| Аннотация |
Россия имеет безоговорочное лидерство по разработке и эксплуатации атомных реакторов на быстрых нейтронах, в которых теплоносителем является жидкий натрий или свинец. Также на долю металлургии России приходится основная часть производимых конструкционных материалов. Обе отрасли широко представлены на Урале и в Пермском крае. Одним из важнейших процессов в них является перекачивание расплавленных металлов. Для перекачивания жидких металлов можно использовать механические центробежные насосы, которые с помощью электродвигателя вращают длинный вал. На конце вала закреплена турбина с лопастями. Она расположена в дисковой камере, погруженной в расплав. Ее вращение приводит к генерации центробежной силы, и, как следствие, перепаду давления, что и используется для перекачивания расплава. Преимущества данной системы в ее простоте и в том, что двигатель расположен наверху в холодной зоне. Такие насосы применяют на первом контуре АЭС [1], где необходимо обеспечить некоторое время работы за счет выбега после аварийного отключения питания. Также их применяют в металлургии [2]. Однако эти насосы имеют ряд недостатков. Во-первых, они могут перекачивать металл только в погруженном состоянии из бака, так как нет возможности обеспечить надежное уплотнение для жидкого металла. Во-вторых, механическое воздействие приводит к быстрому износу движущихся частей. В-третьих, для обеспечения большой производительности скорость вращения должна быть большой, что приводит к кавитации и, как следствие, к вспениванию расплава, потере его свойств и поломке лопастей. Наконец, в-четвертых, на некоторых производствах нет возможности использовать канал из стальных сплавов, поэтому применяют более хрупкие материалы, например, графит, что приводит к быстрым поломкам. В качестве примера приведем Челябинский цинковый завод, для которого механические насосы с графитовым каналом поставлял зарубежный производитель. Сейчас этот завод столкнулся с большой проблемой: импортозамещающие технологии производства турбины из графита для насоса не могут выполнить свою задачу, и завод находится в поиске альтернативной технологии.
Такая альтернативная технология известна достаточно давно. Она основана на том, что расплавленный металл проводит электрической ток, поэтому в нем возможно создать электромагнитную силу для обеспечения перекачивания. Одним из первых, помимо Фарадея [3], обратил внимание на эту технологию А. Эйнштейн [4], в дальнейшем она широко разрабатывалась и применялась как в металлургии [5], так и в атомной отрасли [1]. Электромагнитная сила выражается векторным произведением плотности тока на магнитное поле [6]. По способу возникновения электрического тока в рабочем канале аппарата, различают кондукционные и индукционные насосы. В кондукционных насосах [2,7,8] электрический ток изначально подводится к каналу от внешнего источника, и на канал осуществляется воздействие магнитным полем. Преимущество такого способа в том, что кондукционный насос можно сделать погружным в расплав, используя его как почти полную альтернативу механическому погружному насосу, недостаток — сложно обеспечить большую производительность. В индукционных насосах [9-13] на расплав в рабочем канале действует переменное магнитное поле, которое, вследствие закона электромагнитной индукции, создает вихревой электрический ток. Этот ток и магнитное поле создают электромагнитную силу, выполняющую перекачивающий эффект. Основное преимущество этого способа – полностью бесконтактное воздействие на расплав, недостаток — канал изначально должен быть заполнен расплавом.
