Введение к работе
Актуальность темы
Принятые в последние годы программы социально-экономического развития России включают в себя пересмотр стратегии развития энергетики в сторону значительного повышения вклада ядерно-энергетических источников энергии.
Одно из направлений развития атомной энергетики - увеличение количества атомных электростанций (АЭС) с реакторами на быстрых нейтронах. Такие реакторы позволяют не только значительно расширить сырьевую базу АЭС, но и параллельно с выработкой энергии воспроизводить сырье для повторного использования в реакторах того же типа.
В качестве еще одного перспективного направления развития энергетики рассматривается термоядерная энергетика, основанная на использовании ус-тановок типа «ТОКАМАК». Результаты, полученные в ходе реализации Меж-дународной программы строительства реактора ИТЭР и разработки проектных стадий реактора «ДЕМО», дают возможность с большой степенью уверенности говорить о получении в сравнительно недалеком будущем практически неисчерпаемых источников энергии.
Как в быстрых реакторах, так и в «ДЕМО» реакторе, в качестве теплоно-сителя(рабочей среды) используются жидкие металлы. В быстрых реакторах это щелочные металлы (натрий, калий), их сплав натрий-калий или свинец и его сплавы. В реакторе «ДЕМО» в качестве теплоносителя предполагается ис-пользовать литий или сплав литий-свинец. В этом случае примером МГД-устройства, в котором происходят МГД-процессы, является бланкеттермо-ядерного реактора (ТЯР) с жидкометаллическим рабочим телом. Жидкометал-лическая проточная часть (канал) такого бланкета располагается в зоне дейст-вия сильных магнитных полей. Понятно, что при движении жидкометалли-ческого рабочего тела в нем возникают электромагнитные силы, воздейст-вующие на поток.
Для перемещения (перекачивания) теплоносителей (рабочих тел) и обеспе-чения величин их потоков в жидкометаллических системах термоядерных ректоров, реакторов на быстрых нейтронах и сопутствующих им исследова-тельских установках применяются механические насосы, запорно-регулиро-вочная аппаратура и магнитогидродинамические (МГД) машины.
Среди известных жидкометаллических МГД-машин широкоераспро-странение получили индукционные магнитогидродинамические насосы, часто называемые электромагнитными насосам (ЭМН) индукционного типа и МГД-дроссели различных типов.
Благодаря таким преимуществам, как отсутствие движущихся частей, уплот-нений и смазок, МГД-насосы, на сегодняшний день, практически полностью вытеснили механические насосы во вспомогательных жидкометаллических контурах реакторов на быстрых нейтронах.Разрабатываются МГД-насосы для внутриреакторного применения во встроенных фильтрах холодных ловушек реакторной установки БН-1200.Кроме этого,МГД-насосырассматриваются как альтернатива механическим насосам в основных контурах реакторов с жидкометаллическим теплоносителем.
Одной из основных характеристик, регламентирующих использование любо-го устройства в объектах ядерной и термоядерной энергетики, является ресурс, определяемый как наработка устройства от начала эксплуатации до момента перехода в состояние, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима.Это связано с тем, чтопереход объекта в состояние, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима, в подавляющем большинстве случаев приводит к возникновению аварийных ситуаций. Таким образом, разработка МГД-устройств для термоядерных реакторов и МГД-машин для внутриреак-торной эксплуатациивыдвигает на первый план вопросы исследования и повышения ресурса.
Несмотря на длительный период времени, прошедший с начала создания жидкометаллических магнитогидродинамических устройств и машин, к настоя-щему времени нет публикации, аккумулирующей весь опытисследованийресурса этого класса МГД-машин.Таким образом, тема диссертации весьма актуальна.
Автор настоящей диссертации, более 25 лет возглавляет в НИИЭФА иссле-дования в этой области, одновременно активно участвуя во всех этапахсозда-ния МГД-машин и устройств, что позволило ему обобщить в настоящей диссер-тацииуникальный опыт по исследованию и прогнозированию ресурса МГД-техники.
Цель диссертационной работы
Исследованиересурса МГД-машин и устройств с жидкометаллическим рабочим телом, предназначенных дляядерных и термоядерных установок.
