автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.11, диссертация на тему:Исследование в обоснование применения свинец-висмутовой эвтектики в качестве теплоносителя бланкета термоядерного реактора

Перечень обозначений и сокращений.

Введение.

Глава 1 Анализ возможности применения свинец-висмутовой эвтектики в качестве теплоносителя бланкета токамака. Аналитический обзор.

1.1 Физико-технические и теплофизические свойства свинец-висмутовой эвтектики.

1.2 Анализ применимости свинец-висмута в системе преобразования энергии бланкета термоядерного реактора.

1.3 Обзор литературных данных по магнитогидродинамическим характеристикам тяжелых жидкометаллических теплоносителей.

1.3.1 МГД-течение в каналах.'.

1.3.2 Экспериментальные и расчетные данные по снижению МГД-сопротивления.

1.3.2.1 Экспериментальное определение МГД-сопротивления на статическом стенде.

1.3.2.2 Экспериментальное определение МГД-сопротивления на циркуляционных стендах.

1.4 Влияние магнитного поля на характеристики контура и методы его снижения.

1.4.1 Характеристика процессов, происходящих в жидкометаллическом контуре под действием магнитного поля.

1.4.2 Методы снижения МГД-сопротивления.

1.4.3 Расчетные оценки по снижению МГД потерь давления.

1.5 Постановка задач исследований.

Глава 2 Термодинамический анализ и обоснование выбора типа электроизолирующих покрытий на внутренних поверхностях контура охлаждения бланкета термоядерного реактора.

2.1 Требования к электроизолирующим покрытиям.

2.2 Обзор вариантов защитных покрытий.

2.3 Обоснование применимости оксидных защитных покрытий в качестве электроизолирующих.

2.3.1 Термодинамический анализ процессов взаимодействия в системе ЖМТ - конструкционные материалы - кислород. Роль кислорода в защитных и электроизолирующих покрытиях.

2.3.2 Термодинамический анализ процессов взаимодействия в системе ЖМТ - конструкционные материалы - водород. Роль водорода как примеси для технологических обработок - очистки от кислорода.

2.3.3 Термодинамический анализ процессов взаимодействия в системе ЖМТ - конструкционные материалы - углерод.

Роль углерода как примеси - продукта пиролиза масла.

2.4 Выводы.

Глава 3 Состояние пристенного слоя в контуре свинец-висмутового теплоносителя бланкета токамака.

3.1 Источники примесей в контуре свинец-висмутового теплоносителя бланкета токамака.

Основные отличия от контуров реакторов деления.

3.2 Номенклатура и состояние примесей в контуре жидкометаллического теплоносителя системы преобразования энергии бланкета термоядерного реактора.

3.2.1 Примеси, поступающие в контур до ввода в эксплуатацию.

3.2.2 Источники примесей при нормальной эксплуатации контура.

3.2.3 Примеси, поступающие в контур при ремонтных и других работах, требующих его разгерметизации.

3.3 Модель пристенного слоя в контуре свинец-висмутового теплоносителя.

3.3.1 Конструкционный материал.

3.3.2 Плотно сцепленное с конструкционным материалом покрытие (плёнка).

3.3.3 Рыхлый слой продуктов массопереноса дисперсных частиц и примесей.

3.3.4 Газовая прослойка.

3.3.5 Пристенный турбулентный пограничный слой, обогащенный дисперсными частицами примесей.

3.3.6 Ядро потока.

3.4 Экспериментальное исследование поверхностных характеристик в системе конструкционный материал -отложения примесей - оксидное покрытие - свинец-висмутовый теплоноситель - газ методом «лежащей» капли.

3.4.1 Постановка задач исследований.

3.4.2 Описание экспериментального стенда.

3.4.3 Методика проведения эксперимента.

3.4.3.1 Технология формирования оксидных покрытий на материале подложки.

3.4.3.2 Исходное состояние установки.

3.4.3.3 Формирование капли на подложке.

3.4.3.4 Режимы испытаний.

3.4.3.5 Методика определения краевого угла смачивания.

3.4.3.6 Методика определения поверхностного натяжения.

3.4.4 Обсуждение результатов испытаний.

3.4.4.1 Температурные зависимости исследуемых характеристик.

3.4.4.2 Влияние материала подложки.

3.4.4.3 Состав газовой атмосферы.

