автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.11, диссертация на тему:Исследования электроизолирующих покрытий на конструкционных материалах контура охлаждения бланкета токамака эвтектическим сплавом свинец-литий Li(17)Pb(83)

На правах рукописи

КУЗЬМИНЫХ Сергей Алексеевич

ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОИЗОЛИРУЮЩИХ ПОКРЫТИЙ ИЛ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ КОНТУРА ОХЛАЖДЕНИЯ БЛАНКЕТА ТОКАМАКА ЭВТЕКТИЧЕСКИМ СПЛАЕОМ СВИНЕЦ-ЛНТИЙ

Ьг(17)РЬ("?.)

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

/автореферат диссертация ка соискание ученой степени кандидата технических нате

Н. Новгород ] 998г.

Работа выполнена в Нижегородском государственном техническом университете.

Научный руководитель: доктор технических наук профессор

Консультант: доктор технических наук

Безносов А.В.

Мартынов П.Н.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор кандздат технических наук, старший научный сотрудник

Люблинский И.З.

Орлов Ю.И.

Ведущая организация - РНД «Курчатовский институт»

Защита состоится 02 июня 1998г. на заседании диссертационного совета Д 063.85.04. Нижегородского государственного технического университета по адресу: 603150, Н.Новгород, ул. Минина,24, корп. 5, ауд. 5232.

С диссертацией можно ознакомиться к библиотеке Нижегородского государственного технического университета.

Автореферат разослан_ 1995г.

Ученый секретарь ^^^

диссертационного со---*" —' Дмитриев С.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В работе обобщены результаты теоретических н экспериментальных исследований, выполненных автором самостоятельно и в соавторстве с д.т.н. Безносовым A.B., к.т.н. Каратушиной И.В., инж. Серовым В.Е., (НГТУ), к.т.н. Романовым П.В. (РНЦ KU).

Актуальность проблемы

Использование ядерной энергии в условиях максимальной экономической выгодности и необходимой безопасности в полной мере способно осуществиться при условии создания термоядерных реакторов (ТЯР), тем более что за последние годы достигнут существенный прогресс в осуществлении управляемого термоядерного синтеза. В будущем надо ожидать, что ТЯР станет самым важным' новым источником энергии, который изменит сложившуюся топливно-энергетическую структуру.

Несмотря на то, что при' создании энергетического ТЯР возникает ряд крупных проблем, не решенных к настоящему времени, можно выделить круг вопросов, требующих первоочередного исследования. К ним, в частности, относятся проблемы наработки топлива для термоядерного реактора и охлаждения и защиты дивертора и бланкета ТЯР, которые являются наиболее знергонапряженными элементами конструкция (тепловой и корпускулярный поток составляет порядка нескольких МВт на квадратный метр). В связи с этим идея охлаждения бланкета и дивертора с использованием жндкометалличсского теплоносителя (ЖМТ) является практически единственно возможной альтернативой.

Если запасы дейтерия в природе практически не ограничены, то тритий в промышленных масштабах мелено получить только по реакциям на Чл н Li. реализуемым п литийсодсржашем бланкеты ТЯР. Поэтому жидкий литий или лигийсодсржашие металлические расплавы рассматриваются в качестг.е осиошнлх тршнйвоспроизводящих бланкетных материалов.

. з

Однако, использование ЖМТ в свою очередь ставит ряд специфических проблем, важнейшими из которых являются взаимодействие . ЖМТ с конструкционными материалами и обеспечение возможности прокачки ЖМТ по трактам, расположенным в мощном магнитном поле. На решение этих проблем и были направлены исследования, результаты которых отражены в настоящей работе. Цель работы

Настоящая работа посвящена теоретической разработке и ■экспериментальным исследованиям электроизолирующих покрытий (ЭИП) на поверхностях конструкционных материалов, контактирующих с ЖМТ на основе свинец-литиевого эвтектического сплава Ь1(17)РЬ(83).

Для реализации указанной цели потребовалось' решить следующие основные задачи:

1. Теоретическое обоснование выбора оптимального тепа ЭИП.

2. Термодинамический анализ системы свинец-литиевая эвтектика -■конструкционный материал.

3. Экспериментальное исследование характеристик электроизолирующих свойств ЭИП на образцах в свинец-лятиевой эвтектике путем определения специально введенного. параметра р5 (р - удельное электросопротивление материала покрыли, 6 - его толщина).

4. Исследование влияния на величину р5 условий, реализуемых в реальном ТЯР (циклически изменяющиеся температурные напряжения, наличие примесей, технологические обработки теплоносителя и др.),

5. Экспериментальное определение коэффициента сопротивления /. при течении свинец-литиевого теплоносителя в поперечном магнитном поле к его зависимости от температуры и величины индукции магнитного поля.

