Магнито-гидродинамические аспекты создания защитных устройств термоядерных реакторов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

РГб од

4 п 6-ХАРЬКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

I и ¡/¡/ы

На правах рукописи.

Поклонский Евгений Васильевич

МАГНИТО-ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СОЗДАНИЯ ЗАЩИТНЫХ УСТРОЙСТВ ТЕРМОЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ

01.04.08 - ФИЗИКА И ХИМИЯ ПЛАЗМЫ-

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.

Харьков - 1993

. Работа выполнена в Харьковском инженерно-строительном института и Харьковском филиале отдаления магнотодинамики и теплофизики ОНТП АН Украины

Научные руководители - доктор физико-математических наук,

профессор Панчэнко Иван Петрович - кандидат физико-математических наук Бернштам Владимир Аронович. Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук,

профессор Владимиров В.В. (Институт физики АН Украины) ' доктор физико-математических наук Куклин В.М. (Харьковский государственный университет)

Ведущая организация ИРЭ АН Украины

Защита состоится мая 1993г. в /^часов на заседании специализированного Совета Д.053.06.01 Харьковского государственного университета <310108, г.Харьков, пр.Курчатова, 31 ауд- N 301) С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке ХГУ.

Автореферат разослан " Ч"' .. ] ддзг.

Ученый секретарь специализированного совета, доцент НЬ У В.И.Лапшин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы, В настоящее время ведутся интенсивные исследования в области управляемого термоядерного синтеза. Характерной особенностью разрабатываемых термоядерных установок является большие тепловые .нагрузки на конструктивные элементы. Во многих проектах для зашиты наиболее напряженных в тепловом отношении участков предполагается применение жидких металлов .. для создания самовозобновляющихся поверхностей, защитных завес и т.д., принимающих на себя потоки энергии. Существует по крайней мере три основных типа таких систем: с пленками жидкого металла, стекающими по подложке, со свободно, падающими пленками или струями и с потоками капель. Имеются предложения по защита лимитера или пластин диверггора токамака стекающзй по неа пленкой жидкого металла; существуют предложения по защите первой стенки импульсного лазерного термоядерного реактора жидкометаллической пленкой. Весьма широк спектр предложений по использованию струйних и капельных жидкометалличёских защит в будущих термоядерных установках. Так в одном из проектов термоядерной установки на релятивистских электронных пучках (РЭП) рассматривался вариант с применением кидкометаллического защитного устройства, получившего название "бланкет-магнит". . Оно представляет собой систему жидкометалличёских струй сложного сеченияю, по которым пропускается электрический ток. и предназначенного как для обеспечения транспортировки РЭП к мишени, так и для защиты

_ ц _

первой стенки реакторной камеры и наработки трития. Существуют и другие предложения по использованию' струпных и пленочных жидкокеталлических' течений. Жидкометаллические токонесущиэ струи кругового сечения применяются в электрических коммутаторах большой мощности, используемых, в частности, в униполярных генераторах тока, а также в ряде технологических процессов химической промышленности и металлургии.

Во всёх этих приложениях течение пленок и струй происходит в магнитном поле (внешнем или. индуцированном), в условиях протекания по пленкам и струям тока (приложенного извне, вызванного термо-з.д.с., возникшей вследствие неоднородности температуры и контакта разнородных металлов), в контакте с плазмой. В некоторых из них магнитное толэ является необходимой составной частью установки, в других - применяется ' для стабилизации и управления движением электропроводной жидкости. В первом случае движений жидаометэлличвскоя пленки осуществляется по пластинам специальных устройств - дивертора или диафрагмы. Во втором - по стенке реакторной камеры. Для создания работоспособных установок необходимо знать условия потери устойчивости ламинарного течения пленки, зависимость параметров течения (толщина . пленки, форма свободной поверхности) от внешних условий, характеристики возникающего при определенных условиях волнового режима течения, возможность управления параметрами течения с помощью приложенных магнитного поля и/или тока. В технологических устройствах и процессах с использованием струй 'важным является сплошность струя и сохранение ими своей формы. Разрушение струй в результате развития неустойчивостей приводит к невозможности осуществления

технологического процесса, а существенные деформации сечения струй приводят к отклонениям параметров процесса от номинальных. Все это стимулировало большой интерес к этой области магнитной гидродинамики.

