Исследование параметров теплосъема в тепловоспринимающих элементах инжекционных систем термоядерных установок тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат технических наук Наумов, Владимир Константинович

• Наумов, Владимир Константинович
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Наумов, Владимир Константинович

Глава1. Введение.

1. Обзор современных подходов по материалам научных публикаций.

1.1 Термоинерционная система теплосъёма.

1.2 Приёмники с активной системой охлаждение.

1.3 Выводы.

Глава 2. Формулировка теоретико -расчётной модели определению параметров теплосъёма в тепловоспринимающих элементах приёмников пучков, содержащих интенсификаторы теплообмена-скрученные ленты.

2.1 Математическая формулировка основных уравнений и граничных условий.

2.1.1 Общая постановка.

2.1.2 Метод адиабатических сечений.

2.1.3 Сопряжённая задача определения поля температуры в потоке теплоносителя.

2.1.4 Режимы теплосъёма.5.

2.1.5 Критический тепловой поток.

2.1.6 Распределение давления в потоке теплоносителя.

2.2 Построение конечно-разностной схемы решения основных уравнений.

2.3 Выводы.

Глава 3. Термоупругие напряжения и термоциклическая усталость в конструкционном материале тепловоспринимающих элементов приемников пучков.

3.1 Постановка задачи по определению термоупругих напряжений в сечениях тепловоспринимающих трубок.

3.2 Численно-аналитическое решение модельной задачи.

3.3 Оценка термоциклической усталости.

3.4 Выводы.;.

Глава 4. Экспериментальные исследования параметров теплосъёма в тепловоспринимающих элементах приёмников пучков

4.1 Модельные исследования параметров теплосъёма на фрагментах тепловоспринимающих элементов приёмников пучков токамака Т-15.

4.1.1 Описание экспериментального стенда.

4.1.1.1 Автоматизированная система управления экспериментом и обработки экспериментальных данных.

4.1.1.2 Теплофизическое обоснование идентификации начала кризиса теплообмена в испытуемом модельном образце.

4.1.1.3 Электронный блок управления теплофизическими процессами.

4.1.1.4 Система модельного нагрева испытуемого фрагмента.

4.1.2 Методика проведения экспериментов.

4.2 Использование результатов экспериментов на теплофизическом стенде FE-200 EURATOM-CE А по коррекции численной модели.

4.3 Выводы.

Глава 5. Практическое применение полученных результатов для расчёта теплосъёма и термоупругих напряжений в тепловоспринимающих элементах приёмников пучков системы инжекции токамака Т-15 и ITER.

5.1 Спецификация численной модели.

5.2 Результаты расчётов термогидравлических и термопрочностных параметров теплосъёмных трубок приёмников пучков системы инжекции токамака Т-15.

5.3 Результаты расчётов термогидравлических и термопрочностных параметров теплосъёмных трубок приёмников пучков модуля инжекции ITER.Л

5.4 Влияние формы сечения трубчатых тепловоспринимающих элементов на теплофизические и термопрочностные характеристики по результатам расчётов теплосъёма в приёмниках пучков токамака Т-15 и ITER.

5.5 Выводы.

Глава 6. Выводы.

Список публикаций автора.

Заключение диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Наумов, Владимир Константинович

ВЫВОДЫ

1. При разработке и создании технических средств отвода высокоэнергичных пучков с плотностью теплового потока, превышающей 10 МВт/м2, реализуемых в инжекционных системах термоядерных установок, могут быть использованы два метода организации теплоотво-да:

• термоинерционные с аккумуляцией теплового потока в массивных плоских пластинах расчётной толщины из сплавов с высокой теплопроводностью и теплоёмкостью за время облучения пучком и последующим отводом в паузе между импульсами запасённого тепла либо излучением, либо потоком теплоносителя с малым объёмным расходом. Ограничивающим фактором применения таких систем является температурная термостойкость конструкционного материала и, следовательно, этот метод может быть использован при короткоим-пульсном подводе тепловой мощности (в среднем ~0.5 с);

• активная система отвода тепловой мощности пучка потоком теплоносителя, прокачиваемого через систему каналов, оптимизированных для максимального теплосъёма со стороны тепловоспринимающей поверхности. Ограничивающим фактором применения активной системы является уровень критических тепловых потоков на стенках каналов охлаждения. Активная система используется для отвода тепловых потоков дтинноимпульсных и стационарных пучков.