3.4.4.4 Продолжительность времени экспериментов.

3.4.5 Выводы.

3.5 Экспериментальное исследование характеристик пристенного слоя с применением ультразвукового излучения.

3.5.1 Цель проведения исследований.

3.5.2 Описание экспериментального стенда.

3.5.3 Программа экспериментальных исследований.

3.5.3.1 Исследование характеристик ультразвукового сигнала на неметаллических теплоносителях.

3.5.3.2 Исследование характеристик ультразвукового сигнала на свинец-висмутовом теплоносителе.

3.5.4 Методика проведения экспериментов.

3.5.5 Обсуждение результатов.

3.5.6 Выводы.

3.6 Выводы.

Глава 4 Экспериментальное исследование магнитогидродинамического сопротивления при движении потока свинец-висмутового теплоносителя в поперечном магнитном поле бланкета токамака.

4.1 Постановка задач исследований.

4.2 Описание экспериментального стенда ФТ-1М.

4.3 Методика экспериментов по определению МГД-сопротивления.

4.4 Методика обработки результатов.

4.5 Обсуждение результатов испытаний.

4.5.1 Исследование изменения состояния оксидных ЭИП в состоянии поставки под действием водорода, подаваемого в поток теплоносителя.

4.5.2 Формирование ЭИП вводом кислорода в газовый объем экспериментального контура.

4.5.3 Формирование ЭИП вводом кислорода в поток теплоносителя.

4.5.4 МГД-сопротивление электроизолированной трубы.

4.5.5 Формирование ЭИП на ванадиевой трубе.

4.5.6 Эксперименты с участками из стали 08Х18Н10Т.

4.5.7 Сравнение с результатами других авторов.

4.6 Материаловедческий анализ.

4.6.1 Методика проведения исследований.

4.6.2 Обсуждение результатов.

4.6.3 Выводы.

4.7 Оценка погрешностей экспериментов.

4.8 Выводы.

Глава 5 Экспериментальные исследования характеристик электроизолирующих покрытий на конструкционных материалах в свинец-висмутовом теплоносителе.

5.1 Постановка задач исследований.

5.2 Статические испытания.

5.2.1 Описание экспериментального стенда.

5.2.2 Программа-методика проведения эксперимента.

5.2.3 Обсуждение результатов.

5.2.3.1 Зависимость величины р5от температуры.

5.2.3.2 Зависимость параметра р8от времени выдержки образцов конструкционного материала в свинец-висмутовой эвтектике.

5.2.3.3 Вольтамперная характеристика системы «электрод - ЭИП -эвтектика Pb-Bi - ЭИП - электрод».

5.2.4 Выводы.

5.3 Испытания на циркуляционном стенде ФТ-1М.

5.3.1 Описание стенда.

5.3.2 Программа-методика проведения экспериментов.

5.3.3 Обсуждение результатов.

5.3.3.1 Исследование изменения состояния оксидных ЭИП в состоянии поставки под действием водорода, подаваемого в поток теплоносителя.

5.3.3.2 Формирование ЭИП вводом кислорода в газовый объем экспериментального контура.

5.3.3.3 Формирование ЭИП вводом кислорода в поток теплоносителя.

5.3.3.4 Формирование ЭИП на сплаве ванадия V-Ti-Cr.

5.3.3.5 Вольтамперная характеристика.

5.3.3.6 Влияние режима обтекания на р8.

5.3.4 Материаловедческий анализ.

5.3.4.1 Методика проведения исследований.

5.3.4.2 Обсуждение результатов.

5.3.4.3 Выводы.

5.3.5 Расчет погрешности экспериментов.

5.3.6 Выводы.

5.4 Расчет МГД-сопротивления для условий токамака.

5.5 Выводы.

Глава 6 Проработка вариантов системы преобразования энергии бланкета термоядерного реактора и режимов ее работы с учетом проведенных исследований.

6.1 Регулирование содержания кислорода в свинец-висмутовом теплоносителе.

6.2 Контроль процесса формирования и доформирования оксидных электроизолирующих покрытий.

Развитие индустриального общества опирается на постоянно растущий уровень производства и потребления различных видов энергии. Масштаб добычи и расходования ископаемых энергоресурсов, металлов, потребления воды, воздуха для производства необходимого человечеству количества энергии огромен, а запасы ресурсов ограничены.