Научна» пошпиа

Автором данной работы выполнены расчетные и экспериментальные исследования основных характеристик заинпных оксидных 4

элс1стро1!3олнру»щ;сс покрытий (ЭИП) на конструкционных материалах в свинец-литиевой эвтектике 1Д17)РЬ(83), характеристик процессоа в системе ЭИП - конструкционный материал - примеси, а также получены экспериментальные зависимости коэффициента сопротивления X при течении евниец-лнтнепого теплоносителя в поперечном магнитном поле от температуры и величины индукции магнитного поля. Лггчный вггпад автора

Все расчгтно-теор-гтические 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 блашеета ТЯР жидкометалличесхнм теплоносителем. "

На защиту выносятся:

1. Научно-техническое обоснование типа электроизолирующих покрытии на конструкционных материалах контура охлаждения С8ннец-литигвы.ч теплоносителем блашеета термоядерного реактора токамака;

2. Результаты экспериментальных исследований характеристик оксидных электроизолирующих материалов, формируемых в свинец-литиевой эвтектике;

3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований работоспособности ЭИП при воздействии термоциклических нагрузок;

4. Результаты зжпгр!гме1ггалы£ых исслсдоваинй МГД-соггротивления потока свинец-литиевого теплоносителя в поперечном магнитном паче индукцией до 1,0 Тл и сравнение данной характеристики с аналогичными для свинпа, евкнгц-внемутовой эвтектики, галлия, лития;

5. Результаты теоретического анализа и экспериментальных исследований характеристик электроизолирующих покрытий в системах конструкционный

материал - теплоноситель 1л(17)РЬ(83) - примесь компонентов воздуха, водорода, водяного пара, висмута.

Апробация работы

Работа прошла апробацию на Всероссийской конференции «Теплофизика-96 г», г. Обнинск и 8-й Международной конференции по материалам термоядерных реакторов «ЮИШ-В», Иокогама, Япония 1997г.

Публикации

Основные результаты диссертации изложены в патенте на полезную модель, научно-технических отчетах и докладах на научных конференциях.

Структура н объем диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и' приложений. Объем работы составляет 157 текстовых страницы, 42 рисунков, 17 таблиц, списка литературы из 56 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 эвтектического сплава свинец-литий в системе преобразования энергии блашеета термоядерного реактора токомака и списываются основные физические и химические свойства этого сшша.

Термоядерный реактор любого типа, в котором будет протекал реакция 7"(Д п)'Не+1 Т.СМэВ, должен иметь бланкетную зону, в которой, во-первых, энергия термоядерных нейтронов превращается в тепловую с последующей утилизацией и, во-вторых, должен осуществляться процесс воспроизводства трития по реакциям: 1Щп,а)Т + 4.ШзЗ или ¡и(п,па)Т - гЗМэЗ.

Традиционным кандидатом к использованию с качестве ЖМТ для охлаждения бланкета ТЯР является литий. Это связано с его уникальной

б

особенностью. - за исключением наработки трития литий не активируется нейтронами. Существенным недостатком лития является его высокая химическая активность и связанная с этим недопустимость его контакта с водой к кислородом воздуха, что существенно влияет на безопасность эксплуатации установки. Взрывопожаробезопасность, возможность получения коэффициента наработки трития (КВТ) больше единицы, возможность совмещения функций теплоносителя и гргпййвоспроизводящего материала, более легкое извлечение трития по сравнению с литием делают перспективным применение синец-литисвой эвтектики 1_1(17)РЬ(83) в качестве теплоносителя бланкета термоядерного реактора токамака. -

. По второй главе производится термодинамический анализ системы свинсц-литеевый теплоноситель ~ конструкционный материал и выбор типа электроизолирующего покрытия.

Выбор типа покрытия обусловлен рядом специфических требований к

ним:

- обеспечение достаточно хорошей • элехтронзоляцнн жидкометаллнческого

теплоносителя от конструкционного- материала с целью снижения мапштопщродинамического (МТД) сопротивления потоку теплоносителя а сильном поперечном поле поперечном поле бланкета термоядерного реактора.

- надежность работа в условиях неизотермического циркуляционного контура и связанная с этим возможность самовосстановления в случае локальных повреждений, в том числе и в результате термоударов, легкость формирования и деформирования покрытия в условиях работы контура.

ЗИП на основе оксидов компонентов конструкций!шых материалов, вероятно, наиболее полно удовлетворяют вышеперечисленным требованиям. Хо1я их электросопротивление и ниже, чем у эмалей, однако, сравнительная простота создания выгодно отличает ЗИП на основе оксидов от других.

рассматриваемых на данном этапе работы. Однако, как для ЗИП на основе соединений компонентов конструкционных материалов с углеродом, азотом, кремнием, так и для ЭИП на основе оксидов конструкционных материалов, остается под вопросом возможность долговременной работа этих покрытий в условиях контакта со свинец-литиевой эвтектикой.

В реальном контуре системы охлаждения бланкета термоядерного реактора свинец-литиевой эвтектикой могут находиться следующие материалы: РЬ, Ц Ре, Сг, Т1, Ве, V, В1 Протекание реакций этих материалов с кислородом рассмотрено в диапазоне температур от 300 до 1000°К.

