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

Введение.

1 Применение свинца в' системе преобразования энергии бланкета термоядерного реактора типа токамак (аналитический обзор).

1.1 Анализ возможности применения водяного, газового теплоносителя.

1.2 Анализ возможности применения ЖМТ (литий, эвтектика свинец-литий и свинец-висмут, свинец, галлий). Обоснование применения свинца в качестве теплоносителя.

1.3 Физические свойства свинца.

1.3.1 Физические характеристики.

1.3.2 Химические свойства свинца.

1.4 Обоснование необходимости формирования ЭИП.

1.4.1 Анализ величин МГД-сопротивления в системе охлаждения бланкета свинцовым теплоносителем.

1.4.2 Возможные пути уменьшения МГД-сопротивления.

1.5 Постановка задач исследований.

2 Обоснование выбора типа ЭИП на конструкционных материалах в свинцовом теплоносителе.:.

2.1 Выбор типа электроизолирующих покрытий на конструкционных материалах.

2.2 Термодинамический анализ процессов окисления в системе свинец - конструкционные материалы - кислород.

2.3 Выводы.

3 Экспериментальные исследования характеристик электроизолирующих покрытий в различных условиях.

3.1 Определение характеристик ЭИП на поверхностях конструкционных материалов в свинцовом теплоносителе.

3.1.1 Методика проведения экспериментов и обработки результатов.

3.1.2 Обсуждение результатов.

3.1.2.1 Зависимость величины р5 от температуры.

3.1.2.2 Зависимость величины рб от времени выдержки образцов в свинце.

3.1.2.3 Зависимость величины р5 от материала образцов.

3.1.2.4 Зависимость р5 от режима обтекания.

3.1.2.5. Вольт амперная характеристика системы электрод - ЭИП - свинец - ЭИП - электрод.

3.1.2.6 Расчет погрешностей эксперимента.

3.1.3 Сравнение полученных характеристик ЭИП, сформированных в свинце, с характеристиками, полученными ранее для свинца и для других теплоносителей.

3.1.3.1 Зависимость рб от типа теплоносителя.

3.1.3.2 Зависимость рб от типа конструкционного материала.

3.1.3.3 Зависимость величины р5 от температуры.

3.1.3.4 Вольт - амперные характеристики системы электрод - ЭИП - расплав - ЭИП - электрод.

3.1.3.5 Зависимость величины рб от режима обтекания образцов.

3.1.4 Выводы.

3.2 Исследование работоспособности оксидных ЭИП в свинцовом теплоносителе в условиях термоциклических нагрузок.

3.2.1 Анализ величины термоциклических нагрузок стенки канала охлаждения бланкета токамака с ЭИП в свинцовом теплоносителе.

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

3.2.2.1 Механические свойства пленок.

3.2.2.2 Анализ механизма сцепления пленки с конструкционным материалом.

3.2.2.3 Анализ напряжений растяжения в пленке и возможного трещинообразования.

3.2.3 Экспериментальные исследования влияния термоциклических нагрузок на характеристики ЭИП.

3.2.3.1 Методика проведения эксперимента.

3.2.3.2 Обсуждение результатов.

3.2.3.2.1 Зависимость величины р от количества термоударов.

3.2.3.1.2 Вольт-амперная характеристика системы.

3.2.3.1.3 Расчет погрешности определения величины р5.

3.2.4 Выводы.

3.3 Исследование взаимодействия оксидных ЭИП с водой.

3.3.1 Анализ процессов взаимодействия оксидных покрытий с водой.

3.3.2 Экспериментальное исследование взаимодействия в системе: сталь - оксидное электроизолирующее покрытие - свинец - вода.

3.3.2.1 Методика проведения эксперимента.

3.3.2.2 Расчет погрешности измерения потери масс образцами.

3.3.3 Обсуждение результатов.

3.3.3.1 Анализ изменения масс исследуемых образцов.

3.3.3.2 Анализ шлифов экспериментальных образцов.

3.3.4 Анализ различных сред, применяемых в качестве консервантов.

3.3.5 Выводы.

4 Экспериментальные исследования МГД - сопротивления потоку свинцового теплоносителя в поперечном магнитном поле.

4.1 Описание экспериментальной установки.

4.2 Методика проведения эксперимента.

4.3 Методика обработки экспериментальных данных.

4.4 Обсуждение результатов.

4.4.1 Зависимость коэффициента сопротивления от критерия Стюарта.

4.4.2 Зависимость коэффициента сопротивления от температуры.

4.4.3 Зависимость коэффициента сопротивления от скорости теплоносителя.

4.4.4 Расчетное определение электромагнитной составляющей

Хм на основе экспериментальных данных.

4.5 Расчет погрешностей эксперимента.

4.6 Сравнительный анализ результатов эксперимента с результатами аналогичных исследований, проведенных ранее.

4.6.1 Описание экспериментальной установки и методика проведения экспериментов.

4.6.2 Методика обработки экспериментальных данных.

4.6.3 Сравнение результатов экспериментальных данных.

4.7 Анализ результатов водородной очистки теплоносителя.

4.8 Выводы.

5 Экспериментальное определение величин краевых углов смачивания свинцовым теплоносителем поверхностей конструкционных материалов с оксидными ЭИП.

5.1 Аналитический обзор вопроса исследования характеристик межфазного взаимодействия.

5.1.1 Влияние покрытий на твердом металле и примесей в жидком на характеристики межфазного взаимодействия.