Одной из основных характеристик общества является энерговооруженность на душу населения, прямо пропорциональная валовому национальному продукту, который приходится на душу населения. Энергопотребление распределено по земному шару крайне неравномерно: в 1980 г. для 72% населения оно составляло менее 2 кВт (тепл.)/(год-чел.) и только для 6% - около 10 кВт (тепл.)/(год-чел.).

До недавнего времени использовались прогнозы энергопотребления, основанные на прямой экстраполяции современных тенденций в будущее. Однако, как показывает мировой опыт, в высокоразвитых странах появляются факторы, ведущие к уменьшению удельного энергопотребления с асимптотическим выходом на постоянный уровень. На основании анализа тенденций развития мирового сообщества эксперты пришли к заключению, что энергопотребление к 2100 г. при численности населения 12 млрд чел. стабилизируется на уровне 10-20 кВт (тепл.)/(год-чел.), причем к 2020 г. органическое топливо сможет удовлетворять не более половины мировых энергетических потребностей. В связи с этим возникает необходимость широкого использования нетрадиционных энергетических источников. Но следует учитывать, что энергетика инерционна и время для внедрения альтернативных источников, обеспечивающих около 50% энергопотребления, составит 50- 100 лет.

Эксперты пришли к заключению, что источником, способным обеспечить энергетику топливом практически на неограниченное время, может быть только термоядерная энергетика [1].

Основные достоинства термоядерного синтеза заключаются в следующем:

- во внутренней безопасности термоядерного реактора, исключающей возможность его неуправляемого аварийного разгона;

- в невысокой остаточной активности и, в результате, большой устойчивостью по отношению к тяжелым авариям;

- в отсутствии крупномасштабных горных разработок и химического засорения окружающей среды;

- в наличии практически неисчерпаемых запасов горючего.

О топливе стоит сказать отдельно, поскольку очевидно, что конкурентоспособность термоядерного реактора в первую очередь будет зависеть от стоимости термоядерного топлива.

В основном варианте термоядерной реакции в качестве топлива используются дейтерий и тритий. Запасы дейтерия в природе неограниченны, зато трития на Земле практически нет. Но тритий получается в качестве побочного продукта в Канаде на ядерных реакторах типа «Candu». Сейчас его производство превышает потребности страны, и Канада готова продавать тритий или передавать его в качестве своего вклада в проект термоядерного реактора.

Более привлекателен вариант воспроизводства трития из лития непосредственно в термоядерном реакторе, что открывает путь создания автономной, самоподпитывающей системы. Литий, находящийся в зоне реакции, захватывая нейтрон, превращается в тритий, и реакция при непрерывной подаче лития будет продолжаться бесконечно.

Но есть еще одна перспективная идея - перейти на другое топливо: дейтерий плюс гелий-3. В этом случае реакция будет идти без выделения нейтронов, что значительно повысит надежность установки. Гелий-3 на Земле отсутствует, но его много на Луне, где он адсорбирован в верхних слоях лунной пыли. Расчеты показывают, что если гелий-3 добывать на Луне и доставлять на Землю, то это будет экономически выгодно.

Безопасность термоядерного реактора связана, прежде всего, с невыходом радиоактивности. Топливо - дейтерий и литий - а также продукт реакций синтеза - гелий - не радиоактивны. Радиоактивность возникает в термоядерном реакторе из-за активации материалов первой стенки реактора нейтронами. Известны низкоактивирующиеся конструкционные материалы для первой стенки и других компонент реактора, которые за 30 - 50 лет теряют свою активность до полностью безопасного уровня. Можно представить, что реактор, проработавший 30 лет и выработавший свой ресурс, будет законсервирован на следующие 30 - 50 лет, а затем конструкционные материалы будут переработаны и вновь использованы в новом термоядерном реакторе.

Начиная с 50-х годов, в нашей стране и параллельно во многих других странах проводятся исследования по созданию управляемого термоядерного реактора. Исторически процесс развития исследований по управляемому термоядерному синтезу разбивается на несколько последовательных этапов, каждому из которых соответствует основная цель, после достижения которой возможен переход к следующему этапу.

