государственный технический университет, отчет, № г. р. 01940002164, УДК 539.1.08, Инв. № 02970003864

Введение.

1 Аналитический обзор.

1.1 Использование галлия в качестве теплоносителя для охлаждения дивертора ТЯР.

1.1.1 Совместимость галлия с конструкционными материалами.

1.1.2 Физические свойства галлия.

1.1.3 Химические свойства галлия.

1.2 Обоснование необходимости формирования электроизолирующих покрытий.

1.3 Анализ условий работы электроизолирующих покрытий.

1.4 Постановка задач исследований.

2 Анализ процессов массообмена примесей при формирования электроизолирующих покрытий на конструкционных материалах в гаплиевом теплоносителе.

2.1 Возможные способы формирования ЭИП на поверхностях конструкционных материалов в галлиевом циркуляционном контуре.

2.2 Массообмен примеси кислорода в пристенном слое.

2.3 Выводы.

3 Экспериментальные исследования МГД - сопротивления потока галлиевого теплоносителя в поперечном магнитном поле.

3.1 Описание экспериментальной установки.

3.2 Методика проведения экспериментов.

3.3 Методика обработки экспериментальных данных.

3.4 Обсуждение результатов.

3.4.1 Зависимость коэффициента сопротивления от критерия Стюарта.

3.4.2 Зависимость коэффициента сопротивления от технологии формирования ЭИП.

3.4.3 Зависимость коэффициента сопротивления от температуры.

3.4.4 Зависимость коэффициента сопротивления от скорости движения теплоносителя.

3.4.5 Расчетное определение электромагнитной составляющей коэффициента сопротивления А,м на основе экспериментальных данных величины р8 покрытий.

3.5 Расчет погрешностей эксперимента.

3.6 Материаловедческий анализ электроизолирующих покрытий, сформированных в условиях галлиевого циркуляционного контура.

3.6.1 Методика проведения исследований.

3.6.2 Результаты исследований.

3.6.3 Обсуждение результатов.

3.6.4 Выводы.

3.7 Сравнительный анализ результатов эксперимента с результатами аналогичных ранее опубликованных исследований.

3.8 Выводы.

4 Контроль величины термодинамической активности кислорода в галлиевом циркуляционном контуре.

4.1 Определение термодинамической активности кислорода в ЖМТ методом гальванического концентрационного элемента.

4.2 Экспериментальные определение возможности контроля термодинамической активности кислорода в галлии.

4.2.1 Описание экспериментальной установки.

4.2.2 Методика проведения экспериментов.

4.2.3 Обсуждение результатов.

4.2.4 Определение погрешности эксперимента.

4.2.5 Выводы.

5 Исследование работоспособности оксидных электроизолирующих покрытий на конструкционных материалах в галлиевом теплоносителе при воздействии термоциклических нагрузок.

5.1 Анализ величин изменений температуры стенки дивертора с электроизолирующим покрытием.

5.1.1 Расчет величины термоциклических нагрузок.

5.2 Анализ напряжений, возникающих в ЭИП в момент "гашения" и "зажигания" плазмы.

5.2.1 Механические свойства пленок.

5.2.2 Анализ механизма сцепления пленки с конструкционным материалом.

5.2.3 Анализ напряжений растяжения в пленке и возможного трещинообразования.

5.2.4 Выводы.

5.3 Экспериментальное исследование влияния термоциклических нагрузок на характеристики электроизолирующих покрытий.

5.3.1 Описание экспериментальной установки.

5.3.2 Методика проведения экспериментов.

5.3.3 Обсуждение результатов.

5.3.4 Расчет погрешностей эксперимента.

5.3.5 Зависимость величины р8 от количества термоударов.

5.3.6 Вольтамперная характеристика системы электрод - ЭИП - галлий - ЗИП - электрод".

5.3.7 Выводы.

6 Рекомендации по проектным и эксплуатационным решениям контура охлаждения дивертора с галлиевым теплоносителем с учетом формирования электроизолирующих покрытий на внутренних поверхностях контура.