5.1.2 Методы исследования межфазных характеристик.

5.1.3 Поверхностные характеристики одной фазы.

5.2 Экспериментальные исследования системы ТЖМТ - газ - ЭИП.

5.2.1 Описание экспериментальной установки.

5.2.2 Методика проведения эксперимента.

5.2.3 Методика определения характеристик межфазного взаимодействия.

5.3 Анализ результатов испытаний.

5.3.1 Результаты визуального анализа.

5.3.2 Температурные зависимости исследуемых характеристик.

5.3.2.1 Краевой угол смачивания.

5.3.2.2 Поверхностное натяжение.

5.3.3 Влияние материала подложки.

5.3.3.1 Краевой угол смачивания.

5.3.3.2 Поверхностное натяжение.

5.3.4 Состав газовой атмосферы.

5.3.4.1 Краевой угол смачивания.

5.3.4.2 Поверхностное натяжение.

5.3.5 Продолжительность времени экспериментов.

5.3.6 Сравнение результатов, полученных для свинца и свинец - висмутовой эвтектики.

5.4 Анализ погрешности эксперимента.

5.5 Выводы.

6 Экспериментальные исследования возможности применения литийсодержащих ситаллов в системе ЭИП - свинец - ситалл в бланкете токамака со свинцовым теплоносителем.

6.1 Анализ возможности применения литийсодержащих ситаллов для наработки трития в бланкете ТЯР.

6.2 Экспериментальные исследования стойкости ситалловых элементов в свинцовом и свинец - висмутовом теплоносителях.

6.2.1 Автоклавные испытания.

6.2.2 Испытания в потоке ТЖМТ в циркуляционном стенде.

6.3 Вопросы загрузки и выгрузки ситаллов из каналов бланкета.

6.3.1 Геометрия и размеры ситалловых элементов.

6.3.2 Теплоотвод от ситалловых элементов в каналах.

6.3.3 Загрузка ситалловых шаров в каналы.

6.3.4 Выгрузка ситалловой засыпки из каналов.

6.3.5 Удаление наработанного трития.

6.4 Экспериментальное исследование операций загрузки - выгрузки ситалловых шаров из протяженных каналов сложной геометрии.

6.4.1 Описание экспериментальной установки и программы - методики испытаний.

6.4.2 Анализ результатов исследований.

6.4.3 Выводы.

Развитие мировой цивилизации тесно связано с высоким уровнем потребления энергетических ресурсов. В свете проблем, связанных со скорой, по оценкам специалистов, исчерпаемостью природных запасов органического топлива и невозможностью добычи электрической, тепловой энергии нетрадиционными путями в промышленных масштабах в настоящее время, единственным альтернативным источником энергии будущего представляется ядерная энергетика. Одним из наиболее перспективных направлений развития ядерной энергетики является создание промышленных энергетических термоядерных реакторных установок типа ТОКАМАК. По сравнению с реакторами деления, термоядерные обладают рядом преимуществ, такими как практически неограниченные запасы топлива, сравнительно небольшое количество радиоактивных отходов, высокая безопасность эксплуатации.

Несмотря на значительные успехи, достигнутые при проектировании термоядерных установок, остаются открытыми ряд существенных вопросов, требующих дальнейшего конструкторского и экспериментального исследования. Одним из них является проблема охлаждения и защиты бланкета и дивертора, которые представляют собой наиболее энергонапряженные элементы конструкции ТЯР. Высокие требования, предъявляемые к безопасности и надежности указанных элементов, а также тяжелейшие условия их работы налагают особые требования к применяемым теплоносителям систем охлаждения, из которых жидкие металлы представляются единственно приемлемыми.

Однако, применение жидкометаллических теплоносителей (ЖМТ) приводит к возникновению ряда проблем, таких как коррозионная стойкость конструкционных материалов при контакте с теплоносителем, безопасность контакта теплоносителя с водой и воздухом, его активация, а также проблема прокачки ЖМТ через поперечное магнитное поле и его воздействие на различные процессы, происходящие в каналах охлаждения. Без решения этих проблем невозможно создание надежной и экономичной реакторной установки.

В качестве одного из теплоносителей системы охлаждения бланкета токамака предложен и рассматривается свинец.

Цель работы. Настоящая работа посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям оксидных электроизолирующих покрытий, изучению их характеристик, отработке технологии формирования в условиях циркуляционного стенда со свинцовым теплоносителем применительно к системе охлаждения бланкета токамака, экспериментальному определению МГД - сопротивления потоку свинца в поперечном магнитном поле, а также процессов взаимодействия в системе: покрытия - свинец - литийсодержащие ситаллы.