2. В качестве базовых теплосъёмных элементов в известных по материалам научных публикаций приёмников пучков с активной системой теплоотвода в настоящее время используются либо НУ— модули с максимумом воспринимаемого плотности теплового потока до 30 МВт/м2 в импульсном режиме с ограниченным числом импульсов, определяемым термопрочностными свойствами конструкционного материала, либо трубчатые элементы круглого или прямоугольного сечения с каналом охлаждения со вставленной скрученной лентой, выбор шага которой позволяет увеличить критические тепловые нагрузки, значительно превосходящие 30 МВт/м2.

3. На основе разработанного автором метода адиабатических сечений сформулирована I теплогидравлическая модель процесса охлаждения теплосъёмной трубки со вставленной скрученной лентой, широко используемой при проектировании и создании приёмников пучков.

4. В приближении идеальной адиабатичности сечений (Лх —» 0) разработана численная реализация модели, позволяющая исследовать соотношение тегоюфизических параметров потока теплоносителя и конструкционного материала с целью выбора оптимальных характеристик материала, геометрических характеристик сечения, а также внешних режимных параметров потока теплоносителя в трубках-объёмного расхода, значений среднемассовой температуры и давления на входе-выходе из трубки. *

5. Для сечений трубок в форме кругового кольца и прямоугольника с центральным отверстием дано замкнутое решение квазистационарной задачи по определению распределений компонент тензора термоупругих напряжений в конструкционном материале в приближении плоских напряжений, деформаций и сил, сводимых к единому распределению эквивалентных напряжений по R. Misses, обуславливающих выбор конструкционного материала.

6. Используя схематизацию реальной диаграммы Гука конструкционного материала совместно с опытной корреляцией для диаграммы усталости Мэнсона - Коффина при воздействии на трубки переменных по времени тепловых потоков, приведены расчётные рекомендации по оценке предельного числа циклов тепловых нагружений конструкции трубки с сохранением её несущей способности.

7. Даны рекомендации по выбору материала и конструкции теплосъёмных трубок, способствующих увеличению предельного числа термоциклических воздействий от падающего пучка.

8. Представлен банк экспериментальных данных, полученных автором, по потерям давления в трубках со скрученными лентами, аппроксимированные корреляцией (2.93), из которых следует двукратное превышение экспериментальных потерь давления над рассчитанными по классической корреляции Bergles.

9. Сформулирована и технически реализована концепция специализированного тепло-физического стенда, максимально моделирующего натурные условия одностороннего нагрева фрагментов трубок приёмников пучков системы инжекции токамака Т-15. Теоретически исследован и аппаратно реализован метод нагрева фрагментов сканирующим электронным пучком с плотностью мощности до 100 МВт/м2 с обоснованием и реализацией способа идентификации возникновения кризиса теплообмена в исследуемых образцах трубок.

10. На основании экспериментальных исследований на установке FE- 200 по данным работы [39] представлены результаты коррекции теплофизической модели метода адиабатических сечений в части выбора экспериментальных корреляций для адекватного описания про

-196цессов теплообмена при вынужденной конвекции теплоносителя с поверхностным кипением в трубках со скрученными лентами, а именно: режим однофазной вынужденной конвекции описывается корреляцией Lopina -Bergles (2.35), основанной на корреляции Sieder- Tate (4.15); режим поверхностного кипения описывается модифицированной кривой кипения (4.17) в форме Thorn (2.43);

11. Представлен банк первичных экспериментальных данных по модельному нагреву фрагментов трубок приёмников пучков Т-15 с результатами сравнения рассчитанных по скорректированному методу адиабатических сечений, необходимой мощности нагрева электронным пучком с экспериментальными калориметрическими измерениями, подтверждающие корректность численной модели.