Цель работы. Целью настоящей диссертационной работы является теоретическое исследование некоторых магнито гидродинамических аспектов создания защитных • устройств термоядерных реакторов. К ним, в частности, относится устойчивость слоя электропроводной жидкости и ламинарного течения пленки электропроводной жидкости, стекавшей по твердой подложке (пластине дивертора или лимитера, первой стенке лазерного импульсного термоядерного реактора), во внешнем постоянном магнитном поле, в частности, при наличии контакта с плазмой; исследование влияния МГД эффектов на переходный участок установления однородного течения; исследование влияния внешнего магнитного поля на форму свободной поверхности пленки. Кроме того в диссертации исследованы устойчивость систем плоских струй жидкого метахта (бланкет-магнит импульсного термоядерного реактора) и МГД неустойчивости жидкометаллических струй круглого сечения с учетом некоторых особенностей физических свойств токопроводящея жидкости.

Научная новизна. В работе впервые рассмотрено влияние контакта с плазмой на устойчивость ламинарного течения пленки электропроводной жидкости. Впервые исследование устойчивости токонесущих струй проведено с учетом намагниченности проводящая магнитной жидкости и зависимости

поверхностного натяжения жидкого металла от температуры. Исследовайа не рассматривавшаяся ранее неустойчивость системы плоских струй с чередующимися токами.

Научная и практическая ценность результатов. Полученные в работе результаты определяют ряд параметров необходимых при проектировании систем защиты > энергонапряженных участков перспективных энергоустановок, сильноточных коммутаторов, ресурсосберегающих установок для металлургии. На основании проведенных исследований разработан ряд технических предложений, защищенных тремя авторскими свидетельствами. Полученные в работе в рамках линейной теории результаты дают возможность построения нелинейной теории волн на поверхности пленки жидкого металла, текущей в магнитном пола в контакте с плазмой.

Основные положения выносимые на защиту.

1.Исследовано влияние контакта с плазмой на устойчивость жидкометаллической пленки в магнитном поле. Установлено, что контакт с плазмой стабилизирует жидкометаллическую пленку, текущую по пластине дивертора

2.Исследовано влияние магнитных свойств электропроводной жидкой среды на устойчивость струи с током. Показано, что токонесущая струя магнитной жидкости более устойчива чем аналогичная струя жидкого металла.

3.Определен инкремент неустойчивости системы жидкометалличёских плоских токонесущих струй.

4¿Исследовано влияние термотоков на устойчивость неизотермических пленок жидкого металла в магнитном поле. 5.Исследовано влияние термокапилярных эффектов на устойчивость жидкометаллической струи с током. Показано, что для жидкого металла зависимость поверхностного натяжения от температуры несущественна.

Основные результаты работы докладывались на трех всесоюзных И одной международной конференциях и опубликованы в 14 печатных работах; по материалам работы сделано три изобретения.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав основного'текста с рисунками, заключения и списка литературы. Общий объем работы 110 страниц машинописного текста.

.Во введении кратко описаны некоторые защитные устройства термоядерных реакторов с использованием пленочных и струйных МГД-течений; обоснована актуальность исследования пленочных и струйных МГД-течений. Показана общность явлений при исследовании струйных и пленочных течений, обуславливающая общность уравнений и методов их решения. Сформулирована цель диссертационной работы и основные положения •выносимые на зашиту.

Первая глава диссертации посвящена изучению некоторых особенностей пленочных МГД течения жидкого металла. В разделе 1.1 приведены основные уравнения и граничные условия,

