Создание дросселирующих магнитогидродинамических машин и устройств с жидкометаллическим рабочим телом для ядерных и плазменных установок

На правах рукописи

ВИТКОВСКИЙ ИВАН ВИКТОРОВИЧ

СОЗДАНИЕ ДРОССЕЛИРУЮЩИХ МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ МАШИН И УСТРОЙСТВ

С ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИМ РАБОЧИМ ТЕЛОМ

ДЛЯ ЯДЕРНЫХ И ПЛАЗМЕННЫХ УСТАНОВОК

01.04.13 – электрофизика, электрофизические установки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Санкт-Петербург

2011

Работа выполнена в ФГУП «Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им Д.В. Ефремова», Санкт-Петербург

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

академик РАН Рутберг Филипп Григорьевич;

доктор технических наук, профессор

Свиридов Валентин Георгиевич;

доктор технических наук,

старший научный сотрудник

Мазуль Игорь Всеволодович

Ведущая организация: ФГУП «Физико-энергетический институт

имени А.И.Лейпунского»

Защита диссертации состоится « »…………. 2011 года в 14-00 на заседании диссертационного совета Д.201.006.01 при ФГУП «Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им Д.В. Ефремова» по адресу: 196641, Санкт-Петербург, п. Металлострой, ул. Полевая, д.12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

НИИЭФА им.Д.В. Ефремова

Автореферат разослан « » ………….2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор Шукейло И.А.

Введение

Стратегией развития атомной энергетики России предусматривается ввод в систему атомной энергетики реакторов на быстрых нейтронах (быстрых реакторов). Использование таких реакторов обеспечивает расширенное воспроизводство топлива и замкнутый топливный цикл, в результате чего энергетическим ресурсом является не только изотоп уран-235, но и уран-238 после превращения в плутоний становится новым делящимся изотопом, что увеличивает сырьевой ресурс топлива в десятки раз. Кроме того, становится рентабельным торий, что обеспечивает фактически неисчерпаемую топливную базу атомной энергетики при практически любых её масштабах.

Наряду c развитием наземной ядерной энергетики в настоящее время ведется разработка программы создания нового поколения космических ядерных энергетических установок (КЯЭУ) с применением быстрых реакторов.

Другим стратегическим направлением будущей энергетики является термоядерная энергетика, базирующаяся на применении крупных плазменных установок типа «ТОКАМАК». Успехи по реализации Международной программы в области термоядерного синтеза – экспериментального термоядерного реактора (ТЯР) «ИТЭР», проекты демонстрационного реактора «ДЕМО» вселяют уверенность, что в обозримом будущем человечество получит источник неисчерпаемой энергии.

В быстрых и перспективных термоядерных реакторах теплоносителем (жидкометаллическим рабочим телом) является жидкий щелочной металл: натрий, сплав натрий-калий, литий; или свинец и его сплавы. Литий, как рабочее тело, весьма перспективен для различных ионно-плазменных установок, включая космические электрореактивные двигатели (ЭРД) для коррекции орбит летательных аппаратов. В этих случаях, как правило, требуется бесконтактное воздействие на рабочее тело.

Движение жидкометаллических рабочих тел за счет воздействия на них электромагнитных сил реализуется магнитогидродинамическими (МГД) – насосами (электромагнитными насосами (ЭМН). Вопросы теории, практики изготовления и эксплуатации ЭМН освещены в трудах видных советских и российских ученых:

Г.А. Баранова, Б.А. Ватажина, Л.А. Верте, А.И. Вольдека, В.А. Глухих, И.Р. Кириллова, И.В. Лаврентьева, Я.Я. Лиелпетера, О.А. Лиелаусиса, Г.А. Любимова, Н.М. Охременко, С.А. Регирера, А.В. Тананаева, И.М. Тютина и др.

Бесконтактным способом воздействия на жидкометаллический поток является и МГД-дросселирование расхода теплоносителя через параллельные ветви теплообменника, предназначенного для сброса тепловых нагрузок с реактора в аварийных случаях, синхронизации (выравнивании) расхода потоков в параллельных секциях парогенераторов и т. п.

Другим примером МГД-дросселирования могут служить системы подачи жидкометаллического рабочего тела в электрореактивные двигатели, ионно-плазменные, плазменные установки. Так, в частности, на спутнике «Космос 728» за счет МГД-дросселирования потока успешно решалась задача стабилизации расхода рабочего тела в ионно-плазменной установке при изменении противодавления на выходе системы подачи.

Показательным примером МГД-устройства, в котором происходит МГД-дросселирование потока, является бланкет термоядерного реактора с жидкометаллическим рабочим телом. Жидкометаллическая проточная часть (канал) такого бланкета располагается в зоне действия сильных магнитных полей. При движении жидкометаллического рабочего тела в нем возникают электромагнитные силы, тормозящие поток, поэтому, если при создании МГД-дросселирующих устройств стремятся к усилению эффекта дросселирования, то при создании бланкета принимают меры к снижению МГД-потерь в канале, что, в конечном итоге, ведет к повышению эффективности системы преобразования энергии ТЯР.

Кроме этого, дросселирование жидкометаллических рабочих сред имеет место при следующих режимах эксплуатации МГД-машин: «пассивное дросселирование» - в пусковых ЭМН после запуска космических ядерных энергетических установок (КЯЭУ); «ожидание» - в ЭМН систем аварийного расхолаживания (САРХ) наземных реакторов на быстрых нейтронах; «тормозной» - в ЭМН исследовательских установок.

Во всех случаях проблема управления или обеспечения заданных параметров течения жидкого металла для достижения оптимальных рабочих характеристик процессов и аппаратов весьма актуальна, а ее решение в конечном счете представляет собой реализацию современных задач экономии природных и энергетических ресурсов.

Первые в мировой практике работы по созданию МГД-дросселирующих машин и устройств для щелочных металлов были начаты в НИИЭФА им.Д.В.Ефремова в начале 70-х годов двадцатого века и обусловлены необходимостью дросселирования расхода рабочего тела по параллельным секциям парогенератора ядерной энергоустановки БН-350 в г. Шевченко, Казахской ССР, а также началом разработок электрореактивных двигателей в ОКБ «ФАКЕЛ», г. Калининград.

Автор настоящей диссертации с самого начала возглавляет в НИИЭФА работы в этой области, активно участвуя на всех этапах создания МГД-техники.

Цель диссертационной работы состоит в комплексном решении задач, направленных на создание нового класса МГД-техники - дросселирующих МГД-машин и устройств с жидкометаллическим рабочим телом, включая:

разработку оригинальных конструкций высоконадежных дросселирующих МГД-машин и устройств с жидкометаллическим рабочим телом в диапазоне расходов рабочих тел от единиц кубических миллиметров до нескольких кубических метров в секунду (в том числе устройств, объединяющих в одной конструкции МГД-насос и дроссель, МГД-насосов для эксплуатации в режимах «пассивного дросселирования» и «ожидания», в которых гидравлические потери в обесточенном состоянии должны быть минимально возможными, а КПД в рабочем режиме максимальным);

разработку математических моделей и методик расчета МГД-дроселей с каналами цилиндрического и винтового типов;

разработку принципиальных решений конструкции МГД-каналов, обеспечивающих снижение эффекта дросселирования на примере жидкометаллического проточного тракта бланкета термоядерного реактора;

исследование и разработку материалов обмотки и композиций из них в условиях максимально соответствующих реальным условиям эксплуатации МГД-техники, и анализ ресурса жидкометаллических МГД-машин;

разработку МГД-машин и устройств, предназначенных для космических и наземных ядерных и плазменных установок.

Научная новизна и результаты, выносимые на защиту. Впервые систематизирован, сформулирован и решен комплекс задач, направленных на создание нового класса МГД-техники - дросселирующих МГД-машин и устройств с жидкометаллическим рабочим телом для ядерных и плазменных установок. В диссертации приведены следующие результаты:

разработанные математические модели и методики расчета МГД-дросселей с каналами цилиндрического и винтового типа, радиальным или поперечным магнитным полем;

результаты исследований предложенных решений, обеспечивающих устранение размагничивающего влияния индуктированных в рабочей среде токов на интегральные характеристики МГД-машин с цилиндрическим каналом;

методика оптимизационного расчета МГД-дросселей и выбора наиболее эффективной схемы регулирования расхода;

принципиальная конструкция многослойного МГД-канала, снижающего эффект дросселирования потока рабочей среды при её движении в магнитном поле, применительно к проточному тракту бланкета термоядерного реактора;

результаты тепловых и терморадиационных исследований механических характеристик жаростойких обмоточных проводов, диэлектрических характеристик предложенного эластичного жаростойкого слюдопластового материала, системы «проводник-изоляция» и макетов обмоток МГД-машин;

предложенные технические решения, направленные на улучшение энергомассовых характеристик пассивно дросселирующих МГД-насосов;

созданные на основе предложенных технических решений конструкции МГД-машин и устройств для атомных электростанций с быстрыми реакторами, КЯЭУ, ЭРД и сопутствующих им опытных и исследовательских установок;

Предложенные конструкции МГД-машин, устройств и макетов, а также слюдопластовый материал защищены авторскими свидетельствами на изобретения.