12. Представлена спецификация экспериментально скорректированного метода адиабатических сечений, реализованного в модульной компьютерной программе ACS-код, позволяющей произвести замкнутый расчёт теплогидравлических и термопрочностных параметров теплосъёмных трубок круглого и прямоугольного сечения с временными затратами значительно меньшими, чем при использовании специализированного компьютерного пакета AN-SYS. Указанный метод был принят Рабочей Группой РФ по проектированию системы инжек-ции ITER в качестве основного при расчётах параметров приёмников пучков.

13. Приведен полный набор по распределению температурных полей и термоупругих напряжений как по длине трубки, так и в наиболее теплонапряжённом сечении, а также даны на их основе оценки времени жизни спроектированных конструкций теплосъёмных трубок приёмников отклонённых ионов Т-15 и калориметра ITER при условиях подвода квазистационарного 1.5 с импульса пучка и стационарного подвода тепловой мощности соответственно.

14. Представлены сравнительные данные о влиянии формы сечения на термогидравлические и термопрочностные характеристики теплосъёмных трубок, из которых, в частности, следует вывод о нецелесообразности с теплофизической точки зрения применения трубок прямоугольного сечения в виду наличия в угловых точках экстремальных значений температуры нагрева и термоупругих напряжений.

15. На основе изложенных выше расчётов наиболее теплонапряжённых трубок, приведены общие термогидравлические параметры приёмников пучков - приёмника отклонённых

-197ионов Т-15 и калориметра модуля инжекции ITER, принятые в настоящее время в качестве возможных вариантов при их практической реализации [53]—[55].

16. Материалы диссертации опубликованы в виде научных статей (список прилагается) и доложены автором на 6-ой Всероссийской Конференции по Инженерным Проблемам Термоядерного Синтеза, проведенной в г. Санкт - Петербурге 27-29 мая 1997 г.

-198

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА

1. Наумов В.К., Семашко Н.Н. Теплогидравлические характеристики и критические тепловые нагрузки в приёмниках пучков системы инжекции Т-15 // Атом, энергия. - 1992. - 72. - Вып. 6,- С. 580-587.

2. Наумов В.К., Комов А.Т. и др. Автоматизированная система сбора и обработки экспериментальных данных на теплофизическом стенде по определению критических тепловых нагрузок на фрагментах приёмников пучков токамака Т-15 // ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез. — 1993. — Вып. 1-2. —С. 60-65.

3. Naumov V.K., Semashko N.N. Analytical model for estimating thermophysical and strength parameters of the cooled pipe with the twisted tape under asymmetric heating by a pulse of external heat flux // Plasma Devices and Operations. —1994. — 3. — P. 267-280.

4. Naumov V.K., Semashko N.N. Komov A.T. Finite-difference approximation of the adiabatic cross-section technique in a numerical analysis of the single-side heating process of a cooled pipe with the twisted tape inside by an external heat flux pulse // Plasma Devices and Operations. —1995. — 4. —P. 141-161.

5. Naumov V.K., Semashko N.N., Komov A.T. Model heating of the injection system beam receptacle fragments in fusion facilities by the scanning electron beam in the studies of critical thermal operating conditions // Plasma Devices and Operations. — 1995. — 4. — P. 91-100.

6. Naumov V.K., Semashko N.N., Komov A.T. Modification of the adiabatic cross-section technique for calculation of pipes containing twisted tapes under asymmetric heating by an external stationary heat flux with a high power density // Plasma Devices and Operations. —1996. — 5. — P. 43-58.

7. Naumov V.K., Semashko N.N., Barashkov A.S., Komov A.T. Non-stationary thermoelastic stresses in heat-removing elements of the beam dumps in the T-15 tokamak injection system // Plasma Devices and Operations. —1997. — 5. — P. 1-11.

8. Naumov V.K., Krylov A. I. and at. General Design of the Neutral Beam Injection System and Integration with ITER // Paper of 19th Symposium on Fusion Technology 16-20 September 1996. — Lisbon-Portugal. — P. 16-20.

