Исследования в обоснование научно-технических решений конструкции жидкометаллических мишеней ускорительно-управляемых систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.11, кандидат технических наук Мелузов, Александр Георгиевич

• Мелузов, Александр Георгиевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Мелузов, Александр Георгиевич

Перечень сокращений, условных обозначений

Введение

ГЛАВА 1 КОНСТРУКЦИИ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МИШЕНЕЙ

1.1 Общие положения

1.2 Состав жидкометаллической мишени

1.3 Ориентация оси мишени в пространстве

1.4 Проточная часть

1.5 Элементы, ограничивающие поступление ЖМТ, паров и газов элементов и соединений в направлении полости ускорителя при нормальной работе

1.6 Теоретический анализ характеристик потока в проточной части 26 модели жидкометаллической мишени

ГЛАВА 2 ЭКМПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОДИНАМИКИ ПОТОКА В ПОЛНОМАСШТАБНОЙ МОДЕЛИ МИШЕНИ И УСЛОВИЙ НЕЗАТЕКАНИЯ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В УСКОРИТЕЛЬ (НА ВОДЕ)

2.1 Общие положения

2.2 Описание модели устройства при испытаниях на I этапе

2.3 Описание экспериментального стенда (I этап)

2.4 Программа испытаний обеих конструкций моделей (I этап)

2.5 Обсуждение результатов испытаний (I этап)

2.6 Исследование условий незатекания теплоносителя в патрубок подвода частиц от ускорителя (II этап). Общие положения.

2.7 Описание экспериментального стенда ФТ - ОЗМ

2.8 Исходное состояние установки ФТ-03М

2.9 Методика проведения испытаний на прозрачной модели (II этап) с установленными цилиндрическими обтекателями при угле ребер закрутки 0° (без закрутки потока)

2.10 Обсуждение результатов испытаний (II этап). Влияние режимных и геометрических характеристик на условия незатекания теплоносителя в полость имитатора подвода частиц

2.11 Влияние скорости потока и величины числа Рейнольдса в кольцевом зазоре между обтекателем и корпусом

2.12 Влияние угла закрутки потока

2.13 Влияние величины эквивалентного диаметра кольцевого зазора

2.14 Влияние относительной длины кольцевого зазора

2.15 Влияние противодавления и перепада высоты между торцевым срезом цилиндрического обтекателя и свободным уровнем теплоносителя в сливной емкости

2.16 Влияние ориентации оси модели в пространстве (горизонтальное или вертикальное)

2.17 Условия образования газопаровой полости со свободной поверхностью теплоносителя в проточной части мишени

2.18 Выводы (И этап)

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛНОМАСШТАБНОЙ ВЕРТИКАЛЬНОЙ МОДЕЛИ ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКОЙ МИШЕНИ НА ЭВТЕКТИЧЕСКОМ СПЛАВЕ СВИНЕЦ-ВИСМУТ

3.1 Описание экспериментального стенда ФТ - 1 МУУС

3.2 Описание конструкции модели жидкометаллической мишени

3.3 Программа - методика проведения испытаний

3.4 Методика построения профиля свободной поверхности в полости мишени

3.5 Исследование условий незатекания ЖМТ в полость патрубка - имитатора подвода частиц от ускорителя в режимах пуска и прекращения циркуляции ТЖМТ через полость мишени

3.6 Методика определения расхода теплоносителя через полость мишени

3.7 Результаты измерений точек свободной поверхности ТЖМТ в проточной части модели мишени и давления в ее газовой полости

3.8 Обсуждение результатов

3.9 Исследование эжекционных характеристик проточной части модели мишени

3.10 Исследование профиля свободной поверхности ТЖМТ в полости модели мишени

3.11 Выводы к главе

ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛНОМАШТАБНОЙ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ МОДЕЛИ ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКОЙ МИШЕНИ НА ЭВТЕКТИЧЕСКОМ СПЛАВЕ СВИНЕЦ-ВИСМУТ