применяемые при исследовании течения и устойчивости жидкометаллических пленок. В разделе 1.2 исследовано влияние МГД эффектов на Длину участка установления однородного течения пленки. Получено уравнение, описывающэе форму свободной поверхности пленки проводники жидкости в гидравлическом приближении. Показано, что установление установившегося ламинарного течения пленки происходит на расстоянии нескольких десятков ^олшин установившегося течения. В раздела 1.3 получено уравнение, описывающее форму свободной поверхности шиэнки проводяшрй жидко-, га в неоднородном магнитном пола в гидравлическом пу: ^лишении.- В качестве примера приведена форма свободной поверхности в периодически.меняющемся магнитном поле и в постоянном поле с периодической малой добавкой. В разделе 1.4 рассмотрено влияние контакта с плазмой на устойчивость пленки проводящей жидкости, стекающей по наклонной плоскости в однородном магнитном поле. Учтено влияние нормального к свободной поверхности жидкого металла электрического поля, возникающего в дебаевском слое, а также влияние давления ионов. Получен инкремент развития неустойчивости. Показано, что контакт с плазмой стабилизирует ламинарное течение планки. В разделе 1.5 исследуется устойчивость неподвижной пленки проводящей жидкости в магнитном поле при контакте с плазмой в аналогичной постановке. . Получен инкремент развития неустойчивости. Показано, что контакт с плазмой стабилизирует поверхность слоя жидкости. В разделе ). 6 исследуется устойчивость ноизотермической неподвижной пленки проводящей жидкости, в однородном магнитном поле. Учтено влияние на устойчивость термотоков, возникающих в реакторной камере

вследствие неоднородности температуры и контакта разнородных металлов (термо з.д.с.). Получен инкремент развития неустойчивости.

Вторая глава диссертации посвящена изучению некоторых особенностей МГД течений плоских струй жидкого металла. В разделе 2.1. исследовалось магнитное поле бланкета-магнита импульсного термоядерного рэактора на РЭП -системы жидкометаллических струй- с токами сложной формы сечения. Построен алгоритм численного расчета магнитного поля блэнката-магнита для струй произвольного сечения. Для дальнейших опенок получено аналитическое выражение для нахождения магнитного поля в случае, когда границы сечения струи совпадают с координатными' линиями в цилиндрической системе координат, в разделе 2.2. Исследуется динамика разрушения системы струй. Вследствие взаимодействия токов, протекающих в струях, с магнитным полем струи "разлетаются", деформируются и радиус бланкета-магнита увеличивается. Определено "время жизни" бланкета-магнита - время, в течение которого бланкет-магнит сохраняет работоспособность. В разделе 2.3 при помощи модельной системы периодически расположенных плоских струй с чередующимися по направлению токами исследуются МГД-неустойчивости йдашсетз-магнита. Получен инкремент пе{втяжечной ■ МГД неустойчивости системы плоских жидкомотэллических струй с токами. В этом же разделе на основе модельной периодической системы бесконечно широких струй с чередующимися по направлению токами исследуется Рэлвй-Тейлоровская неустойчивость, приводящая к разбиению широкой

-Ю-

струи на отдельные струйки кругового сечения. Подучен инкремент неустойчивости.

В третьей главе . диссертации рассматриваются МГД неустойчивости жидкометалличёских струи круглого сечения с учетом некоторых особенностей физических свойств электропроводной жидкости. В разделе 3.1 инкремент неустойчивость струи получен для проводящей магнитной жидкости с током, т.е. учтена зависимость инкремента от магнитных свойств струи. Показано, . что струя магнитной жидкости более устойчива, чем аналогичная жидкометаллическая струя. В разделе 3.2 инкремент неустойчивость струи получен с учетом зависимости поверхностного натяжения от температуры. Показано, что для жидкометаллической струи учет зависимости Поверхностного натяжения от температуры не играет существенной роли.

В заключении кратко сформулированы основные выводы и результаты диссертационной работы, намечены основные пути развития исследование.

Основные результаты диссертации опубликованы в 17 печатных работах, включая три изобретения.

1. Поклонский Е.В., Элькин &.И. Об устойчивости системы токонесущих струй с . чередующимися по направлению токами.-Магнитная гидродинамика, 1932, № 4, с.39-45.

2. Бернштам В.А., Поклонский Е.В., Элькин Л.И. Устойчивость токонесущей струи проводящей магнитной жидкости. - Магнитная

гидродинамика,-1984, №3, с.11-14.