6.1 Регулирование содержания кислорода в галлиевом теплоносителе.

6.2 Контроль процесса формирования и доформирования оксидных электроизолирующих покрытий.

Дальнейшее развитие мирового энергопроизводства по оценкам специалистов будет сопровождаться существенным изменением сложившейся топливно-энергетической структуры. Это обуславливается, в первую очередь, существенным повышением доли ядерной энергетики в мировом энергопроизводстве.

Однако, запасы ядерного топлива в природе весьма ограничены. По оценкам специалистов, запасы природного урана смогут обеспечить растущие потребности населения планеты в энергоресурсах лишь на ближайшие 200 -300 лет, в связи с чем возникает необходимость поиска новых перспективных источников энергии.

В качестве одного из возможных вариантов решения данной проблемы специалисты рассматривают использование термоядерных реакторов (ТЯР), способных в полной мере удовлетворить требования, предъявляемые к энергоисточникам:

- перспективность (топливные запасы для ТЯР способны удовлетворять потребности планеты на практически неограниченный срок);

- надежность и безопасность работы (существенно меньшее по сравнению с реакторами деления количество образующихся в процессе работы радиоактивных отходов, особенно с большим периодом полураспада);

- отсутствие крупномасштабных горных разработок, транспортировки топлива и загрязнения окружающей среды;

- внутренне присущая ядерная безопасность (исключает проблему их размещения вблизи населенных пунктов).

Однако, несмотря на существенный прогресс, достигнутый в данном направлении, существует ряд проблем, не решенных к настоящему времени и требующих дальнейших исследований. К ним, в частности, относится проблема охлаждения и защиты дивертора ТЯР, который является одним из наиболее энергонапряженных элементов конструкции (тепловой и корпускулярный поток на приемные пластины составляет порядка нескольких МВт на квадратный метр). В связи с этим охлаждение дивертора с использованием жидкометаллического теплоносителя (ЖМТ) является практически единственно возможным безальтернативным решением.

Жидкие металлы (ЖМ) благодаря их хорошим теплофизическим свойствам (низкому давлению пара и радиационной стойкости) представляются, как и в реакторах деления, перспективными теплоносителями для ТЯР. В первую очередь, привлекают возможности достижения хороших нейтронно - физических характеристик в бланкете, возможности получения высокопотенциального тепла для системы преобразования энергии при низком давлении теплоносителя, реализации высокоэффективных схем наиболее напряженных компонентов реактора таких, как первая стенка и дивертор, что в конечном итоге обеспечивает получение более высоких техникоэкономических показателей реактора при высоком уровне надежности и безопасности.

Однако, к обычным проблемам, возникающим при использовании ЖМ, -совместимость с конструкционными материалами и окружающей средой - в ТЯР добавляется новая проблема прокачки ЖМ теплоносителя в сильном магнитном поле и связанные с ней проблемы воздействия магнитного поля на процессы теплообмена, коррозии и т.п. Решение этих проблем находится в стадии научно-исследовательских работ, что определяет острую необходимость проведения экспериментальных работ для системного охвата широкого круга взаимосвязанных вопросов, связанных с взаимодействием магнитного поля и движущимся жидкометаллическим теплоносителем.

В качестве одного из наиболее перспективных теплоносителей для использования в системе охлаждения дивертора ТЯР специалистами РНЦ КИ был предложен галлий.

В настоящее время НГТУ совместно с РНЦ КИ проводит комплекс работ по исследованию применения галлия в качестве теплоносителя для охлаждения дивертора ТЯР. В рамках этой программы были выпущены отчеты по НИР, другие публикации, защищена диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, но несмотря на значительный прогресс, достигнутый в этой области, оставался ряд нерешенных проблем. Решению некоторых из них посвящена настоящая работа.