Наиболее востребованными оказались цилиндрические линейные индукционные насосы [9,10] (сокращенно ЦЛИН), в которых каналом является цилиндрический трубопровод. На канал надет набор коротких кольцевых обмоток-соленоидов, подключенных к трехфазному источнику питания таким образом, чтобы создать в канале бегущее магнитное поле. Для интенсификации магнитной индукции используют внешний шихтованный (набранный из тонких пластин) ферромагнитный сердечник-ярмо, а в канал помещают цилиндрическую вставку, заполненную ферромагнитным шихтованным пассивным сердечником, превращая цилиндрический канал в щелевой [9,10,13]. Именно такая конструкция индуктора и канала обеспечивает наибольшую производительность ЦЛИН. Характерный размер устройства около метра, а величина щелевого зазора, по которому течет расплавленный металл, от трех до десяти миллиметров. Характерная скорость расплава в канале варьируется от нескольких сантиметров, до нескольких метров в секунду. Насосы на АЭС должны работать несколько десятилетий без замены и обеспечивать сейсмостойкость [1]. Поэтому, главное требование к насосу, помимо обеспечения производительности — надежность и прочность. При приемо-сдаточных испытаниях насосы испытывают, в том числе, на вибростендах, а также при повышенных давлениях, где проверяют герметичность и сохранение формы канала. Это и служит причиной предпочтения именно ЦЛИН в атомной отрасли и металлургии — его конструкция позволяет обеспечить требуемую надежность. ЦЛИН всегда будет востребован для замены выводимых из эксплуатации насосов действующих реакторов БН-600, БН-800, для разрабатываемых и строящихся атомных реакторов БН-1200 и БРЕСТ. В данный момент рассматривается возможность использования ЦЛИН и в качестве главных циркуляционных насосов, где до этого доминировали механические. В частности, в исследовательском реакторе МБИР будут использованы ЦЛИН. Также ЦЛИН рассматривается как безальтернативный вариант для разрабатываемых портативных реакторов, а также реактора космического буксира, перспективных плавающих и летающих транспортных средств, использующих портативные реакторы, термоядерных реакторов. Стоит упомянуть проработки использования ЦЛИН для перекачивания слабопроводящих и непроводящих жидкостей в интересах развития жидкосолевых атомных реакторов с использованием проводящего жидкометаллического движетеля-толкателя. Высокие темпы развития металлургии и переход на импортозамещающие технологии является причиной поиска новых конструкций насосов для жидких металлов. Решается вопрос о модификации технологии производства алюминия, которая основана на применении электромагнитных насосов, развивается производство лития. Это обуславливает высокую актуальность и востребованность электромагнитных насосов в ближайшие годы и десятилетия. В этом направлении есть проблемы, необходимость преодоления которых мотивирует авторов проекта к разработке новых конструкций на основе ЦЛИН.
Проблема 1. Возрастающие требования заказчиков опережают развитие существующих технологий, при этом низкие темпы развития усугубляются утратой компетенций.
Проблема 2. Отсутствие достаточного времени для НИР при разработке новых ЦЛИН.
Проблема 3. Потребность в электромагнитных индукционных насосах для агрессивных жидких металлов, имеющих высокую рабочую температуру.
Проблема 4. Потребность в электромагнитных насосах, которые монтируются на существующий цилиндрический металлопровод, возможно даже действующий, без его разборки.
Проблема 5. Отсутствие азимутальной компоненты силы и, как следствие, азимутальной скорости в канале ЦЛИН.
Решением проблем является ЦЛИН новой разборной конструкции, который будет разработан в рамках проекта. Он будет состоять из ферромагнитных секций, на которые надеты обмотки-соленоиды, отведенные в охлаждаемую зону аппарата. Будут рассмотрены разные способы компоновки секций, замыкания ферромагнетиков для поиска конфигурации, обеспечивающей гомогенизацию распределения электромагнитной силы поперек потока. Для этого в проекте будет разработана и верифицирована математическая модель магнитогидродинамических процессов, происходящих в ЦЛИН. Численно и экспериментально будут решены задачи поиска наилучших конфигураций ЦЛИН, которые обеспечат наиболее эффективный спиральный поток. Также в проекте с помощью этой математической модели будут решаться задачи поиска конструкции ферромагнитного сердечника традиционного ЦЛИН с улучшенным охлаждением, которые позволят применять его при высоких температурах. Рационализация конструкции ферромагнитного сердечника — ключевая задача проекта, т. к. с одной стороны, нужно снизить массу, габариты и обеспечить охлаждение обмоток, с другой стороны, ферромагнетика должно быть достаточно, чтобы обеспечить отсутствие его насыщения.