К настоящему времени практически закончен этап изучения физических закономерностей в высокотемпературной плазме, по итогам которого сделан выбор базовой системы для опытного термоядерного реактора, разработка проектов которого ведется специалистами России, США, Западной Европы и Японии. На следующем этапе, заключающемся в разработке технологии получения термоядерной энергии, должны быть выбраны схемы опытных термоядерных энергоустановок, на которых будут вестись поиски наиболее целесообразных путей развития термоядерной энергетики. И, наконец, последний этап должен быть нацелен на осуществление генеральной цели программы - разработку технологии использования термоядерной энергии.

Цель работы

Целью настоящей работы является обоснование концепции применения свинец-висмутовой эвтектики в качестве первичного теплоносителя системы преобразования энергии бланкета термоядерного реактора в аспекте снижения МГД-потерь при прокачке теплоносителя в каналах бланкета токамака.

Задачи работы

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

- проанализировать накопленный в исследуемой области материал;

- теоретически обосновать возможность формирования электроизолирующих покрытий в свинец-висмутовом теплоносителе;

- провести экспериментальную проверку формирования электроизолирующих покрытий в свинец-висмутовом теплоносителе;

- провести экспериментальную проверку снижения МГД-сопротивления путем формирования электроизолирующих покрытий в свинец-висмутовом теплоносителе;

- провести экспериментальное исследование явления смачивания свинец-висмутовым теплоносителем оксидных электроизолирующих покрытий на конструкционных материалах;

- экспериментально исследовать характеристики границы раздела фаз ЖМТ - конструкционный материал с использованием ультразвука.

На защиту выносятся следующие положения:

- результаты теоретических исследований, направленных на обоснование возможности формирования оксидных электроизолирующих покрытий на поверхностях конструкционных материалов в свинец-висмутовом теплоносителе;

- результаты экспериментальных исследований, направленных на определение характеристик оксидных электроизолирующих покрытий в свинец-висмутовом теплоносителе;

- результаты экспериментального определения МГД-сопротивления течению свинец-висмутового теплоносителя в каналах из стали и ванадия в поперечном магнитном поле индукцией до 0,7 Тл при различных режимах течения;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований модели пристенного слоя ЖМТ - конструкционный материал при различных состояниях системы с ЖМТ.

Научная новизна

Научная новизна настоящей работы заключается в следующем:

- в экспериментальном и теоретическом обосновании возможности использования в качестве теплоносителя бланкета токамака свинец-висмутовой эвтектики, позволяющей снизить МГД-сопротивление каналов бланкета;

- в результатах исследований моделей пристенного слоя;

- в результатах экспериментальных исследований характеристик ЭИП;

- в результатах зависимости МГД-сопротивления от чисел Стюарта и Рейнольдса, температуры, состояния оксидных ЭИП на сталях и ванадиевом сплаве.

Практическая значимость

1 Обоснование возможности и подтверждение методов формирования электроизолирующих покрытий, аналогичных методам формирования защитных пленок.

2 Экспериментально обоснованные рекомендации для расчета МГД-сопротивления в трубах из аустенитной стали 08Х18Н10Т со свинец-висмутовым теплоносителем в поперечном магнитном поле напряженностью до 0,7 Тл, в диапазоне температур 250 - 480°С, диапазоне чисел Рейнольдса (50 - 3 50)х 103, диапазоне чисел Гартмана 0-210.

Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на 10-й Международной конференции по материалам термоядерной энергетики в г. Баден-Баден, Германия, 2001 г., на 5-й Всемирной конференции по теплообмену, гидродинамике и термодинамике в г. Салоники, Греция, 2001 г., на научно-технических семинарах в г. Обнинске, 2000 - 2001 г., на конференции Теплофизика-2002 в г. Обнинске.

Публикации

Основные результаты диссертации изложены в статьях в журналах «Вопросы атомной науки и техники» и «Атомная энергия», в трех свидетельствах на полезную модель, четырех научно-технических отчетах, прошедших госрегистрацию, девяти докладах на международных и национальных научных конференциях.

Личный вклад автора

Все расчетные, теоретические и экспериментальные исследования, результаты которых приведены в настоящей работе, выполнены непосредственно автором или при его участии в соавторстве с д.т.н. Безносовым А.В., к.т.н. Бутовым А.А., к.т.н. Захватовым В.Н., инж. Серовым В.Е., асп. Давыдовым Д.В., асп. Мелузовым А.Г., аеп. Семеновым А.В., асп. Боковой Т.А. (НГТУ), а также со специалистом Минатома РФ - 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.