9. Naumov V.K., Panasenkov A.A., Semashko N.N., Barashkov A.S., Komov A.T. Heat removal parameters of the ITER Injection Systems Beam Dumps // Plasma Devices and Operations. —1998. — 6. — Nos. 1-3, — P. 129-135.

1. Кадомцев Б.Б. Основы физики плазмы токамака // ИНТ. - 1991. - 10. - Ч. 1. - СС. 141.

2. Stone RJR., Haughian J. М. The design of the calorimeter and beam dump for the TFTR prototype neutral beam injector // Preprint UCRRL-79720 of paper presented at 7l h Symposium on Engineering Problems of the Fusion Research 25-28 October 1977. - Knoxville-Tennessee. - 6 p.

3. Jinchoon Kim, Davis R.C., Haselton H.Y., Queen C.C. Design considerations of calorimeter-target for high power neutral beam injectors // Preprint of a paper presented at the 6th Symposium on Engineering Problems of the Fusion Research 18-21 November 1975. -San Diego- Calif. - P. 14.

4. Jinchoon Kim Targets for high power neutral beams // Preprint GA-A16085 of a paper presented at the Conference of the Application of Accelerators in Research and Industry 3-5 November 1980. -Denton- Texas. - P. 1-5.

5. Hammond D.P., Brookes C.E. A calorimeter system for high intensity neutral beams / Culham Laboratory Abingdon Oxon 0X14 3DB U.K. (Euratom / UKAEA Fusion Association) !977. - P 307-312.

6. Kamperschroer J.H., Pipkins J.F. A three-dimensional heat transfer analysis of the Doublet III beam line calorimeter // Preprint GA-A15639 of a paper at the 8th Symposium on Engineering Problems of the Fusion Research 13-16 November 1979. - San Francisco- California. - 4 p.

7. Gambill W.R., Bundy R.D., Wansbrough R.W. Heat transfer, burnout, and pressure drop for water in swirl through tubes with internal twisted tapes // Preprint ORNL-2911 of a paper at the Chemical Engineering Progress Symposium Series 1961. -P. 127-137.

8. Thorsen R., Landis F. Friction and Heat Transfer Characteristics in turbulent swirl flow subjected to large transverse temperature gradients //HT ASME. -1968. - 90. -No 1. - P. 91-103.

9. Lopina R.F., Bergles A.E. Heat transfer and pressure drop in tape -generated swirl flow of singlephase water // HT ASME. -1969. -91. -No 3. -P. 158-168.

10. Bergles A.E., Lee R.A., Mikic B.B. Heat transfer in rough tubes with tape-generated swirl flow // HT ASME //HT ASME. -1969. - 91. -No 3. -P. 169-171.

11. Combs S.K., Milora S.L. and at. Compact, inexpensive target design for steady-state heat removal in high-heat-flux fusion applications // Rev. Sci. Instrum. -1985. -56. - No.8. -P. 1526

-20012. Combs S.K., Milora S.L. and at. A numerical model for swirl flow cooling in high-heat-flux particle beam targets and the design of a swirl-flow-based plasma limiter / Rep. ORNL/TM-0183. -1984. -21 p.

13. Moir R.W., Taylor C.E., Hoffman M.A. New concept for a high-power beam dump // Nucl. Eng. Design. -1981. - 68,- P. 265-271.

14. Haange R. Design of colorimeter and ion dump for JET neutral injection beam line // Preprint of a paper presented at 9th Symposium on Engineering Problems of Fusion Research 3-5 October 1981. -Chicago. - P. 1352-1355.

15. Becherer R. Rotating target for high power neutral beams, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. -1986. -North-Holland Amsterdam. -P. 28-32.

16. Dehlgren F., Wright К and at. TPX / TFTR Neutral Beam Energy Absorbers / Rep. Princeton Plasma. Phys. Lab. -IEEE -0-7803-1412-3504.00. -1994. -P. 455-461.

17.Baxi C.B., Falter H. Analytical prediction of thermal performance of Hypervapotron and its application to ITER / Preprint General Atomics. -1992 -San Diego. - California 92186-9784. -5 p.