4.1 Общие положения

4.2 Описание экспериментального стенда ФТ-1МУУС

4.3 Описание конструкции модели жидкометаллической мишени

4.4 Программа-методика проведения испытаний

4.5 Обсуждение результатов

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследования в обоснование научно-технических решений конструкции жидкометаллических мишеней ускорительно-управляемых систем»

В настоящее время наряду с, безусловно, приоритетными исследованиями по оптимизации существующих и созданию перспективных реакторов деления тяжелых ядер и исследованиями, направленными на создание демонстрационных и коммерческих реакторов управляемого термоядерного синтеза мировым ядерным обществом проводятся исследовательские и опытно-конструкторские работы по выбору концептуальных и научно-технических решений электроядерных установок или ускорительно-управляемых систем [1]. Основой последних является (рЖп) реакция взаимодействия пучка высокоэнергетических протонов, создаваемого ускорителем и ядер мишени, обладающих высокой атомной массой. В результате одного акта такого взаимодействия образуются 10-20 и более быстрых нейтронов. Создаваемый поток нейтронов принципиально может использоваться в бланкете установки для следующих целей:

- для трансмутации долгоживущих биологически опасных радионуклидов, образующихся при эксплуатации реакторов деления тяжелых ядер и др. в 1 изотопы с малым периодом полураспада или в стабильные изотопы;

- для организации реакции деления тяжелых ядер в подкритичном (КЭф<1) бланкете - активной зоне реактора, в котором исключены аварии, связанные с его "разгоном" в установках, генерирующих электроэнергию и тепло;

- для производства радиоактивных изотопов, необходимых в медицинской и других отраслях промышленности;

- для наработки вторичного ядерного топлива;

- для облучения материалов и элементов конструкций с целью придания им новых свойств и др.

Прорабатываются концепции с мишенями из вольфрама и других материалов сложной геометрии, охлаждаемыми теплоносителями различных типов. Для мощных (мегаватты и больше) ускорительно-управляемых систем предпочтительными являются жидкометаллические мишени, благодаря возможностям более эффективного теплоотвода, чем "твердые" мишени. В качестве жидкометаллических теплоносителей рассматриваются эвтектика свинец-висмут, галлий, свинец. Более предпочтительным большинством специалистов признается эвтектика свинец-висмут, однако, для низкотемпературных систем (до 300-350°С) наиболее оптимальным может оказаться галлий.

Основными исследуемыми вариантами конструкций жидкометаллических мишеней являются следующие:

- Конструкция с прочноплотной заглушкой ("окном", диафрагмой) установленной на патрубке подвода частиц из полости ускорителя (с глубоким вакуумом) в рабочую полость жидкометаллической мишени (с давлением, близким к атмосферному или избыточным), разделяющую эти полости. Материал этой заглушки работает в условиях высокого флюенса высокоэнергетических протонов и излучения приходящего из мишени, высоких температур, возможных знакопеременных нагрузок, агрессивного воздействия жидкого металла и образующихся в нем примесей и др., провоцирующих разрушение факторов.

- Конструкция без прочноплотной заглушки на патрубке подвода частиц от ускорителя [2]. При таком техническом решении одной из основных научно-технических проблем является исключение поступления радиоактивного теплоносителя из мишени в полость ускорителя во всех режимах работы и состояниях системы.

- Конструкция с установкой в патрубке подвода частиц от ускорителя "прозрачной для протонов", с исключением контакта "прозрачного окна" с жидким металлом за счет инженерно-технических решений. Техническая реализация данного решения сложна и ее возможность вызывает сомнения.