5.5 Выводы

Эксперименты по определению электросопротивления оксидных изолирующих покрытий р8 проводились на статическом и циркуляционном стендах в диапазоне температур 250 - 500°С, скоростей потока теплоносителя 0 - 0,12 м/с (Re - до 3,3-104), содержании термодинамически активного кислорода в ЖМТ 10° 10"4, плотности электрического тока 0,4 -г- 1,6-10"3 А/мм2.

Электрическое сопротивление р5 зоны контакта ЖМТ -конструкционный материал, полученное на статическом стенде составило 0,85 - 2,16-Ю"5 Ом-м2 для стали 12Х18Н10Т и 1,72 - 2,78-Ю-5 Ом-м2 для стали 25X1МФ. В экспериментах по определению величины р8 на циркуляционном стенде ФТ-1М для стали 08Х18Н10Т получено среднее значение р5- 2,5-10"5 Ом-м2, для сплава ванадия V-4Ti-4Cr р8- 4-Ю"5 Ом-м2.

Вольтамперная характеристика оксидных покрытий имеет линейный характер, что позволяет утверждать о том, что покрытия, сформированные на поверхности конструкционного материала, помещенного в свинец-висмутовую эвтектику, близки к характеристикам изолятора.

При проведении экспериментов на циркуляционном стенде течение теплоносителя в экспериментальной емкости приводило к линейному уменьшению значения р8.

В проведенных ранее экспериментальных работах [46, 47], исследовавших влияние термоударов, сопровождающих работу реакторов токамак с индукционным нагревом плазмы, на состояние оксидных электроизолирующих покрытий показано, что разрушение покрытий отсутствует, либо происходит эффективное доформирование (залечивание) разрушенных участков покрытий в ходе испытаний.

Расчеты, основанные на экспериментально полученных значениях р8, показали снижение МГД-сопротивления в 15-45 раз для разных сталей.

Экспериментально определенные значения удовлетворяют требованиям, сформулированным в п. 5.1. Полученные значения р8 позволяют создать экспериментальную секцию бланкета термоядерного реактора с жидкометаллическим охлаждением и обеспечить приемлемые гидравлические потери, возникающие при течении жидкометаллического теплоносителя в поперечном магнитном поле токамака.

ГЛАВА 6 ПРОРАБОТКА ВАРИАНТОВ СИСТЕМЫ

ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ БЛАНКЕТА ТЕРМОЯДЕРНОГО РЕАКТОРА И РЕЖИМОВ ЕЕ РАБОТЫ С УЧЕТОМ ПРОВЕДЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

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

6.1 Регулирование содержания кислорода в свинец-висмутовом теплоносителе

Сравнительные экспериментальные исследования различных технологий формирования оксидных покрытий в главе 4 настоящей работы показали возможность реализации этих технологий в условиях свинец-висмутового циркуляционного контура.

В конкретных условиях испытаний наиболее эффективным оказался способ формирования оксидных покрытий подачей газа на свободную поверхность теплоносителя буферной емкости. Однако окончательный вариант может быть выбран на основе экспериментов на нескольких стендах, более представительно моделирующих условия конкретного свинец-висмутового контура (отношение объема теплоносителя и контактирующих с ним конкретных марок материалов - ванадиевых сплавов, сталей и др.; тип насоса - механический, электромагнитный; температурные и гидродинамические режимы работы системы преобразования энергии бланкета; другие характеристики).

Руководствуясь имеющимся опытом создания и эксплуатации контуров с ТЖМТ применительно к условиям токамака [18, 20, 48] на данной стадии исследований для последующей разработки рекомендуются две основных технологии формирования и доформирования оксидных электроизолирующих покрытий на поверхностях конструкционных материалов, контактирующих со свинец-висмутовым теплоносителем:

- дозированный ввод кислорода (или оксидов в газовой (паровой) фазе) в газовый объем над свободным уровнем свинец-висмутового теплоносителя в проточной буферной емкости (компенсаторе объема) контура (рисунок 6.1);

- эжекцией кислородосодержащих газовых (газопаровых) смесей потоком свинец-висмутового теплоносителя с насыщением кислородом циркулирующего потока теплоносителя (рисунок 6.2) из объема газовых пузырей, эжектируемых потоком.