18.Falter H.D., Thompson E. Performance of Hypervapotron beam stopping elements in JET / Preprint JET-P(95)13 of a paper to be submitted for publication in Fusion Technology. - 1995. -12 p.

19 Harbaugh W.E., Bauder R.C. and at. Water cooled D.C. Heat sink development / Final Rep. RCA Corp: P.O. No 2660502. -1977. -Lancaster. -Pennsylvania. -82 p.

20 Reneport W. A., Grote M.G. and at. A heat absorption panel for Neutral and Ion beam dump / Preprint 82-HT-31 for HT ASME. -1982. -23 p.

21.Kreutz R., Klimm M. and at. Design and fabrication of heat absorption panels for Neutral Beam Injectors / Rep. Interatom. -FRG. -IEEE -0-2251-7/86/0000-1265. -1986. -P. 1265-1268.

22.Каменьщиков Ф.Т., Решетов B.A., Рябов A.H. Вопросы механики вращающихся потоков и интенсификация теплообмена в ЯЭУ. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 173 с.

23.Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя: Пер. с нем. - М.: Наука, 1974. - 711 с.

24.Кутепов А.М„ Стерман Л.С., Стюшин Н.Г. Гидродинамика и теплообмен при парообразовании. -3-е изд., исправ. -М.: Высшая школа, 1986. - 448 с.

25. Ибрагимов М.Х., Номофилов Е.В., Субботин В.И. Теплоотдача и гидравлическое сопротивление при винтовом движении жидкости в трубе // Теплоэнергетика.-1961.- № 7.-С. 57.

-201

26.Lopina R.F., Bergles A.E. Subcooled boiling of water in tape-generated swirl flow // HT ASME. -1973.-95.-P. 281-283.

27. Jens W.H., Lottes F.A. Analyses of heat transfer, burnout, pressure drop and density data for high pressure water // Rep. ANL-4627. U.S. AEC. -1951. - 12 p.

28.Weatherheat R. J. Nucleare boiling characteristics and the critical heat flux occurrence in sub-cooled axial-flow water system //Rep. ANL-4627. U.S. AEC. - 1951. -32 p.

29.Thom J.R.S., Walker W.M., Fallon T.A., Reising G.F.S. Boiling in subcooled water during flow in tubes and annuli // Prog. Inst. Mech. Eng. - 1966. -3C - P. 180-226.

30. Chen J.C. Correlation for boiling heat transfer to saturated liquids in convection flow // Ind. Eng. Chem. Proc. Des. Develop. - 1966. - 5. - P. 322-350.

31.Ягов B.B. Научное наследие Д.А. Лабунцова и современные представления о пузырьковом кипении // Теплоэнергетика. -1995. - №3. - С. 5-9.

32. Кутателадзе С. С. Основы теории теплообмена. - 5-ое изд., дополн. -М.: Атомиздат, 1979.-414 с.

33. Rohsenow W.M., Hertnett J.P., Ganic E.N. Handbook of heat transfer fundamentals. -2-d edit. -New York.: McGraw-Hill Book Company, 1985. - 1020 p.

34. Rohsenow W.M. Nucleation with boiling heat transfer // Ind. Eng. Chem. - 1966. -58. -№1. - P. 302-315.

35. Кузнецов Ю.Н. Теплообмен в проблеме безопасности ядерных реакторов. - М.: Энерго-атомиздат, 1989. - 296 с.

36. Ягов В.В. Физическая модель и расчётное соотношение для критических тепловых нагрузок при пузырьковом кипении жидкостей в большом объёме // Теплоэнергетика. - 1988. -№ 6. - С. 53- 59.

37.Yagov V.V., Zudin Yu. В. Mechanistic model for nucleate boiling crisis at different gravity fields // Proceeding of the 10th International Heat Transfer Conference 1994. - Brighten, UK. - 5. - P. 189-194.

38. Зейгарник Ю.А., Климов А.И., Маслакова И.В. Предельные параметры для системы охлаждения, использующих кипение сильно недогретой воды // Теплоэнергетика. -1976. -№12. - С. 55-59. '

39. Schlosser J., Boscary J. Termalhydraulic tests on divertor targets using swirl tubes / Final Rep. Association EURATOM-CEA. - P / CO 94.03. -Cadarache., 1994. - 52 p.