Практическая значимость. Предложенные конструкции, методики расчетов, материалы обмоток использованы при расчетах, проектировании и изготовлении МГД-машин и устройств:

МГД-дросселей для атомных реакторов «МИР», «БОР-60», экспериментальных установок «Прометей», «САЗ» и др.;

МГД-устройств для системы подачи ионно-плазменной установки спутника «Космос 728» и сопутствующих исследовательских установок;

пусковых электромагнитных насосов КЯЭУ для спутников серии «Космос»;

электромагнитных насосов для АЭС с реакторной установкой БН-600 и китайского быстрого реактора «CEFR»;

жидкометаллического испытательного модуля бланкета ИТЭР;

перспективных ЭМН нового поколения КЯЭУ.

Достоверность полученных результатов обеспечена:

совпадением расчётных и экспериментальных результатов, полученных при исследованиях большого количества промышленных, опытно-промышленных МГД-машин, макетов и устройств с различными характерными параметрами;

успешной эксплуатацией МГД-машин и устройств в промышленных, опытных реакторах, исследовательских установках и стендах.

Апробация результатов работы и публикации.

Материал диссертации опубликован: в монографии; 31 авторском свидетельстве на изобретение; 29 статьях в сборниках, всесоюзных и международных журналах, включая 15 в рекомендованных ВАК России журналах; 24 докладах и тезисах симпозиумов, конференций, семинаров.

Материалы диссертации апробированы при создании МГД-машин и устройств различного назначения, две из разработки – МГД-дроссели ЭМД-0,5/2500 и МДВ-50 в 1975 и 1980 годах удостоены Дипломов I степени ВДНХ СССР, а автор диссертации - Серебряной и Золотой медалей.

Результаты, полученные автором при создании дросселирующих МГД-машин и устройств, явились составной частью конкурсной работы «Комплекс научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию и внедрению МГД-техники для жидкометаллических систем ядерно-энергетических установок», удостоенной премии Правительства РФ в области науки и техники 2007 года.

За монографию «Магнитогидродинамическое дросселирование и

управление жидкометаллическими потоками» автору присуждена Первая премия Президиума АН Латвийской ССР 1990 года.

Результаты работы докладывались на следующих симпозиумах, конференциях и семинарах:VIII, X, XIII Рижских совещаниях по магнитной гидродинамике (Рига, 1975, 1981, 1990); Международной конференции по магнитогидродинамическим генераторам (Варшава, 1975); Всесоюзных семинарах по применению МГД-машин в народном хозяйстве (Москва, 1975, 1982); Таллинском совещании по электромагнитным расходомерам и электротехнике жидких проводников (Таллин, 1976), Всесоюзной конференции по физике диэлектриков (Москва. 1988); Международной конференции по преобразованию энергии в магнитогидродинамических потоках (Кадараш, 1991); Международной конференции по радиационному материаловедению (Харьков, 1991); Международном симпозиуме по электромагнитной обработке материалов (Нагоя, 1994); Международном семинаре по электроизоляционным покрытиям (Чикаго, 1995); Всероссийской конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов (Санкт-Петербург, 1997); Международной конференции по ядерной энергетике в космосе (Подольск, 1999); Международных конференциях по материалам и технологии термоядерных реакторов (Сан-Диего, 2002; Киото, 2003); Международном семинаре по жидкометаллическим бланкетам (Санкт-Петербург 2006); Петербургским чтениям по проблемам прочности (Санкт-Петербург, 2010).

Личный вклад автора является основным на всех этапах постановки и решения задач, а также этапах анализа и практического приложения полученных в диссертации результатов. Приведенные в диссертации результаты получены автором лично, либо при его непосредственном участии в качестве научного руководителя работ по направлению.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений на 4 листах, изложена на 239 страницах, содержит 96 рисунов, 23 таблицы, список литературы из 269 наименований.

Содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель работы, научная новизна и положения, выносимые на защиту, практическая ценность и достоверность полученных результатов.

Первая глава «Общие принципы управления расходом жидкометаллических рабочих тел и классификаця дросселирующих МГД-машин»

Первый раздел «Задачи МГД-управления жидкометаллическими потоками»

Рассмотрены общие принципы управления расходом жидкометаллических рабочих тел, приведены классификация МГД-машин, примеры применения дросселирующих МГД-устройств в плазменных и ядерных установках.

Второй раздел « Конструкционные схемы, номинальные параметры и КПД

МГД-дросселей» Рассмотрены разработанные базовые конструкционные схемы МГД-дросселей (рис. 1–3), предназначенных для промышленных, технологических и экспериментальных установок. Предложены и введены в техническую терминологию определения номинальных параметров и КПД МГД-дросселей.

Третий раздел «Критерии целесообразности применения МГД-дросселей»

Предложено основным критерием целесообразности (преимуществом) применения МГД-регуляторов расхода (насосов и дросселей) в сложных жидкометаллических системах считать меньшую потребляемую мощность.

Проведеный анализ различных вариантов регулирования расхода в сложных гидравлических системах, показал, что существуют области оптимального использования различных типов МГД-устройств. Например, при отношениях КПД дополнительного и основного насосов меньших 0,57 и, охватывающих практически весь интересный диапазон остальных параметрах сравнения, всегда выгоднее вариант регулирования МГД-дросселем. Даны рекомендации по выбору средств регулирования в различных жидкометаллических системах.

Вторая глава «Разработка методик расчета МГД-дросселей и устройств подачи жидкометаллических рабочих тел»

Первый раздел «МГД-дроссели с многослойным проточным трактом»

Конструкция такого МГД-дросселя и модель для расчета показаны на рис. 1 а, б).

Для определения электромагнитных потерь давления в МГД-дросселях рассмотрено стационарное течение жидкого металла с проводимостью в трубе с внутренним радиусом r1 и наружными радиусами слоев r2, r3, проводимость которых соответственно и .

Из решения системы уравнений для электрического потенциала в областях жидкого металла (0<r<) и стенок (область <r<, область <r<) при осесимметричном профиле скорости получено выражение для распределения потенциала.

Электромагнитные потери давления на единицу длины канала определены как отношение джоулевых потерь к расходу=/.

Здесь получено из закона Ома; V-среднерасходная скорость; qп, – коэффициенты, учитывающие соотношение электропроводимостей жидкого металла, материалов и радиусов стенок канала. Расчетным сравнением показано, что плакировка трубы медью значительно повышает эффективность дросселя.

Предположив постоянство скорости по сечению канала и принимая, что распределение магнитного поля по ширине канала однородно, а по длине – близко к реальному, используя принятое распределение Bx(z) в выражении для , интегрированием от до , получена расчетная формула (где –немагнитный зазор), позволяющая с достаточной для инженерных расчетов точностью учитывать конечную длину индуктора.

Эксперименты проводились на сплаве NaK (78 % К) при температуре 50 ± 5 °С в широком диапазоне чисел Гартмана Ha (250 Ha 750) и Рейнольдса Re (4·10 Re 1,3·106). Канал был изготовлен из нержавеющей стали с внутренним радиусом r1 = 19,5 мм и наружными радиусами r2 = 40, 35·, 30·, 25·, 22,5 и 20,7·мм, которые получались при последовательном протачивании трубы. Магнитное поле создавалось магнитом с зазором = 0,085м, при двух длинах индукторов магнита и

0,12 м (для возможности исключения влияния продольного концевого эффекта). Индукция в зазоре менялась в пределах 0 – 0,27 Тл.

Совпадение расчетных и экспериментальных результатов находится в диапазоне от 4 до 10%. Это свидетельствует о том, что при длинах индуктора, превышающих величину немагнитного зазора, в исследованном диапазоне чисел Гартмана и Рейнольдса для расчетов рассматриваемых МГД-дросселей с поперечным магнитным полем с достаточной степенью точности могут быть использованы полученные в работе зависимости.

Второй раздел «МГД-дроссели с периодическим осе - и неосесимметричным постоянными электромагнитными полями»

Дроссели с осесимметричным магнитным полем (рис. 1б) имеют цилиндрический канал и магнитную систему, создающую в канале радиальное магнитное поле, изменяющееся от нуля на продольной оси канала до некоторого значения на его поверхности.

Для обеспечения отличной от нуля радиальной компоненты магнитного поля на оси, полюсные наконечники и катушки магнитной системы выполняют наклонными к ней, как это предложено нами для бессердечникового цилиндрического индукционного насоса. Теоретическое исследование МГД-дросселей этого типа проведено на основе соотношений, имеющихся для таких насосов. Отличие, заключающееся в использовании в рассматриваемых конструкциях постоянного магнитного поля, является здесь чисто формальным, поскольку протекание физического процесса зависит только от относительной скорости жидкого металла и поля.