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 (рисунок 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;

Рисунок 6.1 - Вариант системы охлаждения бланкета токамака с формированием ЭИП подачей кислородосодержащей газовой смеси в газовый объем контура на свободную поверхность

1 - канал бланкета токамака; 2 - напорный коллектор; 3 - циркуляционный насос; 4 - буферная емкость; 5 - теплообменник; 6 - сливной коллектор; 7 - регулируемый компрессор; 8 - баллон с газовой смесью; 9 - фильтр механический; 10 - дренажная емкость.

ЛХ f U2Т rl2W) х]—[}±х\—(ХЬ

-{хь tx3V

Рисунок 6.2 - Вариант системы охлаждения бланкета с формированием ЭИП подачей кислородосодержащей газовой смеси в поток теплоносителя

1 - канал бланкета токамака; 2 - напорный коллектор; 3 — циркуляционный насос; 4 - буферная емкость; 5 - теплообменник; 6 - сливной коллектор; 7 - эжектор; 8 - расходомер.

- другие способы или комбинация вышеперечисленных способов ввода примеси кислорода.

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

- регулируемой подачей (за счет регулирующего газового вентиля) и эжекцией потоком свинец-висмута «двойной» газовой смеси (аргон + кислород, гелий + кислород) из газового объема контура (рисунок 6.2) с последующей сепарацией непрореагировавшей газовой смеси в буферной емкости (компенсаторе объема);

- регулируемой подачей (за счет регулирующего газового вентиля) и эжекцией потоком свинец-висмутового 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 свинец-висмута за счет избыточного давления газа в баллоне над давлением свинец-висмута в точке ввода газа;

Как показано в главе 2 диссертации для контура свинец-висмутового теплоносителя возможно восстановление водородосодержащими восстановительными смесями оксидов теплоносителя, образовавшихся в случае избыточного поступления кислорода в контур. Работоспособность защитных и электроизолирующих покрытий на конструкционных материалах при этом сохранится.

6.2 Контроль процесса формирования и доформирования оксидных электроизолирующих покрытий

Одним из основных условий формирования и доформирования оксидных ЭИП на конструкционных материалах, а также сохранение их работоспособности в свинец-висмутовом теплоносителе является условие поддержания в теплоносителе величины окислительного потенциала, обеспечивающей протекание указанных процессов. На основании имеющего опыта эксплуатации контуров со свинец-висмутовым теплоносителем и проведенного автором анализа можно утверждать, что величина термодинамической активности кислорода в теплоносителе в общем случае должна находиться в диапазоне 10"4 10"5. При отсутствии средств контроля этой величины возникает опасность, с одной стороны, перенасыщения контура кислородом и его зашлаковывания, с другой стороны -восстановление и разрушение оксидных электроизолирующих покрытий.

Для контроля содержания термодинамически активного кислорода в свинец-висмутовом теплоносителе возможно использование датчика на основе твердого электролита [49]. Указанные датчики рекомендуется устанавливать до и после секций бланкета, например, до и после напорного и сливного коллекторов (рисунки 6.1 - 6.2). Число датчиков в каждом месте их установки рекомендуется не менее трех для получения представительных результатов замера. Ввод кислородосодержащих веществ в контур свинец-висмутового теплоносителя, в его газовую систему или в поток должен осуществляться и прекращаться по сигналам от датчика термодинамически активного кислорода в свинец-висмутовом теплоносителе. Значение величины термодинамической активности кислорода в свинец-висмуте 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 свинец-висмутовом теплоносителе, в контуре ЖМТ и в системе защитного газа, одной из функций которой был бы контроль и регулирование окислительного потенциала свинец-висмутового теплоносителя с целью формирования, доформирования и обеспечение работоспособности оксидных ЭИП на поверхностях конструкционных материалов контура, контактирующих со свинец-висмутовым теплоносителем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1 В диссертации проведен комплекс теоретических, расчетных и экспериментальных работ, показавших принципиальную возможность использования свинец-висмутовой эвтектики в качестве теплоносителя бланкета термоядерного реактора.

2 Проведенный термодинамический анализ позволил теоретически обосновать возможность формирования электроизолирующих и защитных оксидных пленок на конструкционных материалах (сталях, ванадиевых и бериллиевых сплавах) в свинец-висмутовом теплоносителе.