Согласно общим принципам химической термодинамики каждая конкретная химическая реакция может протекать лишь при условии уменьшения изобарно-изотермического (далее термодинамического) потенциала системы, т.е. при условии Л2Т°<0. Измените термодинамического потенциала Д£г® каждой конкретной реакции + \\-л,+...<■-> ц'-^ч можно представить в виде: = + ,)- 1-2-г!(Л2у...

Температурную зависимость термодинамического потенциала данных реакций можно представил» как:

2 6 2 мо дь

'Анализ зависимостей термодинамического потенциала образования оксидов от температуры показал, что образование оксидов 1л20 при реакции чистого лития с кислородом характеризуется большими по модулю отрицательными значениями по сравнению с оксидами остальных материалов, кроме оксидов Ве. Следовательно, вероятность образования. оксидов Лития выше, чем окевдов железа, хрома, никеля, ванадия, титана, но ниже чем оксидов бериллия во всем диапазоне температур от 300 до 1000 °К.

Из эгого можно сделать вывод, что в контуре охлаждения бланкета термоядерного реактора с литиевым теплоносителем применение ЭИП на

основе оксидов конструкционных материалов возможно только при применении конструкционных материалов на основе бериллия и его сплавов.

Образование оксидов свинца характеризуется меньшими по модулю отрицательными величинами термодинамического потенциала А2т по сравнению с оксидами железа, никеля, хрома, ванадия, титана, бериллия. Следовательно, с точки зрения химической термодинамики формирование и доформирозание защитного ЗИП на основе оксидов конструкционны?: материалов в теплоносителе на основе свинца возможно.

Эвтектический сплав 1л(17)РЬ(23) состоит из двух компонентов: фазы чистого свинца и нНТерметадлической фазы ЫРЬ. Парциальный состав эвтектики можно представить как 17/83 пастей интерметаллтада 1лРЬ и 66/83 . частей свинца.

Из результатов термодинамического анализа взаимодействия свинец-литаевой эвтектики с компонентами конструкционного материала следует, что для, всего рассматриваемого интервала температур величина термодтшамического потенциала реакции взаимодействия эвтектики . с . кислородом имеет значение меньшее (по абсолютному значению), чем значения величины термодинамического потенциала реакций взаимодействия конструкционных материалов (Ре, Сг, V, И, Ве) с кислородом. Следовательно, вероятность \ образования оксидов компонентов конструкционного материала (железа, хрома, никеля, титана, ванадия, бериллия) выше, чем вероятность взаимодействия свинец-литневой эвтектики Ы(17)РЬ(83) с кислородом. Данное явление с точки зрения химической термодинамики (без учета термоударов в контуре, эрозии под воздействием потока теплоносителя и др.) может обеспечить поддержание на поверхности конструкционного материала стойких электроизолирующих оксидных пленок, формируемых и деформируемых на конструкционных хромо-никелевых сплавах, при их контакте со свинец-литиевой эвтектикой Ы( 17)РЬ(83).

На основании проведенного термодинамического анализа можно сделать

ч

вывод, что в контуре охлаждения бланкета термоядерного реактора со свинец-литиевым - теплоносителем У(17)РЬ(83) с точки зрения химической термодинамики формирование и доформирование оксидных ЭИП возможно на хромо-никелевых аустенитных сталях (в том числе и традиционной для атомной энергетики стали типа 0Х18Н10Т), ванадиевых и. бериллиевых сплавах.

В третьей главе приводятся результаты экспериментальных исследований характеристик электроизолирующих покрытий на поверхностях конструкционных материалов, помещенных в свинец-литиевую эвтектику 1л(17)РЬ(&3), целью которых являлось экспериментальное определение теоретически предсказанной возмоэкноети создания ЭИП и, при получении положительного результата, исследование характеристик ЭИП на поверхностях конструкционных материалов в звтеетике 1л(17)РЬ(83), а так же их сравнение с характеристиками ЭИП на поверхностях конструкционных материалов в других жидао.металлических теплоносителях.

Исследования проводились на установке, в состав которой входили нагревательная емкость, заполненная расплавленным теплоносителем, под уровень которого с помощью гермовводов устанавливались исследуемые образцы (электроды).

Приборы стеада позволяли производить контроль следующих параметров:

- температуры теплоносителя в емкости;

- замер электросопротивления покрытий, формирующихся на электродах (сойместно с существенно меньшей величиной электросопротивления слоя эвтектики между электродами) по двухэлектродиой схеме;

- давления газа в газовой полости емкости с теплоносителем; а также . индикацию расхода газа через объем эвтектики.

Величина удельного электросопротивления ро покрытий вычислялась по

форму/е: р5 —---, где: ¿Ш - падение напряжения, I - сила тока, Б -

и 2

суммарная площадь поверхности образцов.