Для проверки расчетных зависимостей проводились экспериментальные исследования магнитного поля и рабочих харатеристик на сплаве NaK (78 % K) при температуре 50 °С. Поскольку эффективность дросселей с периодическим полем зависит от соотношения размеров магнитной системы и канала, объектами исследований были пять различных моделей конструкций с осесимметричным и одна модель с неосесимметричным полями. В качестве каналов использовалась труба с внутренним диаметром 65 мм. Остальные, в порядке соответствия, размеры в мм: общая длина моделей дросселя L = 620; 600; 580; 331; 165,5 740; полюсное деление l = 180; 180; 180; 97; 48,5; 180; осевая длина полюса lп = 80; 60; 40; 40; 20; 80; катушек lк = 100; 120; 140; 57; 28,5; 100; количество катушек nк = 2; 2; 2; 2; 1; 2.

Сравнение теоретических и экспериментальных распределений магнитных полей и рабочих характеристик показало, что для магнитных систем с осесим-метричным полем расхождение данных по магнитному полю составляет в среднем 5%, для системы с неосесимметричным полем – 22%, а расхождения рабочих харак-теристик составляют, соответственно, около 10 и 50%. Существенное расхождение количественных данных для дросселя с неосесимметричным магнитным полем объясняется неадекватностью расчетного и фактического пространственного распре-деления магнитного поля, вызванной особенностями конструкции магнитной системы. Тем не менее, полученные зависимости свидетельствуют о существенно большей эффективности дросселя с неосесимметричным магнитным полем, следовательно, о целесообразности использования такой схемы в различных задачах практики.

Третий раздел «МГД-дроссели с цилиндрическим коаксиальным каналом»

В МГД-дросселях этого типа взаимодействие радиальной компоненты магнитного поля и движущейся среды обуславливает индуктирование короткозамкнутых азимутальных токовых контуров. Последнее обстоятельство делает МГД-дроссели с кольцевым каналом при значениях магнитного числа Рейнольдса Rm<1 одними из наиболее эффективных дросселирующих устройств. Разработка методики расчета таких дросселей потребовала решения задачи электромагнитного поля с учетом Rm, реальной геометрии магнитной системы и распределения первичного магнитного поля.

Задача решена при следующих допущениях: магнитная система ненасыщенна, т.е. µ = ; металл движется со скоростью, постоянной по сечению канала; высота канала hк и немагнитный зазор малы по сравнению с длиной полюсного наконечника lп и средним радиусом канала ср; имеется только одна (поперечная) составляющая индукции Bz, а наличие продольной Bx учитывается соответствующим выбором модели индуктора.

В принятой модели индуктора (рис. 4) канал рассматривается бесконечно широким, а зависимость немагнитного зазора от продольной координаты х определена следующим выражением:

Здесь показатель спада поля; , расчетные длины, где ; относительная длина полюсного наконечника и расстояния между полюсами соответственно.

Безразмерное магнитное поле индуктора задано в виде:

За базисные значения длины и индукции магнитного поля приняты соответственно rср и индукция Bео, создаваемого индуктором на среднем радиусе по центру полюса. Используя закон полного тока и закон Ома в интегральной форме и вводя функцию тока , получаем уравнение

в безразмерном виде. Здесь магнитное число Рейнольдса,

V - скорость рабочей среды, - её проводимость, bи - индуктированное магнитное поле.

Из решения уравнения для

,

при очевидных условиях , найдено распределение результирующего магнитного поля вдоль канала. Джоулевы потери в канале определены как работа лоренцевой силы в единицу времени:

.

Здесь все величины размерные, срабатываемое дросселем электромагнитное давление, Q – расход, – безразмерные джоулевы потери. Относительная величина при базисе .

Экспериментальные исследования проводились на модели МГД-дросселя с различными относительными длинами полюсных наконечников (параметром c), при одинаковых =4,18 и относительном расстоянии между полюсными наконечниками (относительной шириной катушки = 0,442). Снимались кривые распределения поля и зависимости . Расчетное и экспериментальное распределения магнитных полей практически идентичны (рис. 5).

На рис. 6 сплошными линиями показаны теоретические, а точками экспериментальные зависимости .

Подраздел «Многополюсные МГД-дроссели с цилиндричесеким коаксиальным каналом». С использованием приведенного выше уравнения для функции тока получены выражения для расчёта результирующего магнитного поля и джоулевых потерь в безразмерном виде в многополюсном МГД-дросселе. Для построения удобных в инженерных расчётах зависимостей при решении уравнения для qк принято условие, что магнитное поле и немагнитный зазор связаны зависимостью на любом участке по х.

При получении окончательных выражений для qк предполагалось, что длина области между разноимёнными полюсными наконечниками стремится к бесконечности. Это предположение даёт значения qк, наиболее близкие к рассчитанным по формулам для двухполюсного дросселя, и не вносит большой ошибки (не более, чем на 10%) для реально существующих конструкций.

Экспериментальные исследования проводились на натрии с температурой около 300°С. МГД-дроссель имел следующие

характерные параметры: число модулей n = 4; = 1,12;= 0,241; = 4,88; Rm 4,5. Результаты испытаний приведены на рис. 6.

Вполне удовлетворительное совпадение теории и эксперимента позволяет использовать полученные в работе формулы для расчётов характеристик МГД-дросселей.

На основании полученных в настоящем и предыдущем подразделах результатов сделан вывод, что в любом МГД-устройстве с кольцевым каналом и магнитной системой из ферромагнетика, имеющей конечные размеры, потребляемая для торможения потока мощность при больших Rm стремится к постоянному значению, не зависящему от магнитного числа Рейнольдса. При этом потери давления в канале сначала возрастают с увеличением Rm, потом достигают максимума, зависящего от геометрии магнитной системы, а затем изменяются пропорционально

Rm-1. При этом, в случаях Rm>>1 в МГД-дросселях с каналами и магнитными системами рассматриваемых геометрий индуктированные магнитные поля являются определяющими для потерь давления.

Четвертый раздел «МГД-устройства подачи жидкометаллических

рабочих тел»

Рассмотрены устройства, предназначенные для обеспечения расхода от сотых долей до нескольких см3/с (Rm<<1). Конструктивно они представляют объединенные МГД-насос и дроссель с винтовым каналом. В работе обоснована необходимость применения МГД-дросселей в устройствах подачи рабочих тел при микрорасходах и разработана методика расчета оригинальных конструкций МГД-дросселей с однослойным и двухслойным винтовым каналом.

Пятый раздел «Оптимизационные расчеты МГД-дросселей»

Вначале приведена общая схема оптимизационного расчета дросселя, рассмотрены ее особенности и определены заданные величины. Таковыми следует считать: характеристики рабочего тела; номинальные параметры; допустимую индукцию в элементах магнитной цепи; плотность тока; коэффициент заполнения и температуру обмотки возбуждения; ряд конструкционных размеров (толщина стенок

канала, толщину теплоизоляции или воздушного зазора между каналом и магнитопроводом и т. п.).

Учитывая, что в МГД-дросселе, подобно любой МГД-машине, рабочие характеристики, а следовательно, габариты и масса с учетом заданных выше величин являются функциями скорости V, индукции в зазоре В, характерного размера канала L, числа пар полюсов рп, а также некоторых характерных размеров магнитной системы (или их отношений), поиск оптимального варианта заключается в определении комбинации этих переменных, удовлетворяющей наилучшим образом заданной задаче проектирования. В подразделе приводится методика оптимизации, используемая при расчётах и проектировании МГД-дросселей.

Шестой раздел «Условия устойчивого управления расходом в жидкометаллической системе с МГД-насосом и дросселем»

В основе анализа условий устойчивого управления расходом лежит совместное графо-аналитическое решение уравнений, описывающих движения рабочего тела в жидкометаллическом контуре, и рабочих характеристик МГД-насоса и дросселя при Rm > 1. Показаны возможные области нерегулируемого расхода, даны рекомендации по обеспечению устойчивого регулирования в жидкометаллической системе.

Седьмой раздел «Компенсация индуктированных магнитных полей» Приведен анализ предложенных нами технических решений конструкций МГД-дросселей с компенсацией индуктированных магнитных полей - дроссели с обратным токопроводом (компенсационной шиной) – рис. 7 и дроссели с бифилярным каналом – рис. 8.

Рассмотрены электродинамические процессы в канале МГД-дросселя с компенсационной шиной и проанализирована эффективность влияния компенсации на характеристики дросселя. Показано, что предложенное нами секционирование шины позволяет получить практически линейную рабочую характеристику дросселя в широком диапазоне .