Для реализации указанной цели потребовалось решить следующие основные задачи:

- Обосновать возможность применения свинца в качестве теплоносителя системы охлаждения бланкета токамака;

- Провести термодинамический анализ системы конструкционный материал - свинец - кислород;

Выполнить экспериментальные исследования характеристик электроизолирующих покрытий (ЭИП) с помощью изучения параметра р8 (р -удельное электросопротивление материала покрытия, 8 - его толщина);

- Исследовать влияние на ЭИП условий, реализуемых в реальном ТЯР (термоциклические нагрузки, наличие примесей, технология обработки теплоносителя и др.);

- Исследовать характеристики покрытий при различных условиях путем определения величины краевых углов смачивания и сил поверхностного натяжения свинца между ЭИП и свинцовым теплоносителем методом покоящейся капли;

- Исследовать работоспособность покрытий при применении литиевых ситалловых элементов для наработки трития в ТЯР, охлаждаемом свинцовым теплоносителем, а также отдельные научно-технические аспекты реализации этой концепции;

- Провести экспериментальные исследования коэффициента сопротивления X течению свинцового теплоносителя в поперечном магнитном поле и его зависимости от режима течения, температуры свинца и величины индукции магнитного поля.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- Результаты теоретических исследований, направленных на обоснование возможности формирования электроизолирующих оксидных покрытий на поверхностях конструкционных материалов в свинцовом теплоносителе;

- Результаты экспериментальных исследований, направленных на определение электроизолирующих характеристик оксидных покрытий в свинцовом теплоносителе и сравнение их с ранее полученными для других теплоносителей;

Результаты теоретического расчета максимальной величины термоударов на внутренних поверхностях каналов охлаждения бланкета токамака, возможных в процессе работы реактора;

- Результаты теоретических и экспериментальных исследований, направленных на определение воздействия термоциклических нагрузок на ЭИП и оценка их работоспособности в свинцовом теплоносителе;

Результаты теоретических и экспериментальных исследований стойкости оксидных ЭИП в воде;

- Результаты теоретических и экспериментальных исследований по -определению поверхностных характеристик между свинцовым теплоносителем и сформированными в нем оксидными ЭИП;

- Результаты экспериментального определения МГД - сопротивления течению свинцового теплоносителя в каналах из стали и ванадия в поперечном магнитном поле индукцией до 1,0 Тл при различных режимах течения.

- Результаты работ по исследованию процессов взаимодействия в системе: ЭИП - свинец - литийсодержащие ситаллы, а так же направленных на обоснование возможности применения литийсодержащих ситаллов для наработки трития в ТЯР, охлаждаемом свинцовым теплоносителем.

Научная новизна работы заключается в выполненных впервые расчетно-теоретических и экспериментальных исследованиях характеристик процессов формирования и поддержания работоспособности оксидных ЭИП на поверхностях конструкционных материалов применительно к системе охлаждения бланкета токамака свинцовым теплоносителем, а также в определении МГД - сопротивления потоку свинцового теплоносителя в магнитном поле, в том числе и в условиях неизотермического циркуляционного контура.

Практическая ценность работы состоит в том, что автором выполнены исследования различных технологий формирования ЭИП в условиях циркуляционного стенда, проведены экспериментальные и теоретические работы по определению величин МГД-сопротивления потоку свинцового теплоносителя для различных участков с покрытиями и без них , подтверждающие эффективность оксидных ЭИП как средства снижения МГД и общих потерь до технически приемлемого уровня применительно к инженерным решениям бланкета токамака.

Апробация работы Результаты работы докладывались на международных конференциях в г. Обнинске (Российская Федерация), г. Салоники (Греция), на 4 и 5 Нижегородской конференции молодых ученых и неоднократно обсуждались на совещаниях и на семинарах соответствующих специалистов.

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 А.В., к.т.н. Бутовым А.А., инж. Серовым В.Е., асп. Пинаевым С.С, асп. Давыдовым Д.В., асп. Мелузовым А.Г., асп. Семеновым А.В., асп. Боковой Т.А. (НГТУ), а также со специалистами РНЦ РФ КИ - к.т.н. Романовым П.В.

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

Основные материалы работы в диссертационных работах соавторов не освещались.

Основные публикации по теме диссертации

1. Безносов А.В., Дмитриев С.М., Захватов В.Н., Фисейский Н.Е., Леонов В.Н., Поликша В.В., Цикунов B.C. Исследование процессов при течи ПГ в контуре реакторов со свинцовым теплоносителем. "Тяжелые ЖМТ в ядерных технологиях" ТЖМТ - 98, г. Обнинск. Программа и тезисы докладов конференции, с. 29.

2. Безносов А. В., Дмитриев С. М., Бутов А. А., Захватов В. Н., Романов П. В. Экспериментальные исследования МГД - сопротивления потока Pb, Pb-Bi, Pb-Li, Ga, Li в поперечном магнитном поле. "Тяжелые ЖМТ в ядерных технологиях" ТЖМТ - 98, г. Обнинск. Программа и тезисы докладов конференции, с. 28

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 ЖМТ. "Вопросы атомной науки и техники", серия "Термоядерный синтез", выпуск 2, 1999, с. 66 - 72.

4. Безносов А.В., Захватов В.Н. Обоснование выбора типа ЭИП на конструкционных материалах в свинцовом теплоносителе. № г.р. 01940002164, инв.№ 20.0000.881. - Нижний Новгород, 1999.-22 с.

5. Безносов А.В., Скобелев С.Г., Захватов В.Н., Фисейский Н.Е. , Ремизов Ю.Ю., Романов П.В., Городова М.Г. Исследование структуры и характеристик двухкомпонентного потока ТЖМТ -рабочее тело при течи парогенератора в контуре ТЖМТ системы преобразования энергии ТОКАМАКа. НГТУ, № г, р. 0194002164; Инв. № 02.99.0005637, 76с.

6. Безносов А.В., Скобелев С.Г., Захватов В.Н., Ляхов И.Ю., Романов П.В Научно-технический анализ применения ТЖМТ в системе теплоотвода токамака. НГТУ, № г. р. 01940002164; Инв. № 02.99.0000629, 56 с.