Конструкция жидкометаллической мишени с рядом мощных ускорителей до нескольких десятков мегаватт, принципиально может быть реализована с прочноплотной заглушкой на патрубке подвода частиц от ускорителя или с "прозрачной" для протонов заглушкой. Для мощностей ускорителей десятков и более мегаватт единственно возможными являются реализации концепции жидкометаллической мишени без установки каких-либо заглушек на пути подачи ускоренных протонов в полость мишени. Актуальность темы:

Среди комплекса проблем, связанных с созданием ускорительно-управляемых систем, одной из основных задач является разработка научно-технических основ для проектирования жидкометаллических мишеней, обеспечивающих работу с ускорителями большой мощности (1 МВт и более), при требуемых характеристиках нейтронного поля, требуемых температурных характеристиках и заданном ресурсе. В настоящее время в мире отсутствует практический опыт создания и эксплуатации мишеней большой мощности, в частности, с применением в качестве размножающего нейтроны вещества тяжелых жидкометаллических теплоносителей (ТЖМТ - свинца и эвтектического сплава свинец-висмут). Высокий выход нейтронов (около 20 на один акт взаимодействия) под действием потока высокоэнергетических протонов, сравнительно малое сечение поглощения нейтронов, радиационная стойкость, возможность отводить высокотемпературное тепло при высокой удельной энергонапряженности и низком давлении позволяют рассматривать в качестве перспективных тяжелые жидкометаллические теплоносители.

В нашей стране работы по исследованиям, направленным на создание таких установок были начаты и проводятся в Институте теоретической и экспериментальной физики, в Физико-энергетическом институте, в ФГУП ОКБ "Гидропресс" и в Нижегородском государственном техническом университете.

Цель работы:

Конечной целью настоящей работы является разработка, на основе экспериментальных и теоретических исследований, научно-технических основ организации проточной части жидкометаллической мишени, сообщенной с полостью ускорителя, а так же рекомендации по принципиальным научно-техническим решениям контура такой мишени и мишенного контура.

Для достижения указанной цели в работе решались следующие задачи:

- Создание экспериментальных стендов, моделей мишеней и проведение исследований гидродинамических характеристик проточной части полномасштабных жидкометаллических мишеней на водяном теплоносителе с вертикальным и горизонтальным расположением осей моделей.

- Создание экспериментального стенда и проведение исследований условий незатекания теплоносителя в имитатор патрубка подвода частиц от ускорителя частиц.

Создание экспериментальных стендов со свинец-висмутовым теплоносителем, моделей мишеней и исследование гидродинамических характеристик и условий незатекания эвтектики в имитатор патрубка подвода частиц от ускорителя при вертикальном и горизонтальном размещении оси модели.

- Создание экспериментальных установок и проведение исследований процесса массопереноса паров свинца в полости мишени.

- Теоретический и расчетный анализ условий незатекания теплоносителя в полость ускорителя.

Научная новизна работы:

В результате проведенных исследований и использования созданных моделей экспериментальных стендов, установок и методик:

- на полномасштабных водных моделях жидкометаллических мишеней получены зависимости характеристик проточной части мишени от величины угла закрутки потока, расположения оси мишени, величины противодавления, значения локальных скоростей: послуживших основой для создания мишеней для испытаний их в среде ТЖМТ;

- теоретическим и расчетным анализом и экспериментальными исследованиями определены условия незатекания теплоносителя в полость ускорителя частиц, контактирующую с рабочей полостью жидкометаллической мишени;

- на полномасштабных моделях жидкометаллических мишеней на эвтектическом сплаве свинец-висмут в условиях рабочих температур, скоростей и давлений, с расходами до 80,0x10 кг/час при вертикальном и горизонтальном расположениях осей мишени исследованы характеристики проточных частей мишеней.

Практическая ценность:

- Предложены и экспериментально обоснованы рекомендации по техническим решениям проточной части жидкометаллической мишени, самой конструкции мишени и мишенного контура.

- Предложены и обоснованы научно-технические рекомендации по исключению поступления жидкометаллического теплоносителя в полость ускорителя элементарных частиц при нормальной работе и при аварийных ситуациях.

- Предложены варианты схемно-конструктивных технических решений жидкометаллических мишеней и мишенного контура, защищенные тремя патентами и четырьмя авторскими свидетельствами РФ (в соавторстве).

На защиту выносятся:

- Результаты экспериментальных исследований гидродинамических характеристик проточной части, на полномасштабных моделях жидкометаллических мишеней на воде.