3. Баранов Г.Д., Бернштам В.А., Каган Д.Н., Козырев C.B., Минеев Г.В., Морозова В.И., Поклонский Е.В., Элькин А.И. Условия стабильности течения пленки электропроводной жидкости в магнитном поле и анализ деформации системы токонесущих струя. В кн.: Одиннадцатое Рижское совещание по магнитной гидродинамике. т.1. Общие и теоретические вопросы МГД. Тезисы докладов, Саласпилс, 1984.

4. Баранов Г.Д., Бернштам В.А., Минеев Г.В., Морозова В.И., Новиков Н.И., Поклонский Е.В., Элькин А.И. Нестационарные гидродинамические процэссы в токонесущих струях и ждкометаллическом контуре бланкета-магнита импульсного термоядерного реактора.- Доклады 3— Всесоюзной конференции по инженерным проблемам управляемого -термоядерного синтеза, Т.4, Ленинград, 1984.

5. Бернштам В.А., Поклонский Е.В., Элькин' А.И. Влияние термотоков на устойчивость пленки жидкого металла, находящегося , на проводяшрй подложке во внешнем магнитном поле.- Магнитная гидродинамика, 1986, №4, с.139-141.

6. Баранов Г.Д., Бернштам В.А., Минеев Г.В., Поклонский Е.В., Элькин А. И. Исследование устойчивости системы жидкометалчических струй с токами.- Магнитная гидродинамика,

1986, № 4, с.98-101.

7- Бернштам В.А., Поклонский Е.В., Элькин А.И. Опенка душны переходного участка жидкометаллической пленки, стекающей по наклонной плоскости в магнитном поле.- Магнитная гидродинамика,

1987, If 4, с. 124-128.

,8.. Бернштам В.А., Поклонский Е.В., Сизоненко В.Л. Об

устойчивости поверхности жидкометаллического лимитера в горячей плазме.- Магнитная,гидродинамика, 1987, tí 4, с.37-40.

9. Поклонскии Е.В. О форма свободной поверхности жидкометаллической пленки, стекающей по наклонной плоскости в неоднородном магнитном поле.- Магнитная гидродинамика, 1988, № 4, с.131-133.

10. Берендеев С.Н., Бернштам В.А., Каган Д.Н., Поклонскии Е.В., Шпильрайн Э.Э. Оценка влияния термотоков на течение пленки жидкого металла по первой стенке реактора при магнитной стабилизации. Тезисы докладов 4— Всесоюзной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов, Ленинград, IS88.

11. Бернштам В.А., Панченко И.П., Поклонскии Е.В, Исследование влияния контакта с плазмой на устойчивость капилярных волн на поверхности проводящей жидкости в магнитном поле.- Магнитная гидродинамика, 1990, № 3, с.121-123.

12 Берендеев O.A., Бернштам В.А., Каган Д.Н., Козырев C.B., Поклонскии Е.В. Жидкометаллическая пленочная защита первой стенки реакторной камеры импульсного термоядерного реактора с магнитной стабилизацией. Жидкие металлы в термоядерной энергетике. Труда ЦКТИ, № 264, 1990.

13. Берендеев С.А., Бернштам В.А., Каган Д.Н., Козырев C.B., Поклонский ■ Е.В. Концепция' стабилизации магнитным полом жидксметаляической пленки защиты первой стенки импульсного термоядерного реактора. Препринт ИВТАН N7-338, M.: 1992, 28с.

14. Bernshtsm V.A., Gekht G.M., -Kozirev S.V., Poklonsky E.V.,Kagan D.Ñ., Krechetova G.A.Grindberg G.I. Laser thermonuclear reactor chamber with magnetic stabilisation of liquid metal defence film.- In the book "MHXi Processes to

Protection oi Environment", Ukrain 1992, Part 2, p.217-218.

15. Бернштам В.А., Дворчик C.E., Поклонения E.B., Элькин А.И. Струйное токосъемное устройство. A.c. N 1168034.

16. Бернштам В.А., Дворчик С.Е., Шклонский Е.В., Элькин А.И. Способ вывода частиц и энергии из диверторной камеры. A.c. . N 12794i6.

17. Баранов Г.Д., Бернштам В.А., Дворчик С.Е., Дронник Л.М., Минеев Г.В., Новиков Н.И., Поклонский Е.В., Элькин А.И. Камера импульсного термоядерного реактора."A.c. N 1345915.