7. 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", г. Дзержинск, Сборник тезисов докладов, с. 101 - 1999.

8. Захватов В. Н., Бутов А. А., Семенов А. В. Влияние термоциклических нагрузок на характеристики ЭИП конструкционных материалов в контурах охлаждения бланкета и дивертора ТЖМТ. "Четвертая нижегородская сессия молодых ученых", г. Дзержинск, Сборник тезисов докладов, с. 106 - 1999.

9. Безносов А.В., Захватов В.,Н., Романов П.В., Скобелев С.Г., Ляхов И.Ю. Принципиальные схемные решения систем преобразования энергии бланкета с учетом возможной аварии «межконтурная неплотность ГТГ». Журнал «АТОМНАЯ ЭНЕРГИЯ», Т. 86, вып. 6, с. 471 - 473.

10.Захватов В.Н. Сравнительный анализ характеристик электросопротивления ЭИП на различных материалах в различных типах ТЖМТ применительно к системе охлаждения бланкета токамака. "Пятая нижегородская сессия молодых ученых", г. Дзержинск, Сборник тезисов докладов, с. 58 - 2000.

П.Безносов А.В., Захватов В.Н. Исследование работоспособности оксидных ЭИП на конструкционных материалах в свинцовом теплоносителе при воздействии термоциклических нагрузок. НГТУ, № г. р. 01940002164, Инв. №02.20.0004460, 56 с. - 2000 г.

12.Безносов А.В., Романов П.В., Захватов В.Н., Каратушина И.В., Макарова Е.Ю., Муравьев Е.В., Городова М.Г. Экспериментальные исследования системы: канал бланкета токамака со свинцовым (свинец - висмутовым) теплоносителем - ситалловые элементы для обоснования возможности наработки сырьевого материала - трития в токамаке. НГТУ; № г. р. 01940002164, Инв. №02.20.0004135, 47 с! - 2000 г.

13.Безносов А.В., Захватов В.Н., Фисейский Н.Е., Пинаев С.С., Романов П.П. Определение характеристик ЭИП на поверхностях конструкционных материалов в свинцовом теплоносителе. НГТУ; № г. р. 01940002164, Инв. № 02.20.0002561., 63 с. - 2000 г.

14.Безносов А.В., Захватов В.Н., Агапов Д.В. Исследование взаимодействия оксидных ЭИП на материалах контура свинцового теплоносителя токамака с водой. НГТУ, № г. р. 01940002164, Инв. № 02.20.0007212, 27 с. - 2000 г.

15. Безносов А. В., Захватов В. Н., Пинаев С.С., Осетров А. С. Система преобразования энергии термоядерного реактора. Свидетельство на полезную модель № 14315, 2000г.

16. Безносов А.В., Бокова Т.А., Захватов В.Н., Семенов А.В. Экспериментальные исследования по определения величины краевого угла смачивания свинца на образцах конструкционных материалов с оксидными ЭИП применительно к системе охлаждения бланкета токамака. Проблемы технологии и теплогидравлики ЖМТ, Сборник тезисов и докладов, г. Обнинск, с.67-68, 2000 г.

16

П.Безносов А.В., Кирьянов В.А., Захватов В.Н., Пинаев С.С., Бокова Т.А., Фисейский Н.Е. К вопросу о массопереносе паров свинцового теплоносителя в реакторе БРЕСТ - ОД -300. Журнал «Атомная энергия», том 90, вып. 2, с. 12-17. 2001 г

18.Experimental research of magnetohydrodynamic resistance to a flow of lead, gallium, lead - bismuth and lead - lithium eutectics in a transverse magnetic field. Fluid Mechanics, and Thermodynamics, p.1515-1518. Pisa, 2001

1. Применение свинца в системе преобразования энергии бланкета термоядерного реактора типа токамак. Аналитический обзор

Современный уровень развития техники и технологии позволяет использовать практически неограниченный источник энергии, а именно -реализовать полный термоядерный цикл:

D + з Ы 2 \Не + 22АМэВ

Основой такого цикла является реакция термоядерного синтеза: Г(Ц, я) 2 + 17, бМэВ (1.1)

Любой термоядерный реактор, в котором будет осуществляться реакция термоядерного синтеза, должен иметь зону бланкета, в которой, во первых, превращается в тепловую и утилизируется энергия термоядерных нейтронов (Е = 14,1 МэВ), уносящих до 80% выделяющейся при реакции энергии, и, во вторых, должен осуществляться процесс воспроизводства трития. Воспроизводство трития возможно по двум реакциям:

63Ы(п,а)Т + 4,$МэВ (1.2)

Li{n,n'a)T - 2,9 МэВ (1.3)

Сечение взаимодействия реакции 1.2 выше, чем реакции 1.3, поэтому воспроизводство трития будет преимущественно проходить на ядрах \Li, содержание которых в природном литии составляет 7,3 %. Воспроизводство трития в термоядерном реакторе необходимо, т.к. его природные запасы ограничены и составляют порядка 400 кг, а ТЯР мощностью 2500 МВт требует для работы около 10 кг в год. /1/. Таким образом, для самообеспечения топливного цикла необходимо поддерживать коэффициент воспроизводства трития (КВТ) больше 1, что требует нахождения в зоне бланкета лития в той или иной форме.