Цель работы. Настоящая работа посвящена теоретической разработке и экспериментальным исследованиям механизмов контролируемого формирования электроизолирующих покрытий (ЭИП) на поверхностях конструкционных материалов, рассматриваемых для использования в условиях галлиевого контура системы охлаждения дивертора ТЯР, исследованию их работоспособности, а также определению МГД - сопротивления потоку галлия в поперечном магнитном поле, в том числе и в условиях неизотермического галлиевого контура.

Для реализации указанной цели потребовалось решить следующие основные задачи:

- Теоретический анализ процессов массопереноса оксидов теплоносителя и примесей в контуре системы охлаждения дивертора ТЯР;

- Исследование способов и механизмов формирования покрытий применительно к условиям работы галлиевого контура охлаждения дивертора ТЯР;

- Экспериментальное исследование электроизолирующих характеристик ЭИП на образцах в галлии с использованием специально введенного параметра р5 (р - удельное электросопротивление материала покрытия, 8 - его толщина);

- Исследование влияния на величину р8 условий, реализуемых в реальном ТЯР (термоциклические нагрузки, наличие примесей, технологические обработки теплоносителя и др.);

- Экспериментальное определение коэффициента сопротивления X при течении галлиевого теплоносителя в поперечном магнитном поле и его зависимости от температуры и величины индукции магнитного поля.

- Экспериментальные исследования по определению величины термодинамической активности кислорода в галлиевом теплоносителе методом гальванического концентрационного элемента.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- Результаты теоретических исследований процессов массопереноса оксидов теплоносителя и примесей в контуре системы охлаждения дивертора ТЯР;

- Результаты теоретических и экспериментальных исследований, направленных на выбор и обоснование способов формирования ЭИП, обеспечивающих возможность создания жидкометаллической системы охлаждения дивертора ТЯР на основе галлиевого теплоносителя;

- Результаты теоретических и экспериментальных работ по исследованию характеристик защитных ЭИП, сформированных в различных условиях в зависимости от температуры и индукции магнитного поля;

- Результаты теоретического расчета максимальной величины термоударов, возможных в системе охлаждения дивертора ТЯР;

- Результаты теоретических и экспериментальных работ по исследованию характеристик защитных ЭИП, при воздействии на них термоциклических нагрузок в зависимости от температуры, плотности тока;

- Результаты экспериментального определения МГД - сопротивления при течении галлиевого теплоносителя в каналах из стали и ванадия в поперечном магнитном поле индукцией до 1,0 Тл;

- Результаты исследований по определению величины термодинамической активности кислорода в галлиевом теплоносителе методом гальванического концентрационного элемента.

Научная новизна работы заключается в выполненных расчетно -теоретических и экспериментальных исследованиях механизмов формирования ЭИП на поверхностях конструкционных материалов, рассматриваемых для использования в условиях галлиевого контура системы охлаждения дивертора ТЯР при контакте с ЖМТ на основе галлия, исследованию их работоспособности, а также определению МГД - сопротивления потоку галлия в магнитном поле, в том числе и в условиях неизотермического галлиевого контура.

Практическая ценность работы состоит в том, что автором выполнены исследования различных способов формирования и доформирования ЭИП на поверхностях конструкционных материалов системы охлаждения дивертора ТЯР в условиях, приближенным к реальным условиям работы ТЯР, и сравнительный анализ данных способов. Проведено исследование работоспособности ЭИП и расчет максимальной величины термоциклических нагрузок (термоударов), возникающих в системе охлаждения дивертора при импульсной работе ТЯР. Проведенные исследования подтверждают возможность создания и поддержания на внутренних поверхностях каналов охлаждения дивертора ТЯР оксидных ЭИП, снижающих МГД и общее гидравлическое сопротивление до технически приемлемых величин.

Апробация работы. Результаты работы обсуждались на совещаниях специалистов, докладывались на отечественных и международных конференциях, опубликовывались в отечественных журналах и используются для обоснования концепции системы охлаждения дивертора ТЯР галлиевым теплоносителем, а также при разработке такой системы применительно к ИТР.

