Разработка охлаждаемой жидкометаллической капиллярно–пористой системы для теплозащитной облицовки камеры

1.

Национальный исследовательский университет Московский энергетический институт
Кафедра Общей физики и ядерного синтеза
Выпускная квалификационная работа
Разработка охлаждаемой жидкометаллической
капиллярно – пористой системы для теплозащитной
облицовки камеры термоядерной установки
Студент: Коньков Алексей
Группа: ТФ-13-17
Научный руководитель: д.ф-м.н. Будаев В.П.
Москва 2021

2.

Цель и задачи работы
Целью данной работы является разработка и экспериментальное исследование модуля водяного
охлаждения мишени на основе литиевой капиллярно – пористой системы (КПС) в условиях стационарной
плазменной нагрузки мегаваттного масштаба в установке ПЛМ-1 в НИУ МЭИ.
Задачи работы:
Анализ литературы по физико-техническому обоснованию применения жидкометаллических внутрикамерных
компонентов и результатам экспериментальных исследований литиевых капиллярно-пористых систем.
Разработка конструкции модуля жидкостного охлаждения литиевой КПС.
Теплофизический расчёт теплообмена в программном пакете Solidworks Flow Simulation
Испытание модуля литиевой КПС стационарной плазменной нагрузкой на установке плазменный линейный
мультикасп (ПЛМ)
2

3.

Актуальность работы
Перед конструкторами будущих энергетических
термоядерных реакторов остро стоит
материаловедческая проблема, состоящая в высоких
тепловых нагрузках на конструкционные материалы,
контактирующие с пристеночной плазмой.
Большая тепловая нагрузка вкупе с потоками частиц
на стенку приводит к изменению поверхности
теплозащитной облицовки: рекристаллизации,
охрупчиванию, появлению на поверхности
наноструктур.
В связи с этим получили развитие проекты по
альтернативным методам защиты теплонагруженных
внутрикамерных компонентов, таким как
использование капиллярно – пористых систем,
заполненных жидкими металлами. Они обладают
свойствами саморегуляции и самовосстановления
поверхности при воздействии на них большими
тепловыми нагрузками
Вольфрамовый тайл
марки ВМ-П после 1000
импульсов в Т-10
Фотографии со сканирующего
электронного микроскопа, на которых
виден вольфрамовый «пух», полученный
на установках а) NAGDIS-2, б) ПЛМ-1
Для проведения многогранных испытаний литиевых КПС необходимо разработать и испытать литиевые
капиллярно-пористые системы с системой охлаждения.
3

4.

Литиевые капиллярно-пористые системы
Жидкометаллическая КПС
представляет из себя пористый
материал из многослойной
металлической сетки с эффективным
радиусом пор 20-200 мкм,
заполненной жидким металлом,
который удерживается
капиллярными силами. Капиллярные
силы обеспечивают образование,
стабилизацию и однородное
распределение пленки жидкого
металла на поверхности КПС, делая
такую систему саморегулирующейся.
КПС с (а) и без (б) заполнения
литием.
Схема обращённого к плазме
внутрикамерного компонента на
основе КПС с жидким металлом
Экспериментальные исследования на
плазменно-пучковых установках
показали устойчивость
жидкометаллических КПС к высоким
плазменным нагрузкам.
В результате экспериментальных исследований на токамаках, в частности Т-11М была доказана хорошая совместимость Li как
материала – наполнителя КПС с плазмой токамака.
4

5.

Конструкция модуля КПС с охлаждением
Фланец
Диэлектрический
соединитель
Теплообменник
Держатель с КПС
Ввод воды в узел
охлаждения
Стальной участок
трубопровода
Медный участок
трубопровода
Соединительный
стержень
Стальная
прокладка
5

6.

Разработка конструкции модуля КПС
Ширина, мм
40
Высота, мм
40
Диаметр канала, мм
10
Внутренний диаметр
7
трубопровода, мм
Эскиз
теплообменника
Модель
теплообменника
Поперечное
сечение канала
теплоносителя
Эскиз держателя
Модель держателя
Эскиз прокладки
Длина конструкции, мм
610
Геометрические параметры системы охлаждения
Узел крепления между собой частей модуля
6

7.

Теплофизический расчёт водоохлаждаемого
модуля КПС
Граничные условия:
• Удельный тепловой
поток 0,2 – 1 МВт/м2
• Объёмный поток воды на
входе 1 – 2,5 л/мин
• Температура воды на
входе 15℃
• Истечение в атмосферу
• Температура воды не
должна превысить 100 ℃
• Температура КПС
должна быть выше 200 ℃
Слой
расплава
Li
Тепловой
поток
Li КПС
Держатель
Mo
Прокладка
AISI 316
Теплообменник
М1
7

8.

Теплофизический расчёт узла без прокладки
8

9.

Теплофизический расчёт узла без прокладки
9

10.

Теплофизический расчёт узла без прокладки
Определение диапазона рабочих
Распределение поля температур в модуле
параметров
КПС при удельном тепловом потоке 0,9
МВт/м2 и объёмном расходе 2,5 л/мин.
10

11.