Измерения производились как при ламинарном обтекании образцов-электродов теплоносителем за счет естественной конвенции, так и при турбулентном обтекании.

Общее время выдержки образцов в эвтектике 1л(17)РЬ(83) при температуре 350°С (623°К) составляло 50 часоц, в течение которых значение величины р5 стабилизировалось, незначительно изменяясь в диапазоне (1, 1н-1,25)х Ю^Ом-м"2.

- В процессе всех экспериментов температура застывания (плавления) теплоносителя оставалась постоянной (233°С), что косзенно может свидетельствовать о неизменности состава эвтектики.

Вольтамперные характеристики системы имеют ярко выраженный линейный характер, что позволяет предполагать, тто характеристики оксидных ЭИП, сформнрсвашых на поверхности конструкционного материала, помещенного в эвтектику У(17)РЬ(83), близки к характеристикам изолятора.

Рентгенофазовый анализ образцов после экспериментов показал наличие темной пленки на поверхности пластин, состоящей из неидет ифицировпшюй фазы X и оксида Ме;03 (Ме = • Сг, Ре). Толщина пленки по рентгенографическим данным составляет 1-3 мкм. Фаза X составляет основу пленки. Фаза X не относится к известим промежуточным фазам Ре-Сг-О, 1л-Ре-О, Ы-Сг-О, Ре-РЬ-О. Сг-РЬ-О, Т1-1л-0. Полуденная в результате эгого анализа информация в целом соответствует реззльтатам измерений в процессе экспериментов и с теоретическим анализом, что позволяет сделать, хотя и предварительные, но достаточно важные выводы о том, что оксидные электроизолирующие покрытия толщиной 1-3 мкм. на поверхности аустенитной стали в чятектнке У(17)РЬ(83) существуют и яплгются стабильными.

п

Сравнение характеристик ЭИП, сформированных в СЛЭ, с характеристиками ЭКП на поверхностях конструкционных материалов в других жидкометаллические теплоносителях показало, что для одного типа материала - стали значения р5 ЭИП для теплоносителей на основе свинца лежит в пределах одного порядка (1.0x10"1 Омм2) и эвтектика У(17)РЬ(83) может рассматриваться в качестве теплоносителя системы охлаждения бланкета реактора тохамака.

В четвертой главе приводятся результаты расчета величины возможных термоударов, возни* тющих при концептуально существующей в настоящее время импульсной работе термоядерного реактора, а так же результаты экспериментальных исследований влияния термоцнкличееких нагрузок (термоударов) на характеристики электроизолирующих покрытий (ЭИП) на поверхностях конструкционных материалов, помешенных в свинец-литиевую эвтектику Ь1(17)РЬ(83).

Было рассмотрено четыре варианта'. Варианты отличаются друг от друга своим сочетанием закона изменения расхода и времени работы реактора на мощности (Т). Всего просчитано 4 варианта со следующими комбинациями указанных параметров:

I Постоянный расход, Т= 1 час.

II Расход теплоносителя по кривой выбега насоса, Т= 1 час. 1П Расход теплоносителя по кривой выбега насоса, Т= 100 суг.

IV Оптимальный закон изменения расхода, при котором скорость изменения температуры оболочки на выходе не превышает 1°С/с, 1М час.

Результаты расчета изменения температуры оболочки твэла представлены на графиках рис.рис. 1 и 2.

'С г

\ Не X

V \ Ч-

* ч

за оо

т, с

1. Расход постоянный, Т = 1 час. 2 Расход изменяется по кривой выбега насоса, Т = 1 час.

Рнс. 1 Изменение температуры оболочки тззла

°С 1

«а.го -

Ч

' X

\

'Ч

\

ч

X

X

30 со Т, С

1. Расход изменяется по криэоЙ выбега насоса. 2.0ятимшнроваш1ыГг закон изменения расхода.

Рлс. 2 Изменение температуры оболочки твзлз

Экспериментальные исследования стойкости оксидных электроизолирующих покрытий при воздействии термоциклических нагрузок поизводились на установке, в состав которой входили: нагревательная емкость, заполненная расплавленным теплоносителем, под уровень которого с помощью гермовводов устанавливались исследуемые образцы (электрода). Для охлаждения теплоносителя под уровень сшива был помещен змеевнковый теплообменник, охлаждаемый водой с температурой на входе порядка 5СС. Изменение температуры сплава в районе образцов-электродов при термоударах составляло порядка 150-200°С, со скоростью термоударов до 20*С/с, что сопоставимо с величиной возможных термоударов в материалах бланкета при самых неблагоприятных условиях; снижение энергоаыделения при постоянном расходе теплоносителя (см. рис. 1 кривая 1).

В целом, в пределах погрешности эксперимента, можно считать, что уменьшения величины удельного электросопротивления ЗИП рй после проведения 45 термоударов не произошло.