В МГД-дросселе с бифилярным каналом потоки жидкого металла в каждом из каналов текут в противоположных направлениях, соответственно и электрические токи, индуктированные движением жидкометаллического рабочего тела, имеют различные знаки, поэтому для компенсации влияния этих токов требуется их равенство. В такой конструкции равенство Rm в обоих каналах выполняется автоматически.

Учитывая, что высота канала rср для рассматриваемой конструкции, приняты одинаковыми параметр, характеризующий спад поля в зоне рассеяния, и относительные длины полюсов. На этом основании предполагается, что влияние продольного концевого эффекта отсутствует. Таким образом, для определения условия компенсации реакции якоря в активной зоне канала, потребовался только учет зависимости электромагнитных величин от радиуса.

Из сравнения выражений, полученных для токов в каждом из каналов, следует, что для взаимной компенсации токов требуется установка в одном из каналов токопроводящей перегородки. Центральный угол, занимаемый такой перегородкой, зависит от того, в каком из каналов она устанавливается. Если в канале 1 – , если в канале 2 – , где, п – электропроводимость рабочей среды и материала перегородки соответственно,

.

Экспериментальные исследования МГД-дросселя с бифилярным каналом, проведенные при , подтвердили приемлемость принятых допущений и полученных соотношений для .

Выводы

Для МГД–дросселей с каналами цилиндрического и винтового типов при различном характере изменяющегося в пространстве магнитного поля разработаны математические модели и получены подтвержденные экспериментально выражения для расчета интегральных характеристик.

Выявлено, что для дросселей с цилиндрическим коаксиальным каналом и радиальным магнитным полем характерна нелинейная зависимость электромагнитного давления от магнитного числа Рейнольдса (скорости). Показано, что при определенных характеристиках жидкометаллической системы такая зависимость приводит к появлению областей неустойчивого регулирования расхода.

Для дросселей с цилиндрическим каналом и радиальным магнитным полем экспериментально и расчетным путем установлено, что эффективность повышается, если полюсные наконечники выполняются наклонными к продольной оси канала. Конструкция защищена авторским свидетельством.

Для дросселей с цилиндрическим коаксиальным каналом теоретически и экспериментально показана эффективность компенсации «реакции якоря». Показано, что эффективность компенсации обратным токопроводом повышается при секционировании компенсационной шины, а для бифилярного канала - близкая к идеальной компенсация достигается при размещении в одном из каналов токопроводящей перегородки. Получены расчетные зависимости, определяющие параметры такой перегородки. Конструкции защищены авторскими свидетельствами.

Сформулирован общий подход к оптимизации МГД-дросселей и разработана методика оптимизационного расчета дросселей.

В техническую терминологию введены определения: номинальные параметры; КПД МГД-дросселя.

Основным критерием целесообразности применения МГД-регуляторов расхода (насосов и дросселей) предложено считать минимум потребляемой мощности.

Тетья глава «Исследование и разработка системы «проводник – изоляция» обмоток МГД-машин»

Первый раздел «Общая характеристика проблемы создания обмоток МГД-машин»

Освещены вопросы, связанные с постановкой на производство материалов, необходимых для изготовления МГД-машин с жидкометаллическим рабочим телом. Отмечено, что примером участия автора в постановке на производство материалов, соответствующих «Специальным условиям поставки оборудования, приборов, материалов и изделий для объектов атомной энергетики», могут быть: применение разработанного и защищенного авторским свидетельством на изобретение эластичного слюдопластового материала, а также участие в подготовке и выпуске ряда технических условий на материалы.

Второй раздел «Тепловые и терморадиационные исследования обмоточных проводов»

Подраздел «Особенности термостарения витковой изоляции обмоток МГД-машин при высоких температурах».

Для определения закономерностей старения изоляции созданы модельные образцы системы «проводник–изоляция» - макеты типа МП и МК. Они воспроизводят либо реальную обмотку, либо конструкцию катушки обмотки МГД-дросселя или ЭМН с цилиндрическим каналом и обеспечивают высокую массовость испытаний.

Для исключения действия адсорбированной влаги оценка сопротивления Rв и пробивного напряжения Uв витковой изоляции проводилась при 450 °С.

Анализ зависимостей Rв и Uв от времени старения в изотермических режимах при 450, 550, 650 и 700 °С в логарифмическом масштабе позволил линеаризовать зависимости lnUв = f () и lnRв = f () и показать применимость экспоненциальных соотношений для Rв и Uв; , , где k1 и k2 – константы скорости изменения пробивного напряжения и сопротивления витковой изоляции от времени старения, определяемые по результатам обработки экспериментальных данных; U0 и R0 – пробивное напряжение и сопротивление витковой изоляции в исходном состоянии.

Полученные результаты свидетельствуют о существенном влиянии процессов, протекающих в токопроводящей жиле (ТПЖ), на состояние изоляции обмоточного провода. Например, при температурах свыше 550 °С и выдержке около 800 ч на границе раздела витковой и корпусной изоляции обнаруживаются продукты окисления меди: CuO и Cu2O. При температуре свыше 600 °С и времени воздействия примерно 1000 ч закись меди обнаруживается и на поверхности слюдопластовой изоляции.

Кроме этого выявлено, что механизм изменения пробивного напряжения и сопротивления витковой изоляции в рассмотренном диапазоне температур имеет сложный характер и отличается наличием двух значений эффективных энергий активации, равных (0,1–0,2) и 4 эВ, соответствующих двум механизмам старения с точкой излома при 580 °С (рис. 9).

Подраздел «Исследования влияния среды на процессы старения обмоточных проводов МГД-машин».

Исследования проводились в условиях воздействия высоких температур на воздухе и в вакууме на образцах отрезков обмоточных проводов и с использованием системы «проводник-изоляция» при температурах 300, 450, 550 и 600 °С.

Испытания на воздухе проводились в муфельных печах. Для термостарения в вакууме отрезки обмоточного провода ПОЖ-700 без предварительной термообработки помещались в кварцевые ампулы с давлением 1,3-0,13 Па.

Периодичность контроля в первые сотни часов воздействия испытательных температур составляла 100, 250, 500 ч, а в дальнейшем – каждую 1000 часов.

Экспериментально установлено, что при температуре старения 300 °С среда практически не влияет на электрические свойства изоляции, что свидетельствует о незначительных диффузионных процессах в токопроводящей жиле и деструкции полиорганосилаксанового связующего.

При более высоких температурах имеют место процессы термической деструкции кремнийорганических полимеров, сопровождающиеся пиролитическим разрушением основных силоксановых цепей полимера и выделением циклических продуктов.

Сравнение результатов испытаний отрезков обмоточного провода после старения в воздушной среде и в вакууме показали, что пробивное напряжение изменяется практически одинаково. Различия состоят в изменениях сопротивления витковой изоляции. Более интенсивные процессы характерны для вакуума, где в соответствии с условиями испытания сохранились все продукты деструкции органосиликатного связующего. Поэтому при изготовлении катушек обмоток МГД-машин, предназначенных для эксплуатации в условиях вакуума или инертных газов, необходимо полное удаление из изоляции всех органических компонент.

В подразделе «Влияние теплового и радиационного воздействия на проводниковые материалы» приведены методика, условия и результаты проведения терморадиационных испытаний проводниковых материалов. Целью испытаний являлось изучение свойств материалов токопроводящих жил жаростойких проводов при терморадиационном старении при флюенсе нейтронов, соответствующем реальным условиям эксплуатации. Испытания проводились: при температурах T = 400; 410; 450; 550 °С; флюенсе нейтронов до 1,4·1020 м-2 и длительности до 13366 часов.

Экстраполяция результатов испытаний показала, что при 410 С без облучения прочность меди уменьшится вдвое (с 245 до 122,5 МПа) примерно за 11 лет, при 410С и облучении нейтронами – за 2 года. Удельное электросопротивление медного проводника увеличится на 20% (т.е. до 2,25 мкОм·см) за 26,9 года без облучения и за 4,3 года при облучении. Установлено, что облучение нейтронами при 410 С значительно влияет на работоспособность медного проводника. Наблюдаемый при термообработке на воздухе процесс окисления медного проводника ускоряется и существенно меняется в случае одновременного воздействия на него температуры и облучения нейтронами. Если после термообработки наблюдается в основном внешнее окисление – образование окалины на поверхности образца, а структура внутренней части медного проводника характеризуется ростом зерна и наличием равномерно распределённых коагулированных частиц оксидов меди, то при одновременном воздействии температуры и облучения нейтронами наблюдается окисление образца по границам зёрен. При этом в результате окисления сечение медного образца увеличивается, а не уменьшается. Электропроводность и прочность меди после одновременного облучения и теплового воздействия существенно ниже, чем после термостарения, так как появившиеся оксиды распределены по всему сечению медной жилы. Невысокая прочность оксидов снижает прочностные и пластические характеристики меди.