- Результаты теоретического анализа, расчетных и экспериментальных исследований условий незатекания жидкометаллического теплоносителя в полость ускорителя частиц, сообщенную с полостью мишени.

- Результаты экспериментальных исследований гидродинамических характеристик проточной части вариантов конструкции мишени с вертикальным и горизонтальным расположением осей, при рабочих условиях в проточной части мишени.

- Результаты исследований массопереноса и отложений теплоносителя и его примесей в полости жидкометаллической мишени.

- Рекомендации по научно-техническим решениям проточной части жидкометаллической мишени, конструкции мишени в целом и мишенного контура.

Степень обоснованности научных положений и рекомендаций, сформированных в диссертации:

Достоверность полученных научных положений и рекомендаций, сформулированных в диссертации подтверждается:

- выполнением исследований с использованием современных стендов, методик и современных (компьютерных) методов сбора и обработки информации;

- полномасштабными испытаниями рекомендуемых научно-технических решений в условиях рабочих скоростей, расходов, температур и давлений жидкометаллического теплоносителя;

- защитой предлагаемых научно-технических решений авторскими свидетельствами и патентами РФ.

Апробации работы и публикации:

Материалы работы докладывались и обсуждались на ежегодных Международных и отечественных конференциях по теплофизике и по проблемам жидкометаллических теплоносителей в г. Обнинске в 1999, 2001, 2002, 2003 годах, публиковались на международных конференциях в США (2002 году), Словакии (2000 г.), в журналах "Атомная энергия" в 1997, 1998, 1999, 2000 годах, "Вопросы атомной науки и техники" в 1999 году, на семинаре по расчетам жидкометаллических мишеней июнь-июль 2001 год, на региональных нижегородских сессиях молодых ученых 1998 - 2003 годах.

Основное содержание диссертации изложены в 10 научно-технических отчетах, 19 докладах, в 5 публикациях в журналах, 4 авторских свидетельствах и 3 патентах РФ.

Личный вклад автора:

Автором лично выполнен аналитический обзор, совместно с научным руководителем сформулированы цель и задачи работы. При непосредственном участии автора созданы экспериментальные стенды и проведены экспериментальные и теоретические исследования условий незатекания теплоносителя жидкометаллической мишени в полость ускорителя заряженных частиц. Автором лично разработан экспериментальный участок, проведена доработка экспериментального жидкометаллического стенда, программа -методика испытаний и проведены испытания полномасштабной жидкометаллической мишени с вертикальной осью на эвтектическом сплаве свинец-висмут, проведена обработка результатов исследований.

Автором лично, под руководством и при непосредственном участии, разработаны программа-методика испытаний, предложен и разработан экспериментальный участок, проведены исследования характеристик жидкометаллической мишени с горизонтальным размещением ее оси на эвтектическом сплаве свинец-висмут, проведена обработка результатов исследований.

Личное участие автора подтверждается публикациями в реферируемых журналах, докладами на международных и отечественных конференциях, авторскими свидетельствами, патентами и научно-техническими отчетами.

В проведении исследований, отраженных в диссертации принимали участие сотрудники кафедры "АТС и МИ" НГТУ д.т.н. профессор Безносов A.B., к.т.н. Давыдов Д.В., к.т.н. Пинаев С.С., зав. лабораториями Серов В.Е., магистры и студенты кафедры "АТС и МИ", за что автор выражает благодарность.

Заключение диссертации по теме «Атомное реакторостроение, машины, агрегаты и технология материалов атомной промышленности», Мелузов, Александр Георгиевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведенные экспериментальные исследования гидродинамических характеристик полномасштабных моделей жидкометаллических мишеней с вертикальным и горизонтальным расположением осей на воде подтвердили принципиальную возможность создания конструкций мишеней обеспечивающих работу мишени в составе жидкометаллического контура. Результаты приведенных исследований позволили обосновать и разработать конструкции жидкометаллических мишеней для испытаний на натурной среде.

