Heat Transfer Investigation at Liquid Metal Flowing in Fusion Reactor Conditions

Abstract

Исследуется эффект, обнаруженный при опускном течении жидкого металла (ЖМ) в вертикальной трубе и канале прямоуголь-ного сечения в поперечном и компланарном магнитном поле (МП) соответственно. В испытательных модулях бланкета (ИМБ) -прототипах бланкета демонстрационного термоядерного реактора (ТЯР ДЕМО), предназначенных для эксперимен-тального исследования в ИТЭР, жидкие металлы одновременно выполняют следующие функции: воспроизводство трития (бри-дер); теплоноситель; замедлитель и размножитель нейтронов. Указанный подход к экспериментальной отработке конструктор-ских решений продиктован тем, что в большинстве разрабатываемых в настоящее время проектов бланкетов ТЯР ДЕМО пла-нируется использование жидких металлов, прокачиваемых по трубам и/или прямоугольным каналам в поперечном магнитном поле. Постановка экспериментов, напрямую моделирующих течение ЖМ в условия работы ИМБ ИТЭР и/или бланкетов ДЕМО (облучение термоядерными нейтронами, циклический температурный режим и магнитное поле порядка 4-10 Тл), в настоящее время не реализуема из-за отсутствия оборудования, способного воспроизвести одновременно перечисленные факторы воздей-ствия термоядерной плазмы. По этой причине используется итерационный подход к экспериментальной оценке работоспособ-ности конструкторских решений для трактов ЖМ -моделирование одного или двух одновременно указанных факторов. Та-ким образом, исследования, результаты которых изложены в данной статье, являются достаточно актуальными. Эксперименты выполнены на базе ртутного магнитогидродинамического (МГД) стенда, входящего в состав объединённого МГД -комплекса МЭИ-ОИВТ РАН. Проведены измерения полей температур в условиях двухстороннего и одностороннего обогрева, получены данные по полям осреднённой температуры, распределениям температуры стенки, статистическим пульсационным характери-стикам. Обнаружено существенное влияние встречной термогравитационной конвекции (ТГК) на осреднённые и пульсацион-ные величины. Развитие ТГК в условиях МП приводит к появлению низкочастотных пульсаций аномально высокой интенсив-ности, в несколько раз превышающей турбулентный уровень. Этот эффект проявляется в широкой области режимных парамет-ров. Подтверждено, что низкочастотные пульсации легко проникают в стенку, поэтому требуется дальнейшее исследование обнаруженного эффекта, в частности, с точки зрения усталостной прочности стенок тракта ЖМ.Ключевые слова: жидкий металл, магнитная гидродинамика, теплообмен, термогравитационная конвекция, пульсации темпе-ратуры. This article investigates the phenomenon which was found out in the conditions of liquid metal (LM) downward flow of in vertical pipe and rectangular duct in transversal and coplanar magnetic field respectively. In some projects of ITER test blanket modules (TBM) and corresponding DEMO blanket concepts the LMs are planned to be used for the following functions: 1) tritium breeding, 2) coolant, 3) neutrons multiplier and moderator. In the most TBM projects liquid metals flow through tubes and rectangular ducts in transversal magnetic field. However the ex...

Evaluation of Temperature Fluctuations Influence on the Structure of Tokamak-Reactor Liquid Metal Blanket Module

“…Для исследования структуры потока в одном поперечном сече-нии применялся рычажный зонд со сферическим шарниром [9]. Более детально экспериментальная установка и результаты исследований теплообмена в этой конфигурации описаны в [6,7]. В данной работе основное внимание направлено на изучение влияния высокоамплитудных пульсаций, наблюдавшихся в эксперименте, на материал и конструкцию стенки теплообменника.…”

“…Теплообмен в этих условиях происходит под воздействием поперечного магнитного поля [3] и сил плавучести [4]. Экспериментальные результаты, полученные на моделях, приведены в [5][6][7]. Эти данные показывают, что для нисходящего потока в определённом диапазоне характерных параметров развиваются высокоамплитудные колебания температуры, которые связаны с вторичными крупномасштабными вихрями в потоке, вызванными совместным влиянием сил плавучести и электромагнитных сил.…”

Peculiarity of the Heat Transfer of Liquid Metal Downward Flow in Vertical Duct in Coplanar Magnetic Field

“…В одной из последних наших работ [5] рассматривалось опускное течение в трубе и канале прямоугольного сечения с соотношением сторон 3/1. В этих конфигурациях МГД-потока при однородном по длине каналов и неоднородном в сечении (одностороннем) обогреве обнаружен эффект сильного влияния ТГК.…”