Иначе действует облучение нейтронами на сплав 204. Облучение при 450 и

550 °С повышает прочность и пластичность сплава, а также электросопротивление по сравнению с образцами, подвергнутыми только термообработке. Металлографически обнаружен рост зёрен при росте температуры и длительном радиационном воздействии. В облучённых образцах наблюдается собирательная рекристаллизация, приводящая к неравномерному росту зерна.

Исследования показали, что длительное воздействие температуры и облучения нейтронами влияет на структуру и свойства сплава 204: увеличивается размер зерна; укрупняются выделения Cr2Nb; уменьшается степень легирования твёрдого раствора вследствие окисления легирующих элементов. Всё это должно приводить к ухудшению его свойств. Однако облучённая металлическая жила из сплава 204 имеет более высокие прочностные характеристики, чем аналогичная после термообработки. Замедление разупрочнения сплава при облучении нейтронами объясняется образованием дисперсных оксидов хрома и ниобия (внутренним окислением), не приводящих к существенному увеличению электросопротивления.

Исследованиями токопроводящих жил провода ПОЖ-700 установлено, что в случае облучения нейтронами до флюенса ~ 1020 м-2 при 450 °С в течение 8500 ч работоспособность проводника из сплава 204 сохраняется на протяжении примерно 5000 ч. В случае облучения при 550 °С продолжительность надёжной работы, оценённая по отсутствию недопустимого прироста удельного электросопротивления, составит ориентировочно 3000 ч.

На основании проведенных исследований сделан вывод, что незначительное легирование меди хромом и ниобием существенно повышает радиационную стойкость и повышает работоспособность медного проводника при температуре выше 450С. Вместе с этим показано, что при температурах ниже 450С и флюенсе нейтронов до 1018 м-2, медь вполне пригодна для применения в качестве токопроводящей жилы жаростойких обмоточных проводов.

Третий раздел «Исследование корпусной изоляции обмоток МГД-машин»

Подразделы «Конструкция и материалы корпусной изоляции МГД-машин» и «Выбор метода для исследования кинетики процессов отверждения связующего». Кратко освещены особенности конструкций и материалов корпусной изоляции обмоток МГД-машин и аргументирован выбор метода диэлектрометрии для исследований характеристик изоляции.

Подраздел «Оптимизация технологических режимов изготовления корпусной изоляции»

Оптимизация технологических режимов изготовления корпусной изоляции состоит в выборе значений температуры, давления, времени прессования и состава окружающего газа, при которых получается изоляция с высокими значениями электрических прочности и сопротивления. При этом процесс изготовления жаростойкой изоляции обмоток включает в себя две стадии:

• формование изоляции, когда поддерживаются либо изменяются по заданному закону температура в диапазоне от 20 до 160 °С, при давлении до 2 МПа и времени прессования от 1 до 1,5 ч;
• отжиг корпусной изоляции в составе обмотки при температуре от 450 до 700 °С и времени до 5 ч.

Для определения взаимосвязи числа слоев и электрической прочности многослойной корпусной изоляции исследовалась зависимость пробивного напряжения изоляции U от числа слоев n (толщины) для слюдопластовых материалов на алюмохромфосфатном (СПФ (слюдопласт ИЖФФА) и стеклообразующем связующих (СПС (слюдопласт ИФЭСС). Результаты экспериментов показали (рис. 10), что для СПФ эта зависимость является типичной для многослойной систем. В таких системах, как правило, из-за отсутствия монолитности развиваются частичные разряды на границах слоев. Для СПС U = f(n) монотонно растет с увеличением числа слоев, что свидетельствует о более высокой её однородности и монолитности. Исследования температурных зависимостей электрической прочности и удельного объемного сопротивления показали, что характеры их изменения для обоих материалов практически совпадают. При этом было установлено, что электрическая прочность материалов в диапазоне 20 – 300 °С практически не изменяется. В диапазоне 300 – 400 °С происходит снижение электрической прочности примерно в 1,5 раза. Представленные данные подтверждают вывод о том, что для исследуемых материалов или систем изоляции на их основе существует температура, выше которой меняется «качество» материала.

Четвертый раздел «Тепловые и терморадиационные исследования обмоток жидкометаллических МГД-машин»

Исследовались макеты типа МП, в которых корпусная изоляция изготавливалась на основе выпускаемых промышленностью слюдопластов ИФГ-КАХФ – тип 1, ИЖФФА – тип 3, и разработанного нами ИФЭСС – тип 5. Тепловое и терморадиационное старение проводились при температуре (450 °С ± 10 °С). Во время остановки реактора температура образцов поддерживалась на заданном уровне. Время выдержки в реакторе и флюенс нейтронов с энергией Ф>0 и Ф>0,1, составили для образцов соответственно: тип 1 - 21144 ч; 7,87 1015 см-2 и 1,25 1015 см-2; тип 3 и 5 – 15631 ч; 3490 1015 см-2 и 766 1015 см-2. Анализ полученных результатов показал, что характер зависимости электрической прочности системы «корпусная + витковая изоляция» для исследуемых материалов практически совпадает (Рис. 11).

После

незначительного снижения электрической прочности, составляющего ориентировочно 7-8 %, наблюдается тенденция к стабилизации и даже некоторому повышению величины пробивного напряжения. Однако, абсолютные значения электрической прочности слюдопласта ИФЭСС выше, чем у слюдопласта ИЖФФА примерно на 17% и на 40% - чем у слюдопласта ИФГ-КАХФ. Результаты тепловых испытаний образцов практически совпадают с полученными при терморадиационном старении. Аналогичные исследования с целью определения влияния -излучения на электроизоляционные свойства системы «проводник – изоляция», проведенные при температуре 400 °С и дозе -излучения 107 Гр, также показали совпадение результатов испытаний в различных условиях.

Полученные уникальные данные позволили сделать вывод о том, что электрическая прочность корпусной и витковой изоляции системы «проводник-изоляция» при воздействии в течение до 15631 часа температуры до 450 °С, флюенса нейтронов до 3,49·1018, в том числе с энергией более 0,1 МэВ флюенсом 0,77·1018 м2, и дозы -излучения 10 7 Гр зависит только от теплового воздействия. Этот факт имеет весьма важное значение, так как позволяет при оценке ресурса изоляции обмоток МГД-машин, предназначенных для эксплуатации в указанных выше условиях, учитывать влияние только температуры и времени эксплуатации. Кроме этого подтверждено преимущество разработанного нами слюдопласта ИФЭСС.

Пятый раздел «Методика оценки ресурсных характеристик МГД-машин»

На основании анализа статистических данных о результатах эксплуатации ЭМН и имеющихся результатов исследований материалов, макетов и узлов ЭМН и, принимая, что радиационное излучение, при имеющихся на практике флюенсе нейтронов и дозах гамма - излучений, не влияют на электрические прочность и сопротивление витковой и корпусной изоляции, показано, что фактором, определяющим надежность МГД-машины (ЭМН) для КЯЭУ и АЭС, является надежность индуктора, т.е. системы изоляции, связанная с её пробоем и зависимая от температуры изоляции и длительности её эксплуатации. Вероятность безотказной работы изоляции в момент времени определяется по выражению, где приведенная к температуре обмотки интенсивность отказов системы изоляции.

Разработанная методика оценки вероятности безотказной работы индуктора ЭМН базируется на использовании известных модели «нагрузка-прочность», зависимостей времени работы изоляции от температуры и интенсивности отказа изоляции. Наработку на отказ канала и насоса в целом предложено проводить по известным стандартным методикам. Полученные по этой методике расчетные данные 90% нижней границы наработки на отказ вполне удовлетворительно согласуются с имеющимися эксплуатационными данными.

Выводы

Организована постановка на производство материалов обмоток МГД-машин для АЭС.

Для высокотемпературных (жаростойких) обмоточных проводов экспериментально установлены две закономерности старения витковой изоляции с энергиями активации (0,1-0,2) и 4 эВ соответственно до 580 °С и выше.

Предложен защищенный авторским свдетельством, исследован, изготавливается по ТУ НИИЭФА и применяется в МГД-машинах оригинальный эластичный слюдопластовый материал со стеклообразующим связующим, обладающий практически линейной зависимостью пробивного напряжения от количества исходных слоёв материала.

Разработаны, защищены авторскими свидетельствами и используются при исследовании терморадиационной стойкости материалов макеты МГД-машин и их обмоток, обеспечивающие необходимую массовость наблюдений.

Экспериментально получены и обоснованы данные, свидетельствующие об ухудшении механических свойств и удельного электросопротивления медного проводника ориентировочно в 1,5 раза при одновременном воздействии температуры 450 °С и потока нейтронов флюенсом до 1016 см-2 в течение примерно 5000 часов. В случае проводника из хромониобиевой бронзы (сплав 204) при таком же терморадиационном воздействии соответствующие изменения не превышают 10%.