Одним из наиболее ответственных и энергонапряженных элементов конструкции реактора токамак является бланкет. Ужесточение требований к надежности и, особенно, безопасности накладывает особые требования к конструктивным решениям и применяемым материалам. Наиболее ответственной и напряженной системой, входящей в состав бланкета, является система охлаждения. Сложность условий работы теплоносителя (высокие тепловые нагрузки, сильные потоки высокоэнергетических частиц) накладывают жесткие требования и ограничения к нему.

Основные требования, предъявляемые к теплоносителю системы охлаждения бланкета токамака, являются:

- обеспечение достаточного теплоотвода;

- отсутствие недопустимого притока паров (и газов) из теплоносителя в вакуумную камеру;

- возможность прокачки теплоносителя по трактам, расположенным в мощном магнитном поле токамака;

- максимально возможное увеличение срока службы элементов первой стенки за счет улучшения теплоотвода; безопасность контакта теплоносителя с воздухом, водой и конструкционными материалами;

- минимальная наведенная и примесная радиоактивность теплоносителя;

- совместимость с конструкционными материалами.

Традиционно в энергетике применяют три типа теплоносителя - водяной, газовый и жидкометаллический.

6.4.3. Выводы по разделу 6.4

Анализ результатов проведенного эксперимента показывает следующее: Отсутствует самопроизвольное высыпание ситалловых шаров диаметром 10 мм из трубы внутренним диаметром 25 мм в атмосфере воздуха, что коррелирует с известными данными, показывающими наличие эффекта заклинивания шаров в трубе с таким отношением диаметров трубы и шаров.

- Отсутствует самопроизвольное всплытие ситалловых шаров из заполненной свинцом трубы (имеется эффект заклинивания шаров).

- Практически полное удаление шаров и их осколков и разрушение части шаров в трубе с шарами, заполненной свинцом, достигается путем барботажа газа через слой свинца в трубе.

- После циклов нагрева - охлаждения на воздухе и в свинце цвет шаров изменился, что свидетельствует о процессах перекристаллизации массы ситаллов под воздействием процессов повышения температуры до 550°С, выдержки и снижения до 20°С.

188

6.5. Заключение по главе 6

1. Проведенные исследования показали принципиальную техническую возможность применения засыпки из ситалловых шаров в качестве сырьевого материала для наработки трития в каналах термоядерного реактора типа токамак, охлаждаемых свинцовым теплоносителем.

2. Экспериментальные исследования показали отсутствие влияния ситаллов в свинце на оксидные электроизолирующие покрытия на сталях.

3. Работоспособность электроизолирующих покрытий на поверхностях конструкционным материалов каналов с засыпкой ситалловых шаров и возможного выхода из них трития в объем свинца требует дополнительного специального исследования. Учитывая требуемую незначительную величину скорости потока свинца в каналах с засыпкой шаров из литийсодержащих ситаллов, МГД - сопротивление потоку свинца будет невелико и требования к качеству электроизолирующих покрытий в этих каналах ниже, чем, например, в каналах первой стенки или др.

Глава 7. Рекомендации по проектированию и эксплуатации свинцовых циркуляционных контуров охлаждения бланкета токамака с учетом формирования ЭИП на внутренних поверхностях элементов конту ра

В настоящем разделе отражены научно - технические рекомендации по проектированию и эксплуатации жидкометаллических циркуляционных свинцовых контуров охлаждения бланкета токамака, предлагаемые на основе анализа научно - технической информации, разработанной в ГНЦ РФ ФЭИ, ОКБ ГБ, ОКБМ и др. для контуров с ТЖМТ реакторов деления, а также выполненных автором экспериментальных и теоретических исследований по формированию электроизолирующих покрытий и исследованию характеристик этих покрытий на поверхностях конструкционных материалов контура охлаждения бланкета токамака.

7.1. Регулирование содержания кислорода в свинцовом теплоносителе

В главе 4 отражены результаты работы, направленные на формирование и поддержание в рабочем состоянии оксидных ЭИП. Формирование покрытий осуществлялось путем подачи атмосферного воздуха в газовую систему и в поток свинцового теплоносителя эжектированием с контролем результатов путем прямого замера МГД - сопротивления в поперечном магнитном поле. Полученные результаты показали эффективность предложенного метода уменьшения МГД - сопротивления. На данной стадии исследований для дальнейшей проработки предлагается следующие технологии формирования и доформирования оксидных электроизолирующих покрытий на поверхностях конструкционных материалов, контактирующих со свинцовым теплоносителем /43,44/:

• с дозированным вводом кислорода (в составе воздуха или др.) в газовый объем над свободным уровнем свинцового теплоносителя в проточной буферной емкости (компенсаторе объема) контура (рисунок 7.1);

• с эжекцией кислородосодержащих смесей потоком свинца (рисунок 7.2); В зависимости от конкретного исполнения циркуляционного контура, предлагаются следующие основные способы дозированной подачи кислорода в газовый объем контура:

• контролируемой подачей предварительно подготовленной газовой кислородосодержащей смеси из баллонов компрессором переменной производительности (рисунок 7.1):

• контролируемой подачей газовой кислородосодержащей смеси непосредственно из баллонов через дросселирующее устройство, регулирующую и запорную арматуру;

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

• подачей увлажненного кислорода, генерируемого путем регулируемого электролиза воды;

• иные способы (либо комбинация вышеперечисленных) подачи кислорода.