В работе обобщены результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных на кафедре «АТС и МИ» НГТУ автором самостоятельно и в соавторстве с д.т.н. Безносовым A.B., к.т.н. Щербаковым Р.В., к.т.н. Кузьминых С.А., инж. Серовым В.Е., асп. Захватовым В.Н., асп. Мелузовым А.Г. (НГТУ), к.т.н. Романовым П.В. (РНЦ КИ).

Исследования, результаты которых приводятся в настоящей работе, проводились на оборудовании и экспериментальных установках, смонтированных на базе кафедры "АТС и МИ" НГТУ непосредственно автором.

Основные материалы работы в диссертационных работах соавторов не освещались.

Публикации:

1. Безносов А. В., Щербаков Р. В., Бутов А. А., Романов П. В. Применение жидких металлов для охлаждения дивертора "токамака". "Ядерная энергетика", № 6, 1995 г., с. 66 - 72

2. Романов П. В., Безносов А. В., Кузьминых С. А., Бутов А. А., Парфенова JI. А. Экспериментальное исследование МГД - сопротивления и характеристик электроизолирующих покрытий на конструкционных материалах систем охлаждения токамака жидкометаллическими теплоносителями. "Вопросы атомной науки и техники", серия "Термоядерный синтез", выпуск 11 - 12, 1998.

3. Романов П. В., Безносов А. В., Бутов А. А., Кузьминых С. А., Захватов В. Н., Мелузов А. Г. Влияние термоциклических нагрузок на характеристики электроизолирующих покрытий конструкционных материалов в контурах охлаждения бланкета и дивертора с жидкометаллическими теплоносителями. "Вопросы атомной науки и техники", серия "Термоядерный синтез", выпуск 2, 1999, с. 66 - 72.

4. Besnosov А. V., Dmitriev S. М., Butov A. A., Remisov J. J., Romanov P. V. Experimental studies of steam generator accident with coolant leak into LM primary loop. Program and collected abstracts. 8th International Conference on Fusion Reactor Materials (ICFRM-8) October 26-31, 1997, Sendai, Japan, p. 302

5. Безносов А. В., Дмитриев С. М., Бутов А. А., Захватов В. П., Романов П. В. Экспериментальные исследования МГД - сопротивления потока РЬ, РЬ—В], РЬ-1л, Оа, Ь1 в поперечном магнитном поле. "Тяжелые жидкометаллические теплоносители в ядерных технологиях" ТЖМТ -98. Программа и тезисы докладов конференции, с. 28

6. Безносов А. В., Бутов А. А., Щербаков Р. В., Романов П. В. Экспериментальные исследования в обоснование концепции охлаждения дивертора токамака галлиевым теплоносителем. "Тяжелые жидкометаллические теплоносители в ядерных технологиях" ТЖМТ -98. Программа и тезисы докладов конференции, с. 37

7. Бутов А. А., Парфенова Л. А. Экспериментальное исследование МГД -сопротивления и характеристик электроизолирующих покрытий на конструкционных материалах систем охлаждения токамака жидкометаллическими теплоносителями. "Третья нижегородская сессия молодых ученых". Сборник тезисов докладов, с. 92

8. Захватов В. Н., Бутов А. А., Семенов А. В. Экспериментальное исследование характеристик электроизолирующих покрытий на конструкционных материалах систем охлаждения токамака жидким свинцом. "Четвертая нижегородская сессия молодых ученых". Сборник тезисов докладов, с. 101

9. Бутов А. А., Захватов В. Н., Семенов А. В. Влияние термоциклических нагрузок на характеристики электроизолирующих покрытий конструкционных материалов в контурах охлаждения бланкета и дивертора с жидкометаллическими теплоносителями. "Четвертая нижегородская сессия молодых ученых". Сборник тезисов докладов, с. 106

10. Безносов А. В., Фарафонов А. В., Бутов А. А. Система преобразования энергии термоядерного реактора. Авторское свидетельство № 5885, 1997г.

11. Безносов А. В., Бутов А. А., Попкова Л. А., Романов П. В. Система преобразования энергии термоядерного реактора типа токамак, охлаждаемого эвтектикой свинец - литий. Авторское свидетельство № 9545, 1999 г.