Получены и обоснованы данные, демонстрирующие, что при одновременном воздействии температуры до 450 °С, нейтронов с флюенсом до 1018 см-2 и гамма излучения до 107 Гр, ионизирующее излучение не влияет на характеристики высокотемпературных электроизоляционных материалов.

Разработана и подтверждена результатами эксплуатации методика расчёта показателей ресурса МГД-машин.

Четвертая глава «Конструкции и области применения созданных МГД-машин и устройств»

В первом разделе «МГД-дроссели для наземных ядерных и исследовательских установок» обсуждается специфика эксплуатации МГД-дросселирующих устройств, обусловленная, в частности, высокой температурой и агрессивностью жидкометаллических сред. Приведены характеристики некоторых типов изготовленных МГД-дросселй.

Рассмотрены 12 основных конструкций промышленных МГД-дросселей. Указаны области и установки их применения, отмечены преимущества, приведены фотографии дросселей. Ниже, в качестве примера, на рис. 12 и 13 изображены дроссели МДЦ-3/20-1 и МДЦ-1/75.

Во втором разделе «МГД-дросели и устройства подачи для космических и наземных плазменных установок» рассмотрены винтовые МГД-дроссели с радиальным магнитным полем, которые, как правило, используются для регулирования расхода от сотых долей до нескольких см3/с, когда возникает необходимость резкого увеличения крутизны рабочей характеристики регулирующей системы. На практике такая ситуация реализуется в системах подачи жидкометаллического рабочего тела в электрореактивные двигатели или другие ионно-плазменные установки при дозировании рабочих жидкометаллических тел или присадок.

Приведены некоторые конструктивные схемы и общий вид винтовых МГД-дросселей с однослойным и двухслойным каналом.

В подразделе «МГД-устройства подачи жидкометаллических рабочих тел» приведены параметры МГД–устройств на микрорасходы, разработанных и изготовленных в НИИЭФА им. Д.В.Ефремова, в том числе конструкционная схема и общий вид МГД-устройства подачи УП–2, успешно эксплуатировавшегося в ионно-плазменной установке на спутнике «Космос-728» (см. рис. 14).

Третий раздел «Конструкции МГД-насосов пассивного дросселирования для космических и наземных ядерно-энергетических установок»

В подразделах «Краткие сведения о развитии и состоянии теории МГД-насосов» и «Особенности и пути решения требований, предъявляемых к пассивно дросселирующим МГД-насосам» отмечено, что на настоящем этапе вопросы теории и расчёта МГД-насосов для ядерной энергетики наземного и космического базирования практически решены. Вместе с этим существует ряд задач по конструированию и технологии изготовления этого класса МГД-машин, требующих пристального внимания и новых разработок.

К таким задачам относятся обеспечение: минимума гидравлических потерь; высокой надёжности и КПД; минимальных массогабаритных характеристик ЭМН. При этом требование минимума гидравлических потерь является главенствующим для пусковых ЭМН космических ядерных энергоустановок (КЯЭУ), ЭМН систем аварийного расхолаживания (САРХ) и некоторых вспомогательных систем наземных реакторов на быстрых нейтронах. Отмечено, что насосы этого класса используются только при запуске КЯЭУ или в САРХ при аварийном расхолаживании реактора, а основное время эксплуатации установки они отключены и осуществляют пассивное дросселирование потока теплоносителя. Поэтому минимальные гидравлические потери в этом режиме обеспечивают повышение эффективности ядерной энергоустановки в целом.

В рассматриваемых ЭМН использованы предложенные нами технические решения. Для увеличения КПД и выравнивания токов по фазам уменьшается число витков в средней фазе на концах индуктора. Для повышения надежности применяется эластичный слюдопластовый материал (ИФЭСС) и устанавливаются опорные элементы, повышающие устойчивость внутренней стенки канала. Для уменьшения габаритов за счет повышения заполнения внутренний сердечник магнитопровода выполняется из электротехнической стали и магнитомягкого композита. Приведены параметры разработанных и изготовленных ЭМН нового поколения КЯЭУ, включая параметры и фотографии ЭМН пассивного дросселирования для КЯЭУ, использованных на спутниках серии «Космос», а также ЭМН реакторных установок БН - 600 и CEFR (Китайский быстрый реактор).

Четвертый раздел «Конструкции МГД-каналов, обеспечивающих снижение эффекта МГД – дросселирования»

При движении жидкого металла, например лития, в проточном тракте бланкета ТЯР в металле индуктируется электродвижущая сила (ЭДС) и протекают токи, взаимодействие которых с магнитным полем приводит к возникновению весьма существенных электромагнитных усилий, тормозящих поток (высокого магнито-гидродинамического (МГД) дросселирования потока) с величиной противодавления в десятки МПа. Вполне понятно, что создать конструкции бланкета и насоса при таких значениях перепадов давлений – задача, на сегодняшний день технически не разрешимая.

Радикально уменьшить величину этого давления, не изменяя конструкцию бланкета, а также свойства и направление движения жидкого металла относительно ориентации магнитного поля, можно только путем увеличения сопротивления индуктированным токам. К сожалению, до настоящего времени такая задача остается нерешенной, что препятствует применению лития в качестве теплоносителя в ТЯР «ИТЭР».

Очевидно, что одной из основных задач создания литиевого бланкета является обеспечение проточного тракта электроизоляционным барьером, обладающим высоким электросопротивлением индуктированным токам, позволяющим свести к минимуму МГД-дросселирование потока теплоносителя в течение всего ресурса работы.

Широкомасштабные исследования, проведенные специалистами России, США, Японии и Европы по созданию самовосстанавливающихся электроизоляционных барьеров или керамических каналов, к успеху не привели.

Для уменьшения эффекта дросселирования нами предложено использовать многослойные электроизоляционные барьеры, содержащие слой из AlN, защищенный от воздействия лития тонким металлическим слоем. При этом толщина защитного слоя должна выбираться из условий обеспечения требуемого ресурса и вполне приемлемого сопротивления токам, индуктированным в жидком металле.

На основании анализа известных технологий изготовления многослойных структур нами выбран способ формирования многослойной структуры конденсацией вещества из плазменного потока (метод «КИБ»).

Процесс нанесения многослойных покрытий на поверхности из сплава включает следующие стадии:

• ионная очистка поверхности сплава ванадий-хром-титан;
• нанесение слоя чистого хрома;
• нанесение слоя нитрида алюминия;
• нанесение второго слоя хрома;
• нанесение слоя ванадий-хром-титан.

Ионная очистка производится с целью удаления примесей с обрабатываемой поверхности и ее активации.

В ходе отработки технологии и исследований многослойных структур в литии при температуре 600 °С было выявлено расслоение между AlN и сплавом VCrTi. Причина этого явления крылась в низкой адгезионной связи между упомянутыми материалами.

При решении проблемы нами были разработаны методы расчета адгезионных характеристик материалов. В их основу положен термодинамический подход, предполагающий наличие осредненных параметров среды. Контактирующие среды считаются сплошными. Их состояние характеризуется модулем Юнга , коэффициентом Пуассона , свободной и потенциальной энергиями.

По опубликованным нами в журналах ЖТФ и Plasma Devises and Operations методикам проведены расчеты энергии адгезии Fа для сочетаний материалов, представляющих практический интерес с точки зрения применения в жидкометаллическом бланкете ТЯР. Расчеты показывают, что энергия адгезии незначительно зависит от температуры. Приведенные на рисунке 15 значения Fа для сочетания различных материалов свидетельствуют, что энергия адгезии между сплавом , предполагаемым конструкционным материалом литиевого бланкета, и AlN является одной из наименьших. Вместе с этим очевидно, что наиболее приемлемым материалом для промежуточного слоя, с точки зрения улучшения адгезионных свойств и технологии получения, является молибден. Однако, учитывая, что при воздействии нейтронных потоков у молибдена появляются долгоживущие радионуклиды, предпочтительнее хром, у которого таких радионуклидов нет. Понятно, что для получения монолитной многослойной конструкции стенки канала требуется диффузионно сварить ее элементы. На основании исследований нами предложены следующие параметры диффузионной сварки:

• температура 950±20 °C;
• давление 35 ± 5 MПа;
• выдержка в печи или газостате при температуре 950±20 °C в течение не менее 8-ми часов.

Рис. 15. Энергия адгезии сочетаний различных материалов.

На рис. 16 приведены экспериментально полученные распределения концентраций элементов материалов в зоне сварного шва, а на рис. 17 показана структура диффузионных соединений: (V-4Cr-4Ti)–Cr–AlN–Cr-(V-4Cr-4Ti), демонстрирующая однородность материала шва, слабую пористость и взаимную диффузию его компонент, что свидетельствует о правильности принятых параметров сварки.

Рис. 16. Распределение элементов в зоне «диффузионного» соединения AlN - Cr.