-20240. Смитберг, Лэндис Трение и характеристики теплообмена при конвективной теплоотдаче в трубах с завихрителем из скрученной ленты И Теплопередача. - 1964. -№ 1. - С. 52-65.

41. Самарский А.А., Николаев Е.С. Методы решения сеточных уравнений. - М.: Наука, 1978. - 592 с.

42. Мелан Э., Паркус Г. Термоупругие напряжения, вызываемые стационарными температурными полями: Пер. с нем. -М.: Физматгиз, 1958. - 167 с.

43. Коваленко А.Д. Введение в термоупругость. -Киев: Наукова Думка, 1965. - 150 с.

44. Прочность и деформация в неравномерных температурных полях: Сб. науч. тр. под ред. Фридмана Я.Б. -М.: Госатомиздат, 1962. - 254 с.

45. Хан X. Теория упругости: Пер. с нем. -М.: Мир, 1988. - 343 с.

46. Гусаров А.В., Касаткин А.П. и др. Экспериментальный стенд для исследования кризиса теплообмена на фрагменте приёмника энергии Т-15. // Труды МЭИ. - 1993. - № 659. - С. 43-51.

47. Наумов В.К., Комов А.Т. и др. Автоматизированная система сбора и обработки экспериментальных данных на теплофизическом стенде по определению критических тепловых нагрузок на фрагментах приёмников пучков токамака Т-15 // ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез. —1993. — Вып. 1-2. - С. 60-65.

48. Электронно-лучевая сварка: Сб. статей под ред. Патона Б.Е. - Киев: Наукова Думка, 1987. -С. 183-187.

49. Mayaux G., Cardella A., Chappuis P. and at. 200 kW electron gun facility for plasma facing components tests / Preprint F-13108 Association EURATOM-CEA. - 1991. - CE- Cadarache. - 4 P

50. Naumov V.K., Krylov A. I. and at. General Design of the Neutral Beam Injection System and Integration with ITER // Paper of 19th Symposium on Fusion Technology 16-20 September 1996,-Lisbon-Portugal - P. 16-20.

51. ITER Interim Structural Design Criteria IISDC. - Document number S 74 RE 296-06-18 W 1.1

Appendix A -Material Design Limit Data. - 39 p.

Appendix В -Guidelines for analysis, in-vessel components. - 59 p.

Appendix С -Rationale or justification of the rules. - 83 p. '

52. Stubbins J. Cooper Alloy Fatigue Performance / Working Meeting on materials and Joints for in-vessel components ITER Joint Central Team 13-16 May 1996. - Garching Co-Center. - 5 p.

-203

53. Naumov V.K., Alexandrov E.V. and at. Part of the Engineering and Physics Design of the ITER NBL 1 MeV, 12.5 MW Module / Prepared by the RP Home Team Task Agreement Ref. No: 53 TD 09 94 -10 -28 RF RRC «Kurchatov Institute» Institute of Nuclear Fusion. - 1995. -.Moscow. -120 p.

54. Naumov V.K., Alexandrov E.V. and at. Part of the ITER NBI Beam line Design / Prepared by the RF Home Team Task Agreement Ref. No: 53 TD 13 FR ID No: D322 RRC «Kyrchatov Institute» Institute of Nuclear Fusion. - 1996. - Moscow. - 180 p.

55. Naumov V.K., Alexandrov E.V. and at. Part of the ITER NBI Beam line Design / Intermediate Report on the First Phase of Work. - RP Home Team Task Agreement Ref. No: 53 TD 19 FR (ID No. D322) RRC «Kurchatov Institute» Institute of Nuclear Fusion. - 1997. - Moscow. - 150 p.

56. Кузма-Кичта Ю.А., Комендантов A.C. и др. Влияние закрутки потока и пористого покрытия на характеристики теплосъёма при кризисе теплообмена в каналах с неоднородным нагревом // ТВТ. - 1992. - № 4. - С. 772-777.