Проведенные эксперименты показали принципиальную возможность формирования и поддержания стабильных оксидных электроизолирующих покрытий на поверхности конструкционных материалов, контактирующих с расплавленной эвтектикой 1Д17)РЬ(83) при работе ЭЙП в условиях термоциклических нагрузок, по крайней мере, при содержании кислорода в эвтектике 1л(17)РЬ(53) на линии насыщения или близкой к ней. Значение величины р8, зафиксированное в экспериментах, колеблется в пределах от 9,50x10"50м-м2 до 11,0x10"50м м2 и не зависит от количества проведенных термоударов, что сравнимо с значениями величины р& оксидных покрытий, сформированных иа поверхности конструкционных материалов без термоударов. Огсутствие заметного уменьшения величины рй после всех циклов термоударов может косвенно указывать либо на отсутствие заметного разрушения (растрескивания) при термоударах покрытий (заведомо имеющих различные КТУ с основным мстал-

н

лом), либо' на эффективное доформирование разрушающихся участков покрытий.

Анализ вольтампериых характеристик показал, 'по характеристики электроизолирующих покрытий длл эвтектики 1л(17)РЬ(83) близки к характеристикам изолятора, по крайней мере до значений плотности токз 104 А/м2, как до проведения термоударов, так и после, что позволяет сделать вывод о пригодности сформированных ЭИП для поставленной цели - уменьшения МГД-сспротивления потоку ЖМТ в системе охтаждения бланкета реактора токамака.

В пятой главе приведены результаты исследований МГД-сопротивления потоку свинец-литиевого теплоносителя в поперечном магнитном поле, целью которых являлось сравнение исследованных характеристик теплоносителя Ь1(17)РЬ(83) и других ЖМТ длл последующего обоснования концепции применения теплоносителя 1.:(17)РЬ(33) в системе преобразования энергии бланкета термоядерного реактора.

Экспериментальные исследования МГД-сопротивления потоку свипец-литиевого теплоносителя з поперечном магнитном полз заключались в измерении расхода при переливе ЖМТ под действием сил тяжести через электромагнит по трубопроводу <Зу=6 мм из аустенитной стали 08Х18Н10Т с сформированным электроизолирующим пог-срыггаем.

По полученным значениям расхода (с?.!, рис. 3) свинец-литиевого теплоносителя было рассчитано гидравлическое сопротивление трассы и вычислено МГД-сспротивяеше. Окончательные результаты расчета представлены на трафиках .зависимости коэффициента сопротивления X. от критерия На/Не (рнс. 4).

Здесь под коэффициентом сопротивления X понимается сумма гидравлического сопротивления трения и некоторой добавки, обусловленной действием магнитного поля. При этом, очевидно, что потери давления на участке экспериментального стенда, расположенном а поперечном магнитном поле будут равны сумме МГД-пстерь и потерь давления на трение на длине упас пса. находящейся а магнитном поле.

ДР=ДР Ы1-кзшл+ДРТр!=Хрсйг11г/(3 р-со2 Iм

где АРтр - потеря давления на трение на длине Г", 1т- длина участка, находящегося в магнитном поле, Р^ОО мм.

Для сравнения характеристик МГД-сопротивления потоку свинец-Л1гтйевого теплоносителя в поперечном магнитном поле с характеристиками других ЖМТ при участии автора > были произведены аналогичные экспериментальные исследования со следующими теплоносителями: галлием, свинцом, свинцом-внсмутом, л}гтием. <3, 10^ м3/с

100 СО

ео оо

&0 00 «ООО 20.00

0 00

0 00 0.20 С 4й С 60 0 80 гоо

В, Тл

Рис 3 Зависимость расхода ЖМТ от индукции магнитного поля

При сравнивании зависимости расхода от индукции магнитного поперечного поля для свинец-литиевого теплоносителя с зависимостями расхода от индукции мапштного поперечного поля для остальных теплоносителей, можно сделать вывод, что величина изменения расхода свинец-литиевого теплоносителя при увеличении шщукции поперечного магнитного поля близка к величи-

1

«г Д а е *•

9 О < * те» кресс

Т □ 1 о • А • ' С - ' • пьос иООЬС . о ? & * & 2 о № > > . .

А • "< А • < ф - 1 ♦ • ' »■аккюс *А(»Э60С в 3 ' г.- ь

* ■ > # • I ьпас к «-«азе 0 э

но изменения расхода свинцового и свинец-висмутового теплоносителей и существенно отличается от величины изменения расхода литиевого теплоносителя.

Одним из факторов, которые могли оказать влияние на величину уменьшения расхода, являлось различие величины удельного электросопротивления ро защитного электроизолирующего покрытия на поверхности трубки, а, следовательно, и МГД-сопрогизления потоку теплоносителя. Так для галлневого теплоносителя величина удельною электросопротивления р5 меньше, чем д;:л свинцового и свинец-внсму-гового теплоносителей. Исходя из химических свойств лития есть основания считать невозможным формирование ЭЛИ на поверхности сг;и.'и, контактирующей с литиевым теплоносигелем.