Задачи диссертационной работы
разработать методику прогнозирования ресурса МГД-машин, при-меняемых для перемещения теплоносителей и обеспечения величин их потоков в жидкометаллических системах реакторов на быстрых нейт-ронах, термоядерных реакторах и сопутствующих им исследовательских установках;
исследоватьресурс систем изоляции, используемых в МГД-машинах, в условиях, максимально соответствующих реальным условиям их эксплуатации;
разработать предложения по повышению ресурса обмоток МГД-машин за счет создания новых материалов и совершенствования технологических процессов изготовления.
Объект исследований
МГД-машины и устройства с жидкометаллическим рабочим телом, предназначенные для ядерных и термоядерных установок.
Предмет исследования
Ресурс МГД-машин и устройств с жидкометаллическим рабочим телом, предназначенных для ядерных и термоядерных установок.
Научная новизна
Впервые сформулирован и решен комплекс задач, направленных на исследование ресурса МГД-устройств и МГД-машин, в том числе:
разработана методика прогнозирования ресурса МГД-машин,исполь-зуемых для перемещения жидкометаллического теплоносителя вядерных и термоядерных установках, учитывающая процессы старения систем изоляциии технические параметры МГД-машин (размеры канала, напря-жение питания, количество катушек в индукторе, количество витков в катушке);
по результатам теплового и терморадиационного старения систем изоля-ции, используемых в МГД-машинах, определены: энергия активации, электрические прочность и сопротивление витковой и корпусной изоляции, позволяющие прогнозировать ресурс обмоток;
определена взаимосвязь параметров технологическихпроцессов изготовления и электрофизических характеристик систем изоляции.
Научная и практическая значимость
Научная значимость полученных в работе результатов состоит в расширении возможностей расчета характеристик электрофизических установок в частирешения задач прогнозирования ресурса МГД-машин и устройств с жидкометаллическим рабочим телом.
Полученные в диссертационной работе результаты использованы при проектировании и изготовлении МГД-машин для наземных и космических ядерных энергетических установок (КЯЭУ) с реакторами на быстрых нейтронах (БН-800, БН-1200, китайского реактора CEFR, КЯЭУ «Бук»). Кроме
этого, они использовались при проектировании термоядерного реактора ДЕМО и испытательного жидкометаллического модуля бланкета реактора ИТЭР.
На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:
методика прогнозирования ресурса МГД-машин, используемых для пере-мещения жидкометаллического теплоносителя в ядерных и термоядерныхустановках, учитывающая процессы старения систем изоляциии технические параметры МГД-машин;
результаты тепловых и терморадиационных испытаний систем изоляции МГД-машин;
результатыисследований по определению взаимосвязипараметров технологических процессовизготовления и электрофизических характеристик корпусной изоляции МГД-машин.
Обоснованность и достоверность результатов подтверждается: совпадением прогнозных оценок ресурса МГД-машинс данными о наработке, полученными по результатам эксплуатации; экспертизой в Федеральной службе РФ по экологическому, технологическому и атомному надзору, при выдаче разрешения наизготовление электромагнитных насосов для реакторовБН-800, БН-1200.
Апробация работы
Основные результаты диссертации обсуждались на семинарах НИИЭФА, докладывались на 13ом Рижском совещании по магнитной гидродинамике. Разработанные методики прогнозирования и оценки показателей надежности использованы при обосновании ресурса МГД-машин при получении лицензий на разработку МГД-машин для реакторных установок на быстрых нейтронах БН-800 и БН-1200.
Публикации
Результаты работы опубликованы в девяти научных изданиях, включая четырестатьи в рекомендованных ВАК России журналах.
Личный вклад автора
Единолично автором получены приведенные в диссертации аналитические соотношения, численные расчеты, методика прогнозирования ресурса, методы исследований и интерпретация полученных экспериментальных результатов.
При активном непосредственном участии автора (в том числе в соавторстве) получены результаты по исследованиям взаимосвязи параметров технологических процессов изготовления и электрофизических характеристик изоляции обмоток, результаты тепловых и терморадиационных испытаний систем изоляции, разработан и изготовлен образец биметаллического проводника, разработаны новые материалы для системы изоляции
Структура и объем диссертации
Похожие диссертации на Исследование ресурса магнитогидродинамических машин с жидкометаллическим рабочим телом