3 Проведенные экспериментальные исследования характеристик межфазного взаимодействия (краевого угла смачивания и поверхностного натяжения) в системе свинец-висмутовая эвтектика - оксидированная поверхность показали, что, кроме экспериментов в среде водорода при повышенных температурах, краевой угол смачивания составил 110 - 150°, что свидетельствует об отсутствии коррозионных процессов в системе, т.е. что оксидные электроизолирующие покрытия длительно работоспособны в эвтектике свинец-висмут.

4 Экспериментальные исследования характеристик оксидных электроизолирующих покрытий в свинец-висмутовом теплоносителе подтвердили эффективность и работоспособность покрытий по прямому назначению в диапазоне температур до 500°С на аустенитных и перлитных сталях, и на ванадиевом сплаве.

5 Полученные значения р8 оксидных покрытий (для стали 08Х18Н10Т р8= 2,5-Ю"5 Ом-м2, для стали 25Х1МФ р8= 2,78-Ю"5 Ом-м2, для сплава V-4Ti-4Cr р8 = 4-10"5 Ом •м2) удовлетворяют требованиям, предъявляемым к ЭИП, необходимым для создания экспериментальной секции бланкета с жидкометаллическим охлаждением.

6 Проведенное экспериментальное определение МГД-сопротивления течению свинец-висмутового теплоносителя в поперечном магнитном поле индукцией до 0,7 Тл показало возможность формирования и поддержания оксидных электроизолирующих покрытий на стали 08Х18Н10Т при температурах 350 ^ 450°С, эффективно снижающих МГД-сопротивление.

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

1. Беловодский Л.Ф., Гаевой В. К., Илькаев Р. П., Петрин С. П. О тритиевой опасности термоядерных установок. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Термоядерный синтез, 1999, вып. 2, с. 3—9.

2. Лоскутов Ф.М. Металлургия свинца. М.: Металлургия, 1965.

3. Козин Л.Ф., Морачевский А.Г. Физико-химия и металлургия высокочистого свинца. -М.: Металлургия, 1991.

4. Зайцев В.Я., Маргулис Е.В. Металлургия свинца и цинка. М.: Металлургия, 1985.

5. Mark Winter, Department of Chemistry at the University of Sheffield, Sheffield S3 7HF, England, (http://www.shef.ac.uk/~chem/web-elements-I/Bi.html)

6. Чиркин B.C. Теплофизические свойства материалов ядерной энергетики: Справочник. М.; Атомиздат, 1968.

7. Чечеткин А.В. Высокотемпературные теплоносители. М.: Энергия, 1971.

8. Михайлов В.Н., Евтихин В.А., Люблинский И.Е. и др. Литий в термоядерной и космической энергетике XXI века. М.: Энергоатомиздат, 1999.

9. Глухих В. А., Тананаев А.В., Кириллов И.Р. Магнитная гидродинамика в ядерной энергетике. М.: Энергоатомиздат, 1987.

10. Брановер Г.Г., Цинобер А.Б. Магнитная гидродинамика несжимаемых сред. -М.: Наука, 1970.

11. Паповянц А.К., Мартынов П.Н., Орлов Ю.И. Экспериментальное исследование МГД-потерь давления при перекачке эвтектического сплава свинец-висмут в круглых трубах. ТЖМТ 1991, Обнинск, Сб. тез. с. 97 99.

12. Велихов Е.П., Рютов В.Д., Чеверев Н.С. Основные результаты исследований по УТС и физике плазмы в Российской Федерации за период с июля 1993 г. по июль 1994 г. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Термоядерный синтез, 1995, вып. 1 -2, с. 14.

13. Евтихин В.А., Люблинский И.Е., Вертков А.В. и др. Разработка литиевого дивертора термоядерного реактора. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Термоядерный синтез, 2001, вып. 2. с. 15—29.

14. Бутов А.А. Экспериментальное и расчетное обоснование применения галлиевого теплоносителя в системе охлаждения дивертора токамака. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. -Н. Новгород: 2000.

15. Захватов B.H. Экспериментальное и расчетное обоснование применения свинцового теплоносителя в системе охлаждения бланкета токамака. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. -Н. Новгород: 2001.

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

17. Шматко Б.Д., Русанов А.Е. Влияние примесей серебра, олова и сурьмы на окислительный потенциал теплоносителя свинец-висмут. Ж. Ядерная энергетика, №3, 2000, с. 58 - 64.