12. Безносов А. В., Кузьминых С. А., Бутов А. А., Мелузов А. Г., Романов П. В., Парфенова Л. А. Экспериментальное исследование МГД -сопротивления и характеристик электроизолирующих покрытий на конструкционных материалах систем охлаждения токамака жидкометаллическими теплоносителями. Нижегородский государственный технический университет, отчет, № г. р. 01940002164, УДК 539.1.08, Инв. № 02970003864

13. Безносов А. В., Кузьминых С. А., Мелузов А. Г., Бутов А. А., Романов П. В., Каратушина И. В. Экспериментальное исследование взаимодействия в системе конструкционный материал - электроизолирующее (защитное) покрытие - эвтектика свинец - литий + висмут применительно к системе

16 теплоотвода бланкета токамака. Нижегородский государственный технический университет, отчет, № г. р. 01940002164, УДК 539.1.08, Инв.№ 01970003852 14. Безносов А. В., Бутов А. А., Серов В. Е., Романов П. В. Экспериментальные и теоретические исследования режима "межконтурная неплотность парогенератора" в контуре охлаждения ЖМТ бланкета токамака. Нижегородский государственный технический университет, отчет, № г. р. 01940002164, УДК 539.1.08, Инв. № 02970003460

5.3.7 Выводы

Проведенные эксперименты показали принципиальную возможность формирования и поддержания стабильных оксидных электроизолирующих покрытий на поверхности конструкционных материалов, контактирующих с жидким галлием при работе ЭИП в условиях термоциклических нагрузок, по крайней мере, при содержании кислорода теплоносителе на линии насыщения или близкой к ней. Значение величины р8, зафиксированное в экспериментах, не зависит от количества проведенных термоударов и сравнимо со значениями величины р8 оксидных покрытий, сформированных на поверхности конструкционных материалов без термоударов. Анализ вольтамперных характеристик показал, что характеристики электроизолирующих покрытий для галлия близки к характеристикам изолятора, как до проведения термоударов, так и после, что позволяет сделать вывод о пригодности сформированных ЭИП для поставленной цели -уменьшения МГД - сопротивления потоку ЖМТ в системе охлаждения дивертора реактора токамака.

6 Рекомендации по проектным и эксплуатационным решениям контура охлаждения дивертора с галлиевым теплоносителем с учетом формирования электроизолирующих покрытий на внутренних поверхностях контура

В настоящем разделе отражены научно - технические рекомендации, предлагаемые на основе выполненных автором теоретических и экспериментальных исследований по технологии галлиевого теплоносителя, предусматривающей формирование и доформирование оксидных электроизолирующих покрытий на поверхностях конструкционных материалов контура охлаждения дивертора токамака.

6.1 Регулирование содержания кислорода в галлиевом теплоносителе

Сравнительные экспериментальные исследования различных технологий формирования и доформирования покрытий в разделах 2 и 3 настоящей работы показали возможность реализации этих технологий в условиях галлиевого циркуляционного контура.

В конкретных условиях испытаний наиболее эффективным оказался последний способ (растворение оксидов галлия в обтекающих их потоках теплоносителя). Однако, окончательный вариант может быть выбран на основе экспериментов на нескольких стендах, более представительно моделирующих условия конкретного галлиевого контура (отношение объема теплоносителя и контактирующих с ним конкретных марок материалов - бериллиевых сплавов, сталей и др.; тип насоса - механический, электромагнитный; температурные и гидродинамические режимы работы контура охлаждения дивертора; другие его характеристики).

На данной стадии исследований для последующей разработки рекомендуются три основных технологии формирования и доформирования оксидных электроизолирующих покрытий на поверхностях конструкционных материалов, контактирующих с галлиевым теплоносителем:

- с дозированным вводом кислорода (или оксидов в газовой (паровой) фазе) в газовый объем над свободным уровнем галлиевого теплоносителя в проточной буферной емкости (компенсаторе объема) контура (рис. 6.1).

