Новая установка подскажет, как лучше снимать тепло в условиях ИТЭР
- 24.10.2016
На базе Объединенного института высоких температур РАН (ОИВТ РАН) при поддержке Российского научного фонда (РНФ) ученые Института ядерной физики СО РАН им. Г.И. Будкера (ИЯФ СО РАН), Московского энергетического института (НИУ МЭИ) и ОИВТ РАН создали стенд, на котором будут проводиться исследования гидродинамики и теплообмена жидкометаллических теплоносителей в условиях ИТЭР (International Thermonuclear Experimental Reactor, ИТЭР) и других термоядерных реакторов-токамаков.
В качестве основных теплоносителей в ядерных энергоустановках (быстрые реакторы нового поколения БРЕСТ, термоядерные реакторы и термоядерные источники нейтронов) рассматриваются тяжёлые жидкие металлы – свинец и сплав свинца и лития. Теплообмен жидкого металла в токамаке происходит в условиях взаимного влияния магнитного поля и свободной конвекции, объясняет профессор НИУ МЭИ, заведующий отделом теплофизических проблем ядерной энергетики ОИВТ РАН, доктор технических наук Валентин Георгиевич Свиридов. «Команда МЭИ-ОИВТ РАН изучает теплообмен тяжёлых жидких металлов в условиях реактора-токамака начиная с 1960-х годов, – рассказывает профессор, – ею были обнаружены особенности теплообмена, приводящие к образованию областей локального перегрева (горячих пятен) и низкочастотных пульсаций температуры в потоке теплоносителя».
Стенд РК-1. МЭИ, 1966 год. Магнит соленоид конструкции В.Г. Жилина, Л.Г. Генина, с работ на котором стартовала экспериментальная программа
Учёные ОИВТ РАН, НИУ МЭИ и ИЯФ СО РАН создали экспериментальный стенд РК-3 (HELMEF- HEattransfer Liquid Metal Experimental Facility), на котором будут изучать эти процессы на примере ртути, близкой по своим свойствам к потенциальным энергетическим теплоносителям. Благодаря пятитонному магниту, изготовленному в ИЯФ СО РАН, на установке можно проводить исследования на протяженных экспериментальных участках.
Стенд РК-3 (HELMEF) ОИВТ РАН, 2016 год
«Специфика нашего магнита в том, – поясняет кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Юрий Алексеевич Пупков, – что его можно поворачивать, то есть реализовывать различные геометрии теплообмена, характерные для систем охлаждения термоядерного реактора. Это позволит независимо от направления силы тяжести устанавливать направления потока металла и индукции магнитного поля. Сменные формы полюсов дают возможность создавать любую конфигурацию магнитного поля. Кроме того, устройство имеет три режима, что позволяет использовать в установке трубы и каналы различной формы с максимальным поперечным размером – 30 мм, 80 мм и 100 мм». Это предоставляет уникальные возможности исследовать впервые обнаруженные на ртутных стендах нештатные и аварийные режимы теплообмена в условиях токамака.
Для снятия тепла в экспериментальных бланкетных модулях ИТЭР рассматривается вариант сплава свинца и лития, но какой именно жидкий металл выберут, не имеет значения, потому что базовые закономерности будут одни и те же. «Эти работы позволят обосновать технические решения при выборе параметров теплоносителя и контуров охлаждения реакторов на быстрых нейтронах и перспективных термоядерных систем. Исследование возможности использования жидкометаллического теплоносителя с функцией наработки трития в магнитных полях до 12 Тесла входит в число наиболее важных научно-технологических задач программы испытаний на ИТЭР экспериментальных модулей бланкета ДЕМО», – прокомментировал доктор физико-математических наук, директор российского Агентства ИТЭР Анатолий Витальевич Красильников.
Магнит, изготовленный в ИЯФ СО РАН, уже подключили к установке и провели проверку надёжности всех систем – опробовали охлаждение, измерили рабочий ток, аварийное отключение с полной мощности. Сейчас стенд готовится к вводу в эксплуатацию контура, заполненного ртутью, монтируется специализированная вентиляция. «Ртуть, несомненно, является одним из худших энергетических теплоносителей. Она токсична, её теплоёмкость и теплопроводность довольно низки по сравнению с другими жидкими металлами. С другой стороны, именно эти теплофизические свойства делают её чрезвычайно удобной модельной жидкостью, поскольку на относительно малогабаритных стендах можно достигать высокой точности эксперимента» – прокомментировал кандидат технических наук, заведующий лабораторией ОИВТ РАН Иван Александрович Беляев.
В настоящее время установки ОИВТ РАН являются единственными в мире действующими ртутными стендами, на которых можно зондовыми методами с высокой точностью проводить комплексные исследования локальных и интегральных характеристик гидродинамики и теплообмена жидкометаллических теплоносителей в условиях ИТЭР и других термоядерных реакторов-токамаков.