В процессе формирования и доформирования оксидных ЭИП необходимо постоянно контролировать содержание кислорода в свинцовом теплоносителе во избежание излишней его «зашлакованности» датчиками контроля термодинамической активности в свинце //. Для исключения наличия избыточной фазы оксидов свинца в циркуляционном контуре, на свободных поверхностях теплоносителя и отложения ее в каналах и на теплопередающих поверхностях рекомендуется вводить в состав циркуляционного контура последовательно (на полный расход) проточную буферную емкость компенсатор давления) с параметрами, обеспечивающими отстой (сепарацию) дисперсных частиц оксидов свинца с концентрацией частиц этих примесей на свободной поверхности. Последующее удаление дисперсных примесей ("шлаков") со свободной поверхности свинца возможно различными методами.

Рекомендуется применение химических методов очистки свинцового теплоносителя восстановительными газовыми смесями, что теоретически обосновано во 2-й главе. В качестве восстановителей возможно использование оксида углерода (СО), водорода (Н2) как отдельно, так и в виде смесей, например с аргоном или гелием (СО + Аг, СО + Не). На основе проведенных автором исследований можно предложить использовать в качестве восстановителя как более эффективные водородосодержащие смеси, при этом время восстановления будет варьироваться в зависимости от степени загрязнения контура оксидами свинца и с контролем по от показаниям датчиков кислородной активности или анализа отбираемых проб теплоносителя на содержание кислорода.

Восстановительные газовые смеси можно подавать в циркуляционный контур такими же путями и способами, как и кислородосодержащие газовые компоненты (рисунки 7.1, 7.2). Исполнение систем подготовки и подачи восстановительных смесей аналогично системам подачи кислородосодержащих смесей, возможно параллельное подключение двух и более систем на коллектор подачи газа в газовый объем контура, на эжектора и т.д.

При использовании свинцового теплоносителя в системе теплоотвода от бланкета токамака рекомендуется использование двухконтурной схемы преобразования энергии в реакторной установке. При этом наличие оксидных электроизолирующих покрытий на поверхностях теплообмена в парогенераторе, исходя из опыта эксплуатации жидкометаллических контуров, исключает диффузионное поступление радиоактивных изотопов, водорода и кислорода из контура ТЖМТ в рабочее тело второго контура. Корме того, при поступлении рабочего тела второго контура (воды) в свинцовый теплоноситель первого контура при аварийной разгерметизации трубок парогенератора не приведет к существенному изменению его физико - химического состояния.

Таким образом, исключение промежуточного теплообменного контура между системой теплоотвода от бланкета токамака и парогенератором существенно упрощает и удешевляет реакторную установку в целом.

При реализации варианта контура охлаждения бланкета свинцом в двухконтурной системе преобразования энергии в его состав должно входить следующее оборудование и системы (рисунки 7.1, 7.2):

- каналы отвода тепла от элементов бланкета;

- парогенераторы;

- циркуляционные насосы;

- напорные аккумулирующие емкости для накопления избытка «горячего» ТЖМТ в период «горения» плазмы;

- сливные аккумулирующие емкости для приема избытка «холодного» ТЖМТ в период «погасания» плазмы;

- система дренирования - заполнения контура;

- система защитного газа;

- система контроля и регулирования качества теплоносителя; трубопроводы, арматура и др.

Этот контур должны обслуживать соответствующие вспомогательные системы (разогрева и поддержания теплоносителя в расплавленном состоянии, контроля параметров, охлаждения теплообменников и др.).

Проведенный анализ показывает, что при обоснованном выборе концепции системы преобразования тепловой энергии бланкета в электрическую, необходимо учитывать результаты исследований как по оптимальному числу контуров, входящих в состав системы, так и

1 - бланкет; 2 — плазменная камера; 3 - канал с ТЖМТ; 4 - напорная аккумулирующая емкость; 5 — пар на турбину; 6 — парогенератор; 7 — регулируемый компрессор; 8 - баллон с газовой смесью; 9 - турбопривод; 10 — сливная аккумулирующая емкость; 11 — рабочее колесо насоса; 12 - фильтр; 13 - в систему газа; 14 - бак дренажный; 15 -подвод питательной воды; 16 - сливной коллектор; 17 - напорный коллектор.

Рисунок 7.1 - Система охлаждения бланкета с формированием ЭИП подачей кислородосодержащей газовой смеси в газовый объем контура на свободную поверхность парогенератор; 7 — турбопривод; 8 — сливная аккумулирующая емкость; 9 - рабочее колесо насоса; 10 - фильтр; 1 1 - в систему газа; 12 - бак дренажный; 13 - подвод питательной воды; 14 - расходомер; 1 5 - эжектор; 16 - сливной коллектор; 17- напорный коллектор

Рисунок 7.2 - Система охлаждения бланкета с формированием ЭИП подачей кислородосодержащей газовой смеси в поток теплоносителя рекомендации по оптимальному составу контура с жидкометаишическим теплоносителем, учитывающие аварийные ситуации, в том числе и «межконтурную неплотность парогенератора».

7.2. Контроль процесса формирования и доформирования оксидных электроизолирующих покрытий

Одним из основных условий формирования и поддержания в работоспособном состоянии оксидных ЭИП на конструкционных материалах в свинцовом теплоносителе является условие поддержания в теплоносителе величины окислительного потенциала, обеспечивающей протекание указанных процессов /'45, 46/. При отсутствии средств контроля этой величины возникает опасность, как перенасыщения контура кислородом и его «зашлаковывания», так и разрушение оксидных ЭИП восстановлением входящих в них оксидов.