Рис. 17. Микроструктура «диффузионного шва»: 1 - ; 2 - ;

3 – AlN: - осажденные по методу «КИБ»; 4 - , осажденный гальванически.

В конечном итоге нами предложена конструкция многослойной стенки канала литиевого бланкета, представляющая в общем случае следующую структуру:

• несущий материал – "наружная стенка" – сплав ванадий-хром-титан;
• "внутренняя стенка" – гильза-вставка из сплава ванадий-хром-титан толщиной порядка 0,1 мм. На ее не контактирующую с литием "внешнюю" поверхность последовательно наносятся слои: – (1  2) мкм; – (20  40) мкм; и – толщиной порядка (1  2) мкм каждый.

Подготовленные таким образом "наружная" и "внутренняя" стенки соединяются и диффузионно свариваются (соединяются) в вакуумной печи (газостате).

Приведенные выше данные свидетельствуют о правомочности использования полученных результатов при разработке реальных конструкций МГД-каналов бланкета с жидкометпллическим рабочим телом.

Выводы

Рассмотрены и проанализированы технические решения разработанных конструкций промышленных МГД-дросселей, МГД-устройств подачи, МГД-насосов, созданных под руководством и при активном участии автора в НИИЭФА им. Д.В. Ефремова.

Представленные МГД-машины и устройства оригинальны, защищены авторскими свидетельствами и нашли применение в ядерно-энергетических и ионно-плазменных установках наземного и космического базирования (реакторные установки БН-600, БОР-60, МИР, Китайский быстрый реактор (СEFR), КЯЭУ и ионно-плазменная установка для спутников серии «КОСМОС»), а также в различных сопутствующих им системах транспортирования жидкометаллических рабочих тел опытных и экспериментальных установок.

МГД-машины и устройства для космических ядерных и ионно-плазменных установок прошли полный цикл предполетных и полетных испытаний и успешно эксплуатировались в штатных условиях.

Разработанные принципиальные конструкция и технология изготовления МГД-канала, обеспечивающего снижение эффекта дросселирования потока рабочей среды, использовались в проекте модуля бланкета ТЯР ИТЭР.

Заключение

1. Для МГД–дросселей с каналами цилиндрического и винтового типов при различном характере изменяющегося в пространстве магнитного поля разработаны математические модели и получены решения уравнений электромагнитного поля. Расчетные интегральные характеристики хорошо согласуются с экспериментальными.

2. Разработана методика оптимизационного расчета и определены критерии для выбора того или иного типа дросселирующего МГД-устройства при регулирования расхода.

3. Получены и обоснованы уникальные данные по изменению основных характеристик проводниковых и электроизоляционных материалов а также обмоток МГД-машин в процессе теплового и терморадиационного старений.

4.Выбраны и обоснованы материалы, разработано принципиальное решение конструкции многослойной структуры МГД-канала, обеспечивающей снижение эффекта дросселирования потока рабочей среды применительно жидкометаллическому каналу бланкета ТЯР.

5. Теоретические решения подтверждены результатами создания и эксплуатации МГД-машин и устройств, специальными уникальными экспериментами в жидкометаллических контурах, применением современных методов исследований.

6. Созданные, в соответствии с изобретениями, оригинальные конструкции МГД-машин и устройств нашли применение в ядерно-энергетических и ионно-плазменных установках наземного и космического базирования, включая реакторные установки БН-600, БОР-60, МИР, Китайский быстрый реактор (СEFR); КЯЭУ и ионно-плазменную установку спутников серии «КОСМОС».

В приложениях представлены материалы, отражающие: роль автора в создании нового класса МГД-техники – «Дросселирующих МГД-машин и устройств»; объем применения созданных МГД-машин и устройств; признание научных результатов.

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях:

1. А. с. 387630. Линейный трёхфазный индуктор магнитогидродинамической машины / А.М. Андреев, И.В. Витковский, В.П. Остапенко. –1976, Бюл. №10. С. 177.
2. А. с. 637033. Магнитогидродинамический дроссель / А.М. Андреев, А.Н. Андрианов, И.В. Витковский. – 1981, Бюл. №15. С.291
3. А. с. 674615. Магнитогидродинамический дроссель / Андрианов А.Н., Витковский И. В. – 1981, Бюл. №15. С. 291.
4. Андрианов А.Н., Витковский И.В., Лаврентьев И.В. Многополюсный МГД-дроссель с кольцевым каналом //Магнитная гидродинамика. – 1979. – № 2. – С. 94–98.
5. Андрианов А.Н., Витковский И.В., Кириллов И.Р. О компенсации "реакции якоря" в МГД-дросселях с кольцевым каналом // Электрофизическая аппаратура. – М.: Атомиздат, 1981. - №18. – С. 30 – 36.
6. А. с. 727091. Электромагнитный насос / А.Н. Андрианов, И.В. Витковский, И. Р. Кириллов. – 1981, Бюл. №29. – С. 288.
7. А. с. 772310. Магнитогидродинамический дроссель / А.Н. Андрианов, И. В. Витковский.– 1982, Бюл. №1. С. 268.
8. А. с. 1001837. Магнитогидродинамическая машина / А.Н. Андрианов, И.В. Витковский.– 1983, Бюл. №36. – С. 242.
9. А. с. 1259932. МГД-машина постоянного тока / А.Н. Андрианов, И.В. Витковский, И. Р. Кириллов. – 2010, Бюл. №11. – С. 962.
10. А. с. 1442039. МГД-машина/ А.Н. Андрианов, И.В. Витковский. 2010, Бюл. № 11 - С. 962.
11. Анисимов А.М., Васильев В.И., Витковский И.В. и др. Литий охлаждаемый бланкет демонстрационного реактора ДЕМО-С. // Основы концепции демонстрационного термоядерного реактора ДЕМО-С. – Проект РФ ДЕМО. Описание конструкции систем и режимов работы реактора. Ч. IV. РНЦ “Курчатовский институт”, Институт ядерного синтеза.- Москва, 1999. С.VII-1 – VII-37.
12. Бондарчук Э.Н., Витковский И.В., Голованов М.М. и др. Общая компоновка реактора ДЕМО-С //Основы концепции демонстрационного термоядарного реактора ДЕМО-С. – Проект РФ ДЕМО. Описание конструкции систем и режимов работы реактора. Ч. IV. РНЦ “Курчатовский институт”, Институт ядерного синтеза.- Москва, 1999. С.III-1 – III-5.

13. Бородулина Л.К., Витковский И.В., Голованов М.М., Неверов В.А. Некоторые вопросы создания макетных образцов обмоток электромагнитных насосов и результаты их испытаний // Вопросы атомной науки и техники. Серия электрофизическая аппаратура. – 1993. - Вып. 26. – С. 28 – 32.

14. Бородулина Л.К., Ваксер Н.М., Витковский И.В. Прогнозирование ресурса обмоток электромагнитных насосов с рабочей температурой до 650 °С // VI Всесоюзная конференция по физике диэлектриков. Электрофизика слоистых структур. – М.: ЦНИИ "Электроника", 1988. – Вып. 4. – С. 109 – 110.

15. Бородулина Л. К., Ваксер Н.М., Витковский И.В.и др. О влиянии среды на процессы старения обмоток электромагнитных насосов // Вопросы атомной науки и техники. Серия электрофизическая аппаратура. – 1993. – Вып. 26. – С. 23 – 28.

16. Бородулина Л.К., Ваксер Н.М., Витковский И.В., Титова А.С. Особенности термостарения обмоток электромагнитных насосов при высоких температурах в воздушной среде // Электротехника.– 1990. – № 12. – С. 28 -31.

17. Ваксер Н.М. Витковский И.В., Неверов В А. и др. Исследования по выбору оптимальных конструкций и технологии изготовления жаростойких обмоток // Электротехника. – 2006. – № 3. – С.42 – 47.

18. А. с. 1639380. Индукционный электромагнитный насос / И. В. Витковский, М. М. Голованов, А. А. Малков, Б. А. Правдин. – 2010. Бюл. №11. С.963.

19. А. с. 550227. Магнитогидродинамический дроссель / И.В. Витковский, Б.Л. Биргер, Б.Г. Карасёв, В.В. Иванов. –1977. Бюл. №10 – С.25.

20. А. с. 704715. Магнитогидродинамический дроссель / И.В. Витковский, И.Р. Кириллов, В.В. Иванов. – 1979. Бюл. №47.- С.53.

21. А. с. 723743. Магнитогидродинамический дроссель / И.В. Витковский. – 1980. Бюл. №11. С.250.

22. А. с. 724046. Магнитогидродинамический дроссель / И.В. Витковский, Б.Л. Биргер и др. – 2010. Бюл. №11. С. 963.

23. А. с. 776489. Магнитогидродинамический дроссель / И.В. Витковский, И.Р. Кириллов. – 1981. Бюл. №33 – С. 330.