18. Громов Б.Ф., Ячменев Г.С., Русанов А.Е. Кислородное ингибитирование конструкционных материалов в расплавах эвтектики свинец-висмут и свинца. Ж. Ядерная энергетика, №3, 1999, с. 87 - 94.

19. Обоснование требований к электроизолирующим покрытиям в бл анкете с жидкометаллическим охлаждением: Отчет по НИР / Муравьев Е.В., Орлов В.В. Инв. № 40/5834. - ИАЭ, 1988.

20. Зеликман А.Н., Коршунов Б.Г. Металлургия редких металлов. М., Металлургия, 1986.

21. CRC Handbook of Tables for Applied Engineering Science, 2nd edition, edited by R. Bolz and G. Tuve, CRC Press (1973).

22. Верятин У.Д., Мамиров В.П. и др. Термодинамические свойства неорганических веществ: Справочник. -М.: Атомиздат, 1965.

23. Уикс К.Е. Термодинамические свойства 65 элементов, их окислов, карбидов и нитридов. 1965 г.

24. Фромм Е., Гебхарт Е. Газы и углерод в металлах. М.: Металлургия, 1980.

25. Ефимов Ю.В. Ванадий и его сплавы. М.: Наука, 1969.

26. Тодт Ф. Коррозия и защита от коррозии. М., Металлургия, 1967.

27. Исследование стойкости конструкционных материалов в свинцовом теплоносителе применительно к ядерным реакторам со свинцовым охлаждением: Отчет по НИР / Безносов А.В., Каратушина И.В., Обухов М.В, Шлокин Е.А., и др. ГПИ, Н. Новгород, 1992.

28. Пинаев С.С. Научно-техническое обоснование и техническое применение свинца и свинец-висмутовой эвтектики в системе преобразования энергии бланкета термоядерного реактора. Магистерская диссертация. - НГТУ: 1999.

29. Семенченко В.К., Поверхностные явления в металлах и сплавах, Гостехиздат, 1957.

30. Кириллов П.Л., Богословская Г.П. Тепломассообмен в ядерных энергетических установках. М.: Энергоатомиздат, 2000.

31. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. М.: Атомиздат, 1979.

32. Вотинов С.Н., Дедюрин А.И., Иванов Л.И. и др. Ванадиевые сплавы как конструкционный материал термоядерных реакторов. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Термоядерный синтез, 2000, вып. 2, с. 3 - 12.

33. Безносов А.В., Ляхов И.Ю., Лыков С.В., Смирнов В.Н. Экспериментальные исследования электрофизических характеристик оксидных покрытий на сталях в жидких свинце и свинец-висмуте. -ТЖМТ 1991, Обнинск, Сб. тез. с. 92 94

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

35. Таланчук П.М., Шматко Б.А., Заика Л.С., Цветкова О.Е. Полупроводниковые и твердоэлектролитные сенсоры К.: Техника, 1992.

36. Св. на полезную модель №14315, Система преобразования энергии термоядерного реактора, Безносов А.В., Пинаев С.С., Захватов В.Н., Осетров А.С.

37. Св. на полезную модель №24730, 2002. Устройство для отбора проб расплавленного металла. Безносов А.В., Пинаев С.С., Камнев М.А., Бокова Т.А.

38. Св. на полезную модель №24748, 2002. Ядерная энергетическая установка. Безносов А.В., Пинаев С.С., Бокова Т.А., Назаров А.В.

39. 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-ЗОО. Ж. «Атомная энергия», 2001, т. 90, вып. 2, с. 12-17.

40. Пинаев С.С. Экспериментальное исследование смачивания конструкционных материалов свинцовым и свинец-висмутовым теплоносителями. Конференция «Шестая нижегородская сессия молодых ученых», 2001, Сборник тезисов докладов, стр. 49.

41. Анализ результатов испытаний устройств ввода газа в поток ТЖМТ (свинец): Отчет по НИР / Безносов А.В., Бокова Т.А., Пинаев С.С. и др. -НГТУ, 2000.

42. Очистка межтвэльных зазоров имитаторов ТВС от оксидов свинцового теплоносителя применительно к реактору БРЕСТ-ОД-ЗОО на стенде ФТ-3104 НГТУ: Отчет по НИР / Безносов А.В., Пинаев С.С., Бокова Т.А., Серов В.Е. и др. НГТУ, 2000.