Для контроля содержания термодинамически активного кислорода в свинцовом теплоносителе исследований были предложены датчики на основе твердого гальванического концентрационного элемента. Такие датчики рекомендуется устанавливать до и после элементов охлаждения бланкета, например, до и после напорного и сливного коллекторов (рисунки 7.1, 7.2). Число датчиков в каждом месте их установки рекомендуется не менее трех для получения представительных результатов замера. Ввод кислородосодержащих веществ в свинцовый контур (в его газовую систему или поток теплоносителя) должен осуществляться и прекращаться по сигналам от датчика термодинамически активного кислорода. Значение величины термодинамической активности кислорода свинца в конкретном контуре рекомендуется поддерживать в диапазоне, определяемом температурным режимом, а также примененными конструкционными материалами.

196

Следует отметить, что оптимальным техническим решением было бы создание комплексной системы контроля и регулирования содержания примесей в жидкометаллическом контуре и в системе защитного газа, одной из функций которой был бы контроль и регулирование окислительного потенциала свинцового теплоносителя с целью формирования, доформирования и обеспечение работоспособности оксидных ЭИП на поверхностях конструкционных материалов, контактирующих со свинцовым теплоносителем.

Заключение

- Проведенный термодинамический анализ позволил теоретически обосновать возможность формирования оксидных электроизолирующих покрытий на поверхностях конструкционных материалов (сталей, ванадиевых и бериллиевых сплавов) в свинцовом теплоносителе;

- Экспериментальные исследования характеристик оксидных ЭИП в свинцовом теплоносителе подтвердили эффективность и работоспособность покрытий по прямому назначению в диапазоне температур до 550°С на аустенитных и перлитных сталях, ванадиевых и бериллиевых сплавах;

- Разработана расчетная модель и определена максимальная величина термоудара (порядка 20°С/с), возможного при нормальной работе системы охлаждения бланкета в районе контакта электроизолирующее покрытие -конструкционный материал канала охлаждения бланкета;

- Проведенные теоретические и экспериментальные исследования по определению воздействия термоциклических нагрузок на оксидные ЭИП показали сохранение характеристик ЭИП при многочисленных термоциклах с величиной термоударов до 20°С/с;

- Выполненные теоретические и экспериментальные исследования стойкости оксидных ЭИП со следами свинца в воде с различным содержанием примесей показали, что при отсутствии специальных мероприятий возможно растворение свинца и разрушение покрытий;

- Проведенные экспериментальные исследования характеристик (краевого угла смачивания и поверхностного натяжения) межфазного взаимодействия в системе свинец - оксидированная поверхность для различных условий показали, что, кроме экспериментов в среде водорода при повышенных

198 температурах, краевой угол смачивания составил 110°-130°, что свидетельствует об отсутствии коррозионных процессов в системе;

- Проведенное экспериментальное определение МГД - сопротивления течению свинцового теплоносителя в каналах из аустенитной стали и ванадия в поперечном магнитном поле индукцией до 1,0 Тл показало возможность создания при температурах 400.500°С оксидных электроизолирующих покрытий на трубах из стали 12Х18Н10Т и из ванадиевого сплава, эффективно снижающих магнитогидродинамическое сопротивление. Полученные результаты могут быть использованы при оценочных расчетах ожидаемого МГД - сопротивления течению потока свинцового теплоносителя в поперечном магнитном поле применительно к системе охлаждения бланкета токамака.

- Проведенные теоретические и экспериментальные работы по обоснованию возможности применения литийсодержащих ситаллов в системе ЭИП - свинец

- ситалл показали работоспособность системы, однако воздействие трития на ЭИП требует дополнительного исследования;

- По результатам проведенных исследований разработаны рекомендации для проектирования и эксплуатации контуров со свинцовым теплоносителем применительно к системам охлаждения бланкета токамака.

1. Андреев Б.М., Зельвенский Я.Д., Катальников С.Г., Тяжелые изотопы водорода в ядерной энергетике. М.:Энергоиздат, 1987г.

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.-12p.

3. Безносов А.В., Захватов B.,H., Романов П.В., Скобелев С.Г., Ляхов И.Ю. Принципиальные схемные решения систем преобразования энергии бланкета с учетом возможной аварии «межконтурная неплотность ПГ». Журнал «АТОМНАЯ ЭНЕРГИЯ», Т. 86, вып. 6, с. 471 473.

4. Под ред М.Е. Дрица. Свойства элементов, справочник. М., Металлургия, 1985, 671 с.

5. Безносов А.В., Захватов В.Н., Фисейский Н.Е., Бокова Т.А., Серов В.Е., Городова М.Г. Обоснование процессов и устройств заполнения свинцом контура БРЕСТ-ОД-ЗОО. НГТУ, № г. р. 0194002164, Инв. № 02.99.0005733, 2000.

6. Брановер Г.Г.Динобер А.Б. Магнитная гидродинамика несжимаемых сред. М.:Наука, 1970,- 379 с.

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

8. Безносов А.В., Захватов В.Н. Обоснование выбора типа ЭИП на конструкционных материалах в свинцовом теплоносителе. № г.р. 01940002164. инв.№ 20.0000.881. Нижний Новгород, 1999. - 22 с.

9. А. А. Жуховицкий, Л.А. Шварцман, Физическая химия, Металлургия, М., 1964 г.