- с эжекцией кислородосодержащих газовых (газопаровых) смесей потоком галлия с насыщением кислородом циркулирующего потока галлиевого теплоносителя (рис. 6.2) из объема газовых пузырей, эжектируемых потоком.

- с растворением гранул (либо в другой форме) оксида галлия, помещенных в проточную емкость с регулируемой температурой нагрева оксидов и омывающего их теплоносителя (рис. 6.3).

164

Дозированный ввод кислорода в газовый объем контура, в зависимости от конкретного исполнения контура, рекомендуется производить следующими основными способами:

- регулируемой подачей газовой (газопаровой) кислородосодержащей смеси из баллонов компрессором с переменной производительностью (рис. 6.1);

- регулируемой подачей газовой (газопаровой) кислородосодержащей смеси из баллонов через дросселирующее устройство, регулирующий и запорный вентиля;

- подачей кислорода, генерируемого путем регулируемого термического разложения кислородосодержащих веществ (марганцовокислого калия или др.);

- подачей увлажненного кислорода, генерируемого путем регулируемого электролиза воды;

- другие способы (или комбинация вышеперечисленных) ввода примеси кислорода.

Дозированный ввод кислорода в поток циркулирующего галлиевого теплоносителя, в зависимости от конкретного исполнения контура, рекомендуется производить следующими основными способами:

- регулируемой подачей ( за счет регулирующего газового вентиля) и эжекцией потоком галлия "двойной" газовой смеси (аргон + кислород, гелий + кислород) из газового объема контура (рис. 6.2) с последующей сепарацией непрореагировавшей газовой смеси в буферной емкости (компенсаторе объема);

- регулируемой подачей (за счет регулирующего газового вентиля) и эжекцией потоком галлиевого теплоносителя "тройной" (увлажненной) газовой смеси (аргон + кислород + водяной пар, гелий + кислород + водяной пар) с пропуском эжектируемого потоком газа через барботер с водой с регулируемой температурой подогрева воды; последующая сепарация непрореагировавшей газовой смеси осуществляется в буферной емкости (компенсаторе объема);

- регулируемым вводом газовой (газопаровой) смеси из баллонов в поток галлия за счет избыточного давления газа в баллоне над давлением галлия в точке ввода газа;

- насыщением потока галлиевого теплоносителя оксидами галлия при регулируемом изменении температуры емкости с оксидами, омываемыми потоком теплоносителя (рис. 6.3).

Особенностью технологического процесса формирования и доформирования ЗИП на поверхностях конструкционных материалов контура охлаждения дивертора токамака галлием является то, что часть свободной поверхности галлия через щелевые зазоры непосредственно сообщается с отвакуумированным объемом плазменной камеры токамака. Поэтому компоновочные решения этого контура должны исключать "проскок" газа, в том числе и содержащего примесь кислорода, в плазменную камеру реактора во всех нормальных и аварийных ситуациях. Техническая реализация этого требования возможна, например, введением гидрозатворов между камерами охлаждения токамака и свободными уровнями галлия, причем высота галлиевого гидрозатвора, умноженная на удельный вес галлия при температуре в гидрозатворе, должна превышать сумму избыточного давления газа над свободным уровнем и соответствующего гидростатического давления галлия.

Особенностью галлия, по сравнению со свинцом или сплавом свинец -висмут, является то, что в случае избыточного поступления кислорода в контур с галлием невозможно восстановление оксидов галлия водородом или его удаления другими технически простыми способами. Для исключения избыточного накопления примеси оксида галлия в циркуляционном контуре и отложения их в каналах и на теплопередающих поверхностях рекомендуется вводить в состав галлиевого контура последовательно (на полный расход) проточную буферную емкость (компенсатор давления) с техническими характеристиками, обеспечивающими отстой (сепарацию) дисперсных частиц оксидов галлия с концентрацией частиц этих примесей на свободной поверхности галлия. Последующее удаление дисперсных примесей ("шлаков") со свободной поверхности галлия возможно механическими или другими способами.