Погрешность измерения величины расхода свинец-ли 1иессго .теплоносителя Q пугем измерения времени заполнения нижней нагрееаидш.й «м»*-ста теплоносителем и последующего расчета С? по формул;: О ~ЛУ .М -КЛа'Л!. является косвенной и составляет ¿7°о.

При анализе трафиков зазисимости ог критерия На Не можно сделать следующие выводы. На участке ог iI.a Re-0.0004 характер кривых зависимости X от критерия На/Не для свинец-литиевого теплоносителя близок к линейному, что может говорить о линейной зависимости ме;чду критерием Па'йе л коэф-фиииеитом сопротивления ?., по крайней мере,.до значения шцуктш магнит-пого поля 0.81 Тл.

Производная кривых зависимости X от критерия На'Ке примерно о.иша-, кова для всех теплоносителей на основе свинца. Этот факт может говорить о том, что характеристики МГД-течення сшшец-лнтиеЕого теплоносителя практически не 'отличаются от характеристик МГД-течсияя свинцового и езчнец-знсмутового теплоносителей, а также о том, что ЗИП, сформированные на поверхности конструкционной стали в течение всего времени энспсримсш а с сы;-исц-литиевым теплоносителем но'полверглись разрушению.

кг3,?.

- jt Те ij —*-)— РЫ-1 jj -fr- '■Ж l'JUC < /

- 1 -ß— Fb. 5 || - / / - /

\\ vti./fi i ,v ,/

■ о /

' i ...../ f! // 'S о у у

i 1

О ¿.О СО&ОС 10C0.ÜQ 1500 СО 2000 00 2500 00.

10"6, Halte

Рис. 4 Зависимость коэффициента сопротивлентЕЯ Я. от комплекса Halie для теплоносителей на основе свинца

Следует отметить, что кривые зависимости /- от критерия Halte для литиевого теплоносителя имеют значительно более крутой характер, чем для гал-лисвого теплоносителя и теплоносителей на основе свинца, что может являться, подтверждением того, что оксидные электроизолирующие пленки, сформированные на поверхности конструкционного материала, разрушаются при контакте с литиевым теплоносителем, тогда как при контакте со свинец-литиевым теплоносителем ЗИП останутся стабильными. И, следовательно, при прочих равных условиях величина МГД-сопротивления потоку литиевого теплоносителя будет значительно больше, чем величина МГД-сопротивления потоку свипец-::;иис1!п,\у теилоиосинпа. С vuoii ючкн зрения более нредпочшгелыи <м для ох-.;.;-д-д:к!*я блаигсш термоядерного реактора Судет применение 1сн.'к>ш>лнс.тей са кнлве сшшш и. и час!носш. евннец-лигиевого теплоносителя.

Лнглнз и сравнение экспериментальных зависимостей Q ДВ), /. -й.Иа tlc\ подученных автором, как дгч .эвтектики Li(17)Pb(83).

так и для других ЖМТ,. показывает следующее:

- В теплоносителе 1л( 17)РЬ(83) возможно формирование оксидных ЭИП на сталях типа 03Х18Н10Т с характеристиками, близкими к аналогичным для свинца и эвтектического сплава свинец-висмут.

- Наблюдается качественное различие этих характеристик для эвтектики 1л(17)РЬ(83) и лития, что подтверждает результаты теоретического анализа и экспериментальных данных по определению величины р5 ЭИП для сплава свинец-литий 1л(17)РЬ(83). Галлиевый тегугоносигель по этим характеристикам занимает промежуточное положение между литием и другими ЖМТ.

Для потока свинец-литиевого теплоносителя при сформированных ЭИП наличие поперечного магнитного поля вызывает увеличение МГД-сопротивлетю с практически линейной зависимостью коэффициента сопротивления д. от критерия На/Ке, по крайней мере, до значения величины напряженности поперечного магнитного поля около 1Тл. Коэффициент сопро««Олегам X потоку свинец-литиевого теплоносителя в поперечном магнитном поле

На

можно представить в виде:Я = 120---0.05.

Яе .

Экспериментально обоснована концептуальная возможность применения эвтектики 1л(17)РЬ(83) в каналах охлаждения блаикета токомака с точки зрения обеспечения приемлемых значений МГД-сопротивления, путем формирования оксидных ЭИП на поверхности конструкционных материалов, контактирующих с теплоносителем Г_;(17)РЬ(83). Полученные зависимости коэффициента сопротивления X от критерия На/Яе могут быть нспользованьт-для оценочных расчетов ожидаемого сопротивления потока ЖМТ в каналах охлаждения бланке« токомака.

В шестой главе представлены результаты экспериментальных исследований характеристик процессов взаимодействия СЛЭ о примесями, которые могут попасть в контур, как в процессе нормальной эксплуатации, так и в елуч-ле ява-рийных ситуаций.