10. Термодинамические свойства неорганических веществ. У.Д. Верятин, В.П. Маширев и др. Атомиздат, Pi, 1966г.

11. П.Безносов А.В., Захватов В.Н., Фисейский Н.Е., Пинаев С.С., Романов ГШ. Определение характеристик ЭИП на поверхностях конструкционных материалов в свинцовом теплоносителе. НГТУ; № г. р. 01940002164, Инв. № 02.20.0002561., 63 с.-2000 г.

12. Экспериментальные исследования характеристик МГД-сопротивления потока галлиевого теплоносителя в поперечном магнитном поле: Отчет о НИР (промежуточный) /НГТУ,№ ГР 01940002164; Инв. № 02.9.30003163 -Н. Новгород, 1996. 38 с.

13. Экспериментальные исследования МГД сопротивления и характеристик ЭИП на конструкционных материалах систем охлаждения ТОКАМАКа жидкометаллическими теплоносителями. НГТУ, № ГР 01940002164; Инв. № 02980002548 - 2549, Н.Новгород, 1998. - 48 с.

14. ITER jws garching, 22 October 1997, A. Cardeiia, A. Lodato/ ITER Port Limiter Analysis.

15. Чаянов В. А. Состояние проекта ITER EDA. Материалы реакторов синтеза-7. Обнинск, 1995.

16. Е.В. Муравьев и др. Диверторная кассета реактора ИТЭР с галлиевым охлаждением. Вопросы атомной науки и техники. Сер. «Термоядерный синтез», 1997, вып. 1-2, с.22-33.

17. В.Д. Терентьев. Основы тепловых и гидравлических расчетов судовых ядерных реакторов, Ленинград, Судостроение, 1967 г.

18. Исследование работоспособности ЭИПна конструкционных материалах бланкета термоядерного реактора, охлаждаемого свинец висмутовым теплоносителем.НГТУ; № ГР 01830066407; Инв. № 0289.0067894. - Н. Новгород, 1989. - 56 с.

19. Hoffman R.W, в кн. «Physics of thin Films» vol, 3, p. 211, Academia Press Inc., New York, 1966

20. D'Ansonio C., Hirshhorn J., Tarsnis L.//Trans. AIME. 227. P. 1346. 1963.

21. Жданов Г.С., Хунджуа А.Г. Лекции по физике твердого тела. Принципы строения, реальная структура, фазовые превращения.-М.: Изд-во МГУ, 1988.

22. Pilling N.B. and Btdwourth R.E.//Jnst. Metals. V. 29. P. 599. 1923.

23. Menter J.W., Peshley D.W. Structure and Properties of Thin Films. -New York.: John Wiley Sons., P. 111., 1959.

24. Menter J.W., Peshley D.W. Structure and Properties of Thin Films. -New York.: John Wiley Sons., P. 111., 1959.

25. Н.Г. Глинка. Общая химия, Ленинград, химия, 1984 г,704 стр.

26. А.А. Виноградов, А. Н. Яшина, Руководство к выполнению лабораторных работ физического практикума, Горький, 1989 г, 48 л.

27. Ф. Тоод, Коррозия и зашита от коррозии;Москва, Ленинград, 1966 г., 848 с.

28. 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.

29. Безносов А.В., Захватов В.Н. Исследование работоспособности оксидных ЭИП на конструкционных материалах в свинцовом теплоносителе при воздействии термоциклических нагрузок. НГТУ, № г. р. 01940002164, Инв. №02.20.0004460, 56 с. 2000 г.

30. Под ред. Еременко В.Н., Поверхностные явления в расплавах., Сб. Статей, Киев, Наукова Думка, 1968 г.

31. Линевский Н.И., Техника металлургического эксперимента., М., 1970г.

32. Л.Л. Кунин, Поверхностные явления в металлах, Металлургиздат, 1955г

33. В.К. Семенченко, Поверхностное явления в металлах и сплавах, Гостехиздат, 1957 г.

34. Кириллов П.Л., Богословская Г.П., Теплообмен в ядерных энергетических установках.: Учебник для вузов. М.: Энергоиздат, 2000 г.

35. Отдельные аспекты стойкости материалов в свинце и расплавах на его основе системы охлаждения бланкета термоядерного реактора: Доклад на203

36. Российско Американском совещании /А. В. Безносов, С. В. Лыков, А. П. Калмыков, В. Е. Серов, Е. Ю. Макарова, Е. В. Муравьев, Н. К. Виноградова

37. Бережной А. И. Ситаллы и фотоситаллы. М.: Машиностроение, 1966.

38. Макмиллан П. У. Стеклокерамика. М.: Мир, 1967.

39. В.А Гулевский, Ю.И. Орлов, П.Н. Мартынов. Применение смесей водорода и водяного пара в технологии тяжелых теплоносителей. ТЖМТ 98. Программа и тезисы докладов конференции, с. 62.

40. Боришанский В.М. и др. Жидкометаллические теплоносители. М., Атомиздат, 1967 г.

41. В. И. Субботин, М.Н. Ивановский, М.Н. Арнольдов. Физико химические основы применения жидкометаллических теплоносителей. М., Атомиздат, 1970 г.

42. В.А. Блохин, Б.А. Шматко и др. Опыт создания и эксплуатации твердоэлектролитных активометров кислорода в теплоносителе свинец -висмут. ТЖМТ 98. Программа и тезисы докладов конференции, с. 54.204