Возможно удаление избыточного содержания кислорода в галлии "холодными" ловушками аналогично устройствам, применяемым в контурах с натриевым теплоносителем.

6.2 Контроль процесса формирования и деформирования оксидных электроизолирующих покрытий

Одним из основных условий формирования и доформирования оксидных ЭИП на конструкционных материалах, а также сохранение их работоспособности в галлиевом теплоносителе является условие поддержания в теплоносителе величины окислительного потенциала, обеспечивающей протекание указанных процессов. На основании проведенного автором анализа можно утверждать, что величина термодинамической активности кислорода в галлии в общем случае должны находиться в диапазоне ЮЛ.ЛО"1. При отсутствии средств контроля этой величины возникает опасность, с одной стороны, перенасыщения контура кислородом и его зашлаковывания, с другой стороны - восстановление и разрушение оксидных ЭИП.

На основании проведенных исследований автор рекомендует использовать для контроля содержания термодинамически активного кислорода в галлиевом теплоносители датчик на основе твердого гальванического концентрационного элемента, например, на основе диоксида циркония (См. раздел 4 диссертации). Указанные датчики рекомендуется устанавливать до и после элементов охлаждения дивертора, например, до и после напорного и сливного коллекторов (рис. 6.1 - 6.3). Число датчиков в каждом месте их установки рекомендуется не менее трех для получения представительных результатов замера. Ввод кислородосодержащих веществ в галлиевый контур, в его газовую систему или поток галлия должен осуществляться и прекращаться по сигналам от датчика термодинамически активного кислорода в галлии. Значение величины термодинамической активности кислорода в галлии в конкретном контуре рекомендуется поддерживать в диапазоне, определяемом температурным режимом, а также примененными конструкционными материалами.

Следует отметить, что оптимальным техническим решением была бы комплексная система контроля и регулирования содержания примесей в галлиевом теплоносителем, в контуре ЖМТ и в системе защитного газа, одной из функций которой было бы контроль и регулирование окислительного потенциала галлиевого теплоносителя с целью формирования, доформирования и обеспечение работоспособности оксидных ЭИП на поверхностях конструкционных материалов контура, контактирующих с галлиевым теплоносителем.

Заключение

- Проведены теоретические исследования процессов массопереноса оксидов теплоносителя и примесей в контуре системы охлаждения дивертора ТЯР;

- Проведены теоретические и экспериментальные исследования по выбору и обоснованию способов формирования ЭИП, обеспечивающих возможность создания жидкометаллической системы охлаждения дивертора ТЯР Ж основе галлиевого теплоносителя;

- Выполнены теоретические и экспериментальные работы по исследованию характеристик защитных ЭИП, сформированных в различных условиях в зависимости от температуры и индукции магнитного поля;

- Расчитана максимальная величина термоударов, возможных в системе охлаждения дивертора ТЯР;

- Выполнены теоретические и экспериментальные работы по исследованию характеристик защитных ЭИП при воздействии на них термоциклических нагрузок в зависимости от температуры, плотности тока;

- Проведены экспериментальные исследования по определению МГД -сопротивления при течении галлиевого теплоносителя в каналах из стали и ванадиевого сплава в поперечном магнитном поле индукцией до 1,0 Тл;

- Проведены исследования по определению величины термодинамической активности кислорода в галлиевом теплоносителе методом гальванического концентрационного элемента.

1. Федоров П. И., Мохосоев М. В., Алексеев Ф. П. Химия галлия, индия и таллия. -Новосибирск: "Наука", 1977.

2. Liquid metal cooled divertor for ARIES: final report of the design study / Institute of Nuclear Fusion of Russian Scientific Center Kurchatov Institute. M., 1993.

3. Яценко С. П. Галлий. Взаимодействие с металлами. М.: "Наука", 1974.

4. Иванова Р. Е. Химия и технология галлия. М.: "Металлургия", 1973.