Научная часть проекта состоит в численном и экспериментальном изучении магнитогидродинамических процессов [6] в ЦЛИН, особенно в его канале. Наибольший интерес представляют турбулентные спиральные течения в цилиндрических и щелевых каналах, их характеристики и устойчивость. В математической модели электродинамическая часть задачи будет описываться системой уравнений Максвелла. Гидродинамическая часть задачи будет описываться уравнением Навье-Стокса и неразрывности поля скорости, при этом для описания турбулентности будет использована LES модель. Все трехмерные многопроцессорные многовариантные расчеты будут выполнены в пакете Ansys (Emag+APDL, Fluent+UDF). Для экспериментальных исследований в распоряжении авторов имеется галлиевый контур и ультразвуковой доплеровский анемометр [14], который позволит получить эволюцию профилей скорости в канале макетного образца ЦЛИН. Это позволит в том числе надежно верифицировать математическую модель. Также имеется натриевый испытательный стенд, на котором можно изучить производительность ЦЛИН в более интенсивных режимах и проверить его устойчивость к высокой температуре. Для регистрации магнитных полей будут использоваться магнитометры LakeShore. Управление сбором данных будет реализовано с помощью плат National Instruments в программной среде LabView. Практическая часть проекта заключается в создании макетного образца ЦЛИН, опытной проверки на стенде и его патентовании. Бюджет проекта и время, отведенное на его выполнение, позволяют выполнить данные работы. Для раннего старта есть запасы материалов, мастерские со станочным парком, договора и связи с организациями по услугам лазерной и гидроабразивной резки. Результаты проекта будут обсуждаться на встречах с потенциальными заказчиками и на конференциях, в том числе Российской конференции по магнитной гидродинамике (2024, Пермь), в организации которой активно участвуют члены коллектива проекта.
Изучаемые интенсивные турбулентные спиральные потоки чрезвычайно интересны и с точки зрения фундаментальной науки. Именно они лежат в основе динамо-эффекта, ответственного за генерацию магнитных полей планет, звезд и галактик [15]. Проведены исследования этих процессов на тороидальном канале с натрием [16-18]. Также авторами были изучены спиральные электровихревые течения [19-20]. В проекте есть уникальная возможность оценить возможность реализации эффекта с помощью ЦЛИН новой конструкции. Важной частью проекта является сотрудничество с одним из ведущих в мире специалистом в области изучения спиральных течений и турбулентности Ефимом Голбрайхом [21-23]. Его выдающиеся компетенции необходимы для решения задач изучения спиральных течений в канале и их турбулентных характеристик. Одной из важнейших частей проекта является анализ турбулентных спектров, что необходимо для корректного моделирования гидродинамических процессов и является одной из специализаций Ефима Голбрайха. Полученные результаты будут опубликованы с его участием. Важным является его участие в образовательной части проекта — циклы лекций будут прочитаны для аспирантов и магистров ПФИЦ и ПНИПУ. Следует отметить имеющийся опыт совместных исследований участников проекта с Ефимом Голбрайхом именно при измерении характеристик турбулентного течения [24,25], а также генерации и эволюции вихревых течений [26-28].
Список литературы:
1. Архипов В.М. Техника работы с натрием на АЭС. М.: Энергоатомиздат, 1986. 136 с.
2. Верте Л.А. Электромагнитный транспорт жидкого металла. М.: Металлургия, 1965. 120 с.
3. Faraday M. Bakerian Lecture Series (January 12, 1832) // Phil.Trans.Roy.Soc., 15, 1832.
4. Einstein A., Szillard L. Pump especially for refrigerating machines // British patent 126947, December, 1919.
5. Повх И.Л., Капуста А.Б., Чекин Б.В. Магнитная гидродинамика в металлургии // М.: Металлургия, 1974, 240 с.
6. Брановер Г.Г., Цинобер А.Б. Магнитная гидродинамика несжимаемых сред. М.: Наука, 1970. 379 с.
7. Долгих В., Денисов С., Колесниченко И., Хрипченко С. Электромагнитный насос для электропроводных жидкостей // Патент РФ № 2325023. Приоритет от 04.10.2006. Зарегистрирован в Гос.реестре изобретений РФ 20.05.2008
8. Denisov S., Dolgikh V., Khripchenko S., Kolesnichenko I. Electrovortex centrifugal pump // Magnetohydrodynamics. 2016. V. 52, