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».
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.
«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.