Опыт эксплуатации контуров и систем, со свинец-висмутовым и свинцовым теплоносителями показывает, что наиболее оптимальным способом очистки этих'теплоносителей от оксидов является их восстановление водородом с образованием исходных компонентов и легко удаляемого водяного пара. Известно, чш оксид лития водородом не восстанавливается, но возможно образование гидрида лития, при взаимодействии водорода с литием. Проведенные с целью определения возможности водородной очистки эвтектики 1л(17)РЬ(83) эксперименты показали принципиальную применимость .этого метода. При температуре около 380СС к времени очистки около 8 часов зафиксировано достаточно полное восстановление оксидов свинца при практически неизменном значении величины электросопротивления электроизолирующих покрытий и неизменном составе свинец-литиевой эвтектики 1л(17)РЬ(83) (контролируемому по эвтектической температуре).

В последние года появился ряд работ, авторы которых утверждают, что при введении в эвтектику Рв-1л примеси висмута, образуется интерметаллид 1л3Ш, выкристаллизовывающийся из расплава в твердодиеперсную фазу. В контуре ЖМТ токомака примесь висмута может быть в виде примеси исходного теплоносителя или как промежуточный продукт пейтрошю-физических реакций па свинце с последующим образованием а-активного полония, при этом возникает проблема очистки теплоносителя и контура от примеси У3В1 и введения в контур лития, выводимого в результате этой реакции.

Проведенные серии экспериментов (по мнению автора существенно более приближены к условиям эксплуатации реальных систем) показали, что, по крайней мере, долного "выжигания1' компоненты эвтектики Ц(17)РЬ(83) - лития вводим«! примесью висмута не происходит, в расплаве и шлаках фиксируются литий г, его соединения. висмут и его соединения, а не только интерметаллид 1Л,В1. Независимо о'г введенного ко;шчес1йа висмута в систему 1(0.1 -(О-02*02-02+02) масс.] и температуры испытаний (350, 400°С> на поверхности <>бра !цоч-элеятродов поддерживается темная пленка толщиной (по

рентгенографическим данным) 1 -3 мкм со значением электрофизической характеристики р8 с подавляющим большинством значений (11 - 13)-10's Омм1.

Контроль по температуре застывания-плавления эвтектики после введения навесок висмута также не показал процесса «выжигания» лития висмутом и, соответственно, изменения температуры плавления эвтектики (в пределах погрешности эксперимента).

Полученная в процессе экспериментов информация позволяет сформировать более объективное представление о процессах,, сопровождающих «течь-» парогенератора в термоядерных установках, охлаждаемых свшшово - литиевым теплоносителем и на их основании уточнить проекгные решения, касающиеся данной аварии, а также конструкции самой установки. Результаты эг.-спернпеи-toi! подтвердили взрывопожаробезопаеность «лшгц-литиевого ¡c¡í;»i¡'VHif ¡ при ero контакте с водяным паром, что выгодно отличает его от лятиет.ого теплоносителя, контакт коюрого с водяным паром приводи г к серьезным

Заключение. Основные результаты раСогы !. Теоретически обоснована п экспериментально подтверкдела возможность формирования и деформирования эдгетроизодирующих покрытий на основе оксидов компонентов конструкционных материалов и сяииец-литиезого теплоносителя. со значениями произведения удельного электросопротивления рЗ порядка 10*4 Ом-м2 а диапазоне рабочих температур системы охлаждения термоядерного реактора токомака.

2. Экспериментально показана стабильность ОИП на стали типа 08X13111 ОТ в теплоносителе - эвтектический сплаз свинец-литий Li(17)Pb(83) при значениях р5 1,1 - 1,2-ДО"4 Ом-м5; по характеру проводимосш ЗИП близки к изолятору. Толщина формируемых ЭИП (по рентгенографическому анализу) составляет Í - 3 мкм. Экспериментально показано, что значения ро у 3I.fií, »формированных в эвтектике Li(I7)Pb(83), близки к значениям этой величины ЗИП, сформированных в свинцовом тепшоппситсле. и в 'итекгнке ciühwh-яисчут. Значения рЙ при увеличении темнерягуры :ШТ ynv:r.:"fi-.a:.-.

Зависимости значения р5 ЭИП в свинец-литиевой эвтектике 1л(17)РЬ(83) от режима обтекания образцов теплоносителем (турбулентный, естественная конвекция) не зафиксировано.

3. Согласно современным концепциям дискретной работы токомаков, выполнен расчет величины возможных термоударов в элементах бланкета, контактирующих с теплоносителем. Проведенные экспериментальные исследования по термоциклированшо образцов с ЗИП в контакте со свинец-лигисвым теплоносителем на базе порядка 50 циклов с величиной термоудара до 20оС/с (при охлаждении) и величиной термокачки 10°С/ыии ираййчески не показали, изменения значения контролируемой величины-р5 (около 1,0-10"4 Ом-мг).

4. Проведенные экспериментальные исследования МГД-сопротждеиия потока свинец-литиевого теплоносителя в диапазоне температур 350 - 500°С в поперечном магнитном поле с индукцией до 1,0 Тл показали достаточно близкие характеристики МГД-сопротивлешш у эвтектики Ь)(17)РЬ(83) с характеристиками свинцового теплоносителя и эвтектики свинсц-висмуг и существенное расхождение с -литием. По результатам экспериментов зависимость коэффициента сопротивления потоку свинец- литиевого теплоносителя при течении в круглой трубе и Поперечном магнитном поле

, На

может быть представлена в виде: Л = 120-—- О.Ой .

Ке

5. Проведенные исследования взаимодействия в системе конструкционный материал - ЭИП -- теплоноситель - примесь воздуха показали, что процессы взаимодействия достаточно близки 1С процессам взаимодействия с аналогичными системами со свинцовым и свииец-висмуювым шпоиоенгедяул! и существенно отличается от взаимодействия с литиевым ¡СП.;, чн.кп^л-л:. ч!0 подтвердило возможность формирования и лофорчир;шаш1я оксидных ЭИП на конструкционных материалах.

Исследования взаимодействия в системе конструкционный материал -ЗИП - теплоноситель - примесь водорода подтвердили принципиальную возможность очистки эвтектики. Li(l 7)РЬ(33) от оксидов свинца водородным восстанавливанием.

Исследования взаимодействия в системе конструкционный материал -ЗИП - теплоноситель - примесь водяного пара показали «пороговый» характер «выжигания» лития из эвтектики Li(17)Pb(83) при моделировании аварийной ситуации с поступлением водяного пара в контур. Следствием этою эксперимента является недопустимость использования двух контурной схемы в системе преобразования тепловой энергии бланкета в электрическую.

Исследования взаимодействия а системе конструкционный материал -ЗИП - теплоноситель - примесь висмута покапали практически полное отсутствие «выжигания,•> лития висмутом с образованием твердой фазы Li-Bi.

6. Полученные в работе результате работы выводы и рекомендации исяолыуются при обосновании конченцин "системы охлаждения бланкета термоядерного реактора токомака сяинец-литиезым теплоносителем и могут быть использованы в соответствующих проеетных проработках.

Осксвяые положения диссертационной рй'Фоты юлкгпти в каушо-технапесхах отчетах п следующих публикация*:

1. Безносо» A.B., Щербаков Р.В.; Кузьминых С.А. н др. Экспериментальные исследования характеристик МГД-еопротнвлешга потека гаялневога

теплоносителя в поперечном магнитном, поле: Отпет по НИР (промежуто'шыйуншкегородский Государственный технический университет.-УДК 621.039.6; К=ГР01940002164; Нив. ^з02.9.30003163-Шн>вгород, 195«.-38 с. ■

2. Безносоз A.B..-Кузьминых СЛ. и др. Эйсперимгнгалыюе исследование

взаимпдейстзкя в системе конструкционный материал - злагтронюлнрунл!;?!»

(защитное) покрытие - эвтектика свинец-литий плюс висмут применительно т системе теплоотвода , блаякега токгмака: Отчет по НИ! (промеяоточный^Ьшсшродский Государственный технический университет УДК 539.1.08; ЖТО1940002164; Инс. >&0297С003Е52-Н.НоБГород, 1996.-75 с.

3. А.В.Бсзнол>в. Ю.Г.Мслузов, С.Л-Кузьминых, П.В.Романов. Очист:;; контора и спннмщ-лнтиевого теплоносителя от примесей полоши и висмут;; Отчет по НИР/Нижегородский государственный темшчсскнй университет. УД! 539.1.0В инв J^3)T-176 от Ка ГР01830066407. 1996г.

4. RU 4182 U1. Система преобразования энергии термоядерного peamvp: тепа токамак. Нижегородский государственный технический универшге!; акт полезной модели ьезпосов А.В.,Тущкна Е.Е., Кузьминых С.А.; Опубликовано i официальном бюллетене российского агентства по патентам и товарльш знакам «Полезные модели промышленные образцы», 16.05.97, №5

5. Безносов A.B., Щербаков Р.В., Кузьминых С.А. Измерение хзрзктеристш МГД-сопротивлення жидкометаллических теплоносителей в поперечно--1 магнитном поле. Сборник докладов Всероссийской научной конференции <;Теплоф1".зика-96», г. Обнинск. УДК 621.039.6. стр. 34-36.

6. Безносов A.B., Кузьминых С.А., Каратушина И.Е, Очистка контур: охлаждения бланкета и теплоносителя Pb-17Li ог висмута и полония. Сборни* докладов 8-й Международной конференции по материалам термоядерньо реакторов «ICFRM-8», секция размножающие материалы, P3-D172, Иокогама Япония 1997г.

Посгт. £ сеч. 16.04.93-Формат 60xS4 !/16. Бумага газетная. Печать офсетная. Уч.-издл. 1,0. Тираж 60 зкз. Заказ 214,

Типография НГТУ. 603600, Нижний Новгород, ул.Минина, 24.