24. А. с. 1001353. Винтовой электромагнитный насос / И.В. Витковский, А.А. Малков. - 1983. Бюл. №8. С. 291.

25. А. с. 1001352. Магнитогидродинамический дроссель / И.В. Витковский. – 2010. Бюл. №11. C.962.

26. А. с. 1071180. Магнитогидродинамический дроссель / И.В. Витковский. – 1984. Бюл. №44. С. 195.

27. А. с. 1165212. Магнитогидродинамическая машина постоянного тока / И. В. Витковский. – 1987. Бюл. №15. – С. 287.

28. А. с. 1246855. Магнитогидродинамический дроссель / И.В. Витковский. – 1987. Бюл. №10. С. 299.

29. А. с. 744236. Устройство для дозирования токопроводящих жидкостей / И. В. Витковский, В. В. Иванов. – 1980. Бюл. № 24. -С. 140.

30. А. с. 1099553. Устройство для дозирования токопроводящих жидкостей / И. В Витковский. – 1985. Бюл. №14. – С.215.

31. А. с. 1354985. Способ стабилизации расхода токопроводящей жидкости / И.В. Витковский, В.Н. Одинцов. – 1990, Бюл. №4. - С.298.

32. А. с. 1398602. Устройство для исследований композиций электро-изоляционных материалов / И.В. Витковский. – 2010. Бюл.№11. С.962.

33. А. с. 1443635. Импульсная плазменная установка / И. В. Витковский, В. Н. Одинцов, А. М. Шапиро. – 2010. Бюл. №11. С.962.

34. А. с. 1545911. Макет электромагнитного насоса / И.В. Витковский, М.М. Голованов, В.А. Неверов, и др. – 2010. Бюл. №11. – С. 962.

35. А. с. 1507169. Сердечник цилиндрического линейного индукционного насоса / И.В. Витковский, М.М. Голованов, Ю.П.Зайцев и др. - 2010, Бюл. №11. – С. 963.

36. А. с. 1730962. Способ изготовления слюдосодержащего электроизоляционного материала / И.В. Витковский, Л.В. Николаева. – 2010. Бюл. № 11. – С. 962.

37. Витковский И.В., П.Ю. Чайка. Создание и исследование макетов для обеспечения и подтверждения высокой надежности индукторов электромагнитных насосов и статоров жаростойких электродвигателей // Вопросы атомной науки и техники. Серия электрофизическая аппаратура. – 2006. – Вып. 30. – С. 101 – 107.

38. Витковский И.В., Неверов В.А., Ревякин Ю.Л. и др. Влияние теплового и радиационного воздействия на свойства проводниковых материалов на основе меди // Атомная энергия. – 1991. – Т. 71. Вып. 5. – С. 455 – 458.

39. Витковский И.В., Данилин В.Г., Игнатов В.Г. Вопросы создания электромагни-тных насосов для ядерной энергетики // Атомная энергия. – 1988. – Т. 64. – Вып. 6. – С. 415 – 419.

40. Витковский И.В., Гельфгат Ю.М., Круминь Ю.К., Осипов В.П. Исследования МГД-дросселей с периодическим симметричным и несимметричным постоянным магнитным полем // Магнитная гидродинамика. – 1979. – № 1. – С. 105 – 110.

41. Витковский И.В., Данилин В.Г., Неверов В.А. и др. Исследование электрической прочности изоляции электромагнитных насосов при терморадиационном старении // Атомная энергия. – 1989. – Т. 67. Вып. 5. –

С. 338 – 341.

43. Витковский И.В. Карасёв Б.Г., Лаврентьев И.В. К расчёту МГД-дросселей // Магнитная гидродинамика. – 1975. – №4. – С. 123 – 126.

44. Витковский И.В., Карасёв Б.Г., Кириллов И.Р. Некоторые особенности расчёта и проектирования МГД-дросселей // Магнитная гидродинамика. – 1977. – № 4. – С. 131 – 136.

45. Витковский И.В., Кириллов И.Р. О выборе регуляторов расхода в жидкометаллических системах // Магнитная гидродинамика. – 1978. – № 2. –

С. 132 – 136.

46. Витковский И.В., Ревина Н.И., Титова А.С., Харченков И. Г. Окисление обмоточных проводов меди и её сплавов при высоких температурах // Вопросы атомной науки и техники. Серия электрофизическая аппаратура. – 1993. – Вып. 26. – С. 17 – 22.

47. Витковский И.В., Кириллов И.Р. Опыт создания МГД-устройств космического назначения // Сборник докладов Пятой международной конференции "Ядерная энергетика в космосе". – Подольск, 1999. – Ч. 2. – С. 552 – 558.

48. Витковский И.В., Карасёв Б.Г., Лаврентьев И.В. О регулировании расхода жидкого металла МГД-дросселями // Магнитная гидродинамика. – 1976. – № 2. –

С. 142 – 143.

49. Витковский И.В. Кириллов И.Р., Чайка П.Ю. и др. Оценка надёжности электромагнитных насосов по результатам их эксплуатации // Атомная энергия. – 2007. – Т. 103. – № 2. – С. 104 – 109.

50. Витковский И.В., Глухих В.А., Кириллов И.Р.и др. Регулирование расхода жидкометаллических теплоносителей // Атомная энергия. – 1981. – Т. 51. Вып. 2. – С. 101 – 109.

51. Витковский И.В., Конев А.Н., Шоркин В.С. Теоретическое определение адгезионных свойств материалов для жидкометаллического бланкета термоядерного реактора // Журнал технической физики. 2009. – Т. 79. – Вып. 2. – С. 11 – 16.

52. Витковский И.В. Конев А.Н. Шоркин В.С., Якушина С.И. Теоретическая оценка несплошности адгезионного контакта элементов жидкометаллического бланкета термоядерного реактора // Журнал технической физики. – 2007. – Т. 77. – Вып. 6. – С. 28 – 33.

53. Витковский И.В., Лаврентьев И.В. Электромагнитные процессы в кольцевом канале при конечных магнитных числах Рейнольдса // Магнитная гидродинамика. –1976.– № 1. – С. 107 – 111.

54. Гельфгат Ю.М., Горбунов Л.А., Витковский И.В. Магнитогидродинамическое дросселирование и управление жидкометаллическими потоками – Рига: Зинатне, 1989. – 312 с.

55. А. с. 789245. Магнитогидродинамический дроссель / Ю. М. Гельфгат, В.Б. Альберт, Л.А. Горбунов, И.В. Витковский – 1980, Бюл. №47 – С. 42.

56. А. с. 695470. Магнитогидродинамический дроссель / Гельфгат Ю.М., Горбунов Л.А., Витковский И.В.,Карасев Б.Г. – 1987, Бюл. №11. - С.308.

57. А. с. 770428. Индукционная МГД-машина / Гельфгат Ю.М., Круминь Ю.К., Биргер Б.Л., Горбунов Л.А., Карасёв Б.Г., Витковский И.В. – 2010. Бюл. №11. С. 963.

57. А. с. 816018. Магнитогидродинамический дроссель / Ю. М. Гельфгат, В. Б. Альберт, Л. А. Горбунов, И. В. Витковский. – 2010. Бюл. №11. – С. 961.

58. Malang S., Borgstedt H.V., Farnum E.H., Natesan K., Vitkovsky I.V. Development of insulating coatings for liquid metal blankets // Fusion Engineering and Design. – 1995. – Vol. 27. – P. 570 – 586.

59. Reed C.B. Natesan. K., Hua T.O., Kirillov I.R., Vitkovsky I.V., Anisimov A.M. Experimental and theoretical MHD-performance of a round pipe with an NaK-compatible Al2O3 coating // Fusion Engineering and Design. – 1995. – Vol. 27. –

P. 614 – 626.

60. Vitkovsky I.V., Konev A.N., Shorkin V.S. et. al. Adhesion energy estimation of some composite materials // Plasma Devices and Operations. – 2003. – Vol. 11. - №2.– P. 81 – 87.

61. Vitkovsky I.V. Golovanov M.M., Divavin V.A. et al. Neutronic, thermal-hydraulic and stress analysis of RF lithium cooled test blanket module for ITER // Fusion Engineering and Design. – 2000. – Vol. 49 – 50. – P. 703 – 707.

62. Vitkovsky I.V., Konev A.N., Shorkin V.S., Yakushina S.I. Theoretical estimation of discontinuity flaw of adhesive contacts between multilayer elements of liquid metal blanket in fusion reactor // Technical physics. – 2007. – Vol. 52. – № 6. – P. 705 – 710.

63. Vitkovsky I. V. Development and testing of electroinsulating barriers for lithium-vanadium fusion blanket / I. V. Vitkovsky, A. V. Gorunov, V. I. Engelko et al. // Fusion Engineering and Design. – 2002. – Vol. 61 – 62. – P. 739 – 743.