Теплофизический расчёт узла с прокладкой
11

12.

Теплофизический расчёт узла с прокладкой
12

13.

Теплофизический расчёт узла с прокладкой
Определение диапазона рабочих
Распределение поля температур в модуле
параметров
КПС при удельном тепловом потоке 0,7
МВт/м2 и объёмном расходе 1,5 л/мин.
13

14.

Экспериментальный стенд
Длина
камеры, м
0.8
Ширина
камеры, м
0.16
Величина
магнитного
поля, мТл
2–5
Плотность
плазмы, м-3
5∙1018
Время
удержания
Стационарный разряд
Тепловой
поток, МВт/м2
0.2 – 1
Рабочий газ
He, Ar
Установка ПЛМ-1
Модель
установки
14

15.

Макет водоохлаждаемой литиевой КПС
Изготовленный и
смонтированный
узел водяного
охлаждения
Монтаж узла
в установку
Вид на
мишень
15

16.

Испытание литиевой КПС без охлаждения
Фотографии модуля КПС без водяного охлаждения при
температурах поверхности а) 300К, б) 450К, в) 550К, г) 600К
Ток
Потенциал
Потенциал
Температура
разряда
катода
образца
образца
Ток из
плазмы на
образец
I, A
U, В
φ, В
t, K
i, A
Давление
гелия в
разрядной
камере
Фотография поверхности
КПС после испытаний
p, Торр
1,25
-175
-40(100% периода)
608
-0,03
0,01
Время плазменного облучения опытного макета образца - 505 минут, гелиевая плазма
16

17.

Испытание литиевой КПС с охлаждением
Фотографии модуля КПС с водяным охлаждением при
температурах поверхности а) 300К, б) 450К, в) 550К, г) 600К
Ток
Потенциал
Потенциал
Температура
разряда
катода
образца
образца
Ток из
плазмы на
образец
I, A
U, В
φ, В
t, K
i, A
Давление
гелия в
разрядной
камере p,
Фотография поверхности
КПС после испытаний
Торр
2,20
- 175
+20 (100%
606
0,5
0,01
периода)
Время плазменного облучения опытного макета - 510 минут, гелиевая плазма
17

18.

Результаты испытаний
• Использование системы охлаждения позволило поднять ток
плазменного разряда ПЛМ в 2 раза (с 1,25А до 2,2А) при поддержании
одинаковой температуры стенки КПС.
• Площади поверхности КПС, с которых был испарен литий, примерно
одинаковы, а объем испаренного материала при использовании
охлаждения в два раза больше. Следовательно, происходит
эффективное передвижение расплавленного лития к лицевой
поверхности в область испарения.
• В результате исследований на оптическом микроскопе повреждений
матрицы КПС (нитей молибденовой сетки) обнаружено не было.
Образец
Вес до
Вес после
Масса
облучен
облучени
испарённого
ия,
я, грамм
материала,
грамм
КПС без
грамм
106,7
106,49
0,21
94,43
94,02
0,41
охлаждения
КПС с
охлаждением
• В опытах без водяного охлаждения и с водяным охлаждением
интенсивности спектральных линий были одинаковыми, что говорит об
одинаковой температуре поверхности в экспериментах с КПС без
охлаждения и с охлаждением. При этом, плотность плазменной
нагрузки в опытах отличалась в 1,76 раз.
• Доказана возможность регулирования процессом испарения лития с
поверхности КПС в плазму.
18

19.

Выводы
• В ходе выпускной квалификационной работы разработан, спроектирован
водоохлаждаемый модуль жидкометаллической капиллярно-пористой системы.
и
экспериментально
исследован
Из анализа литературы и полученных экспериментальных данных выявлена необходимость разработки новых конструкций
жидкометаллических капиллярно-пористых систем, их испытаний стационарной плазменной нагрузкой в течение
нескольких часов.
Разработана конструкция основных узлов водоохлаждаемого модуля литиевой КПС, таких как теплообменник, стальная
прокладка, вводный фланец, гальваническая развязка.
• Проведён численный анализ теплообмена в канале охлаждения в зависимости от плотности теплового потока и объёмного
расхода теплоносителя, определены рабочие режимы эксплуатации модуля КПС в двух конфигурациях – без стальной
прокладки и с прокладкой.
• Проведены сравнительные испытания макетов литиевой КПС без системы охлаждения и с системой охлаждения
стационарной плазменно – тепловой нагрузкой в установке ПЛМ в течении 500 минут. В ходе испытаний плотность
теплового потока на поверхность КПС составляла до 1 МВт/м2. Молибденовая сетка КПС не была повреждена, следов
коррозии и рекристаллизации на материале КПС не обнаружено. В сравнении с модулем КПС без охлаждения были
получены тепловые потоки в 1,76 раз выше, также выявлено более эффективное испарение лития из капиллярно – пористой
структуры.
19

20.

Спасибо за внимание!
Спасибо за
внимание!