2. В результате теоретического анализа и расчетных исследований определены условия незатекания жидкометаллического теплоносителя в полость ускорителя протонов. Предложены и созданы метод и устройства определения геометрии свободной поверхности потока жидкого металла

П 1 внутри полости мишени при температуре до 450 С и расходе до 60x10 кг/час. Испытаниями на воде и на эвтектике свинец-висмут подтверждена возможность незатекания теплоносителя в полость ускорителя во всех эксплуатационных режимах работы жидкометаллических мишеней, созданных на основе разработанных рекомендаций, как с вертикальной, так и с горизонтальным расположением осей мишени.

3. Проведенные экспериментальные исследования, гидродинамических характеристик проточной части вариантов конструкции мишеней с вертикальным и горизонтальным расположением осей при натуральных рабочих условиях в проточной части обосновали работоспособность мишени в режимах пуска, работы и вывода из работы (кроме характеристик процессов взаимодействия ускоренных протонов с тяжелыми ядрами).

4. Расчетно-экспериментальные исследования массопереноса и возможных отложений тяжелого жидкометаллического теплоносителя в полости жидкометаллической мишени и ускорителя показали принципиальную возможность создания в полости мишени, за счет эжекции парогазовой смеси, величины вакуума близкой к вакууму в полости ускорителя и соответственно, массопереноса паров ТЖМТ с последующей их конденсацией на "холодных" поверхностях. Исследован процесс выноса и транспортировки частиц жидкого металла при барботаже парогазообразных примесей в полости мишени.

5. Предложены и разработаны рекомендации по научно-техническим решениям проточной части жидкометаллической мишени, конструкции мишени в целом и мишенного контура для ускорительно-управляемых систем. Рекомендации защищены 4 авторскими свидетельствами и 3 патентами РФ (в соавторстве).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Мелузов, Александр Георгиевич, 2007 год

1. Liquid Metal Coolants Purification from Bismuth and Polonium / Beznosov A.V., Kuzminikh S.A, Karatushina I.V., Romanova P.V., Meluzov A.G.: Abstracts. 8th International Conference on Fusion Reactor Materials.-Japan. Sendai, 1997. -P.85.

2. Анализ концепций конструкции системы мишень бланкет ускорительно управляемой системы / Давыдов Д.В., Мелузов А.Г.: Тез. докл. Молодежная научная конференция Атомная география Росси. История, настоящее, будущее.- Заречный, 2000.- С. 10.

3. Экспериментальные исследования характеристик жидкометаллической мишени на эвтектическом сплаве свинец-висмут / Безносов A.B., Давыдов Д.В., Мелузов А.Г. и др. // Атомная энергия.- М., 1998.- Т.83,- вып.2.- С.182-184.

4. Экспериментальные исследования гидродинамики проточной части моделей жидкометаллической мишени на воде / Безносов A.B., Давыдов Д.В., Мелузов А.Г. и др. // Атомная энергия.- М., 2000,- Т.87,- вып.6.- С. 182-184.

5. Экспериментальные исследования влияния геометрии проточной части жидкометаллической мишени на гидродинамику потока и условия незатекания теплоносителя в полость ускорителя / Безносов A.B., Давыдов

6. Д.В., Мелузов А.Г. и др.: Тез. докл. Десятая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов Радиоэлектроника, электротехника и энергетика.- М., 2004.- С.40.

7. Experimental study of hydrodynamics of target system costruction with liquid metallic coolant on water models / Besnosov A.V., Davydov D.V., Melyzov A.G., Khokhlov D.I.: Abstracts. International Youth nuclear congress. Bratislava. -2000.

8. Экспериментальные исследования вариантов проточной части жидкометаллической мишени электроядерной установки / Безносов А.В., Давыдов Д.В., Мелузов А.Г., Абрамов А.А. // Атомная энергия.- М., 1997.-Т.83.- вып.5.- С. 182-184.

9. Экспериментальные исследования очистки от примесей свинцово-висмутового теплоносителя и контура жидкометаллической мишени / Безносов A.B., Давыдов Д.В., Мелузов А.Г., Хохлов Д.И. // Атомная энергия.- М., 1999.-Т.87.- вып.4.- С. 182-184.