5. Безносов А. В., Щербаков Р. В., Бутов А. А., Романов П. В. Применение жидких металлов для охлаждения дивертора токамака. "Ядерная энергетика", № 6, 1995.

6. Тонкие пленки. Взаимная диффузия и реакции; под ред. Дж. Паута, К. Ту, Дж. Мейера. -М.: "Мир", 1982.

7. Герцрикен С. Д., Дехтяр И. Я. Диффузия в металлах и сплавах в твердой фазе. -М.: "Физматгиз", 1960.

8. Гуров К. П., Карташкин Б. А., Угасте Ю. Э. Взаимная диффузия в многофазных металлических системах. -М.: "Наука", 1981.

9. Каширский А. В., Мошкин С. А., Романов П. В. Экспериментальный модуль бланкета со свинцовым теплоносителем и "сухим" керамическим бридером: Отчет о НИР, Москва, РНЦ КИ, 1993.

10. Безносов А. В., Щербаков Р. В., Каратушина И. В. и др. Исследования характеристик электроизолирующих покрытий в галлиевом теплоносителе длядивертора "Токамака" "Вопросы атомной науки и техники", Серия "термоядерный синтез", № 8, 1994.

11. Структура и свойства металлов и сплавов. Справочник. Киев: "Наукова думка", 1986.

12. Безносов А. В., Щербаков Р. В., Бутов А. А., Романов П. В. Применение жидких металлов для охлаждения дивертора "токамака". "Ядерная энергетика", № 6, 1995.

13. Таланчук П. М., Шматко Б. А., Заика Л. С., Цветкова О. В. Полупроводниковые и твердоэлектролитные сенсоры. Киев: "Техника", 1992.

14. Жуховицкий А. А., Шварцман Л. А. Физическая химия. М.: "Металлургия", 1964.

15. Субботин В. И., Ивановский М. Н., Арнольдов М. Н. Физико химические основы применения жидкометаллических теплоносителей. - М.: "Атомиздат", 1970.

16. Справочник по электрохимии; под ред. Сухотина А. М. Л.: "Химия", 1981.

17. Romanov P. V. Feasibility of liquid gallium cooling for ITER divertor cassette. Fusion Technology, 1997.

18. Муравьев E. В. и др. Диверторная кассета реактора ИТЭР с галлиевым охлаждением. Вопросы атомной науки и техники. Сер. "Термоядерный синтез", вып.1 -2, 1997.

19. Angus Н. G., Bris. Appl. Phys., Y.13, 1962.

20. D'Ansonio С., Hirshhorn J., Tarsnis L. Trans. AIME. 227, 1963.

21. Pilling N. B. and Btdwourth R. E. Jnst. Metals. V. 29, 1923.

22. Jaccodin R. J. Schlegel W. A. Appl. Phys., V.37, 1966.

23. Ligenra J. R. Appl. Phys., V.36, 1966.

24. Borie B. and Sparks C. J. Thin Films. Ohio: American Society for Metals Park, 1963.

25. Borie В., Sparks C. J and Cathoart J. V. Acta Met., V.10, 1962.

26. Greenlank J. C. Harper S. Electrochem. Telin., V. 4, 1966.1.l

27. Суорц К. Э. Необыкновенная физика обыкновенных явлений. Пер. англ. В 2-х томах, т. 1, М.: "Наука", 1986.

28. Menter J. W., Peshley D. W. Structure and Properties of Thin Films. New York.: John Wiley Sons, 1959.

29. Щербаков Р.В. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, М.; 1996.

30. Безносов A.B., Каратушина И.В., Щербаков Р.В. и др. Формирование электроизолирующих и защитных покрытий на сталях, ванадии и его сплавах путем массопереноса примесей в среде жидкого галлия. Сборник тезисов докладов "Теплофизика-93", Обнинск, 1993.

31. Безносов A.B., Каратушина И.В., Щербаков Р.В. и др. О возможности применения жидкого галлия в системе охлаждения дивертора Токамака. "Вопросы атомной науки и техники", серия "Термоядерный синтез", 1993.