Исследования в обоснование научно-технических решений конструкции жидкометаллических мишеней ускорительно-управляемых систем

На правах рукописи

Мелузов Александр Георгиевич

ИССЛЕДОВАНИЯ В ОБОСНОВАНИЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ КОНСТРУКЦИИ ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ

МИШЕНЕЙ УСКОРИТЕЛЬНО-УПРАВЛЯЕМЫХ СИСТЕМ

05.04.11 – Атомное реакторостроение, машины, агрегаты

и технология материалов атомной промышленности

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Нижний Новгород 2007

Работа выполнена на кафедре «Атомные, тепловые станции и медицинская инженерия» Нижегородского государственного технического университета.

Научный руководитель – доктор технических наук, профессор

Ефанов Александр Дмитриевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

;

кандидат технических наук, профессор

.

Ведущая организация –

Защита состоится _____________ 2007г. на заседании диссертационного совета Д.212.165.03 при Нижегородском государственном техническом университете по адресу: 603600, г. Нижний Новгород, ул. Минина, д. 24, корп. 5, ауд. 5232.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета.

Автореферат разослан ________________ 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Дмитриев С.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 ОКБМ “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 80,0103 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 экспериментальных 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 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. Под руководством автора, автором лично и 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 разработаны 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 А.В., 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.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Объем работы составляет 214 страница, XXX рисунков, XX таблиц, списка использованных источников из 44 наименований, в том числе 44 работ автора.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, определяются цель и задачи исследования, приводится общая характеристика работы. Приводятся результаты анализа основных вариантов конструкций жидкометаллических мишеней. Необходимость разработки проточной части жидкометаллической мишени и исследование гидродинамических характеристик и условий незатекания эвтектики в имитатор патрубка подвода теплоносителя определила комплекс исследований, конструкторских и экспериментальных работ, изложенных в главах диссертации.

В первой главе приводятся результаты анализа исследований, выполненных конструкторских проработок жидкометаллических мишеней (рисунок 1). Рассматриваются состав жидкометаллической мишени, роль ориентации оси мишени в пространстве. Конструкция проточной части должна исключать вскипание теплоносителя (даже локальное), обеспечивать требуемую геометрию профиля потока нейтронов, обеспечивать максимальный динамический напор на преодоление гидравлического сопротивления мишени и отводящего трубопровода, а также удовлетворять ряду других требований.

Рисунок 1 - Схема жидкометаллической мишени

1 – узел стыковки с ускорителем, 2 – охлаждаемая герметичная перегородка, 3 – ёмкость протечек ЖМТ (только для горизонтального положения), 4 – катушки электромагнитного запирания ионов примесей и ЖМТ, 5 – патрубок подвода ЖМТ, 6 – теплоизоляция, 7 – напорная камера, 8 – лопатки направляющего аппарата, 9 – обрез патрубка подвода частиц, 10 – рабочая полость мишени, 12 – патрубок отвода частиц, 13 – система охлаждения, 14 – задвижка клиновая, 15 – свободная поверхность ЖМТ, 16 – опоры, 17 – бланкет

Приведены результаты анализа и исследований физической модели течения потока в мишени применительно к характеристикам проведенных экспериментальных исследований.

Основной задачей построения модели, описывающей протекающие физические, теплофизические и другие процессы, является оптимизация конструктивных и режимных параметров жидкометаллической мишени на основании корректных расчетных экспериментов. Построение полной корректной физической модели представляется достаточно сложной и вероятно, неразрешимой задачей, экспериментальные исследования и достигаемая при этом оптимизация конструкции мишени и ее параметров, является необходимым этапом создания мишени до отработки мишени в составе ЖМТ контура, совместно с ускорителем частиц и с бланкетом.

В главе рассматриваются элементы, ограничивающие поступление жидкого металла, паров и газов элементов и соединений в направлении полости ускорителя.

Во второй главе приводятся экспериментальные исследования моделей мишени на воде включающие в себя два этапа.

Целью экспериментальных работ по первому этапу являлось исследование гидравлических характеристик модели, определение геометрических характеристик и положения свободной поверхности потока, определение профиля скоростей в объеме мишени.

На втором этапе исследовались условия незатекания теплоносителя в полость имитатора патрубка подвода частиц от ускорителя на упрощенной модели мишени.

Конечной целью испытаний являлось экспериментальное обоснование и оптимизация конструкции проточной части мишени на воде с точки зрения гидродинамических и ряда других характеристик для перехода к следующему этапу отработки конструкции - на теплоносителе свинец-висмут в диапазоне рабочих температур и расходов на стенде ФТ-1 кафедры “АТС и МИ” НГТУ.

Испытания на I этапе проводились последовательно с двумя вариантами конструкции модели - СБ 500 ФТ и СБ 500 АФТ (рисунок 2), различающимися геометрией входа потока в модель. Конструкции основных частей выполнялись из органического стекла для обеспечения возможности визуального наблюдения за структурой потока, а также за свободной поверхностью воды в полости мишени.

Проведенные эксперименты подтвердили возможность формирования свободной поверхности (“воронки”) заданной геометрии в проточной части путем изменения геометрии проточной части и характеристик потока и поддержание патрубка-имитатора подвода частиц в осушенном состоянии при вертикальном положении оси устройства. При горизонтальном расположении оси, вероятно, возможно добиться такого же результата при больших скоростях потока, чем те, при которых проводились испытания.

Рисунок 2 - Модель мишени СБ 500 ФТ

Далее были проведены эксперименты на воде (II этапе), с целью выбора параметров модели и режимов, позволяющих минимизировать или исключить возможность затекания в полость ускорителя тяжелого теплоносителя, обтекающего цилиндрический кольцевой «срез» патрубка подвода частиц от ускорителя.

Целью данных экспериментальных работ, являлось:

- определение условий незатекания в газовую полость имитатора патрубка подвода частиц от ускорителя;

- определение зависимости давления в полости имитатора патрубка подвода частиц от ускорителя от величины скорости и угла закрутки потока в рабочей полости модели мишени, для различных относительных длин кольцевого зазора (L/dэкв);

- определение зависимости давления в полости имитатора патрубка подвода частиц от ускорителя от величины противодавления на выходе из проточной части модели;

- определение зависимости давления в полости имитатора патрубка ускорителя от перепада высот между мишенью и свободным уровнем в сливной емкости;

- разработка рекомендаций для обеспечения выбора геометрии проточной части модели и режимных параметров испытаний модели на свинец-висмутовом теплоносителе в условиях, приближенных к натурным;

Испытания проводились на стенде ФТ-03М (рисунок 3), модель мишени поочередно устанавливалась в вертикальное и горизонтальное положение.

Полученные результаты экспериментальных исследований влияния геометрии проточной части на гидродинамику потока и условия незатекания теплоносителя в полость ускорителя позволяют сделать следующее основные выводы:

- Не был отмечен заброс теплоносителя в полость цилиндрического обтекателя на скоростях от 1 до 3 м/с для обтекателя 29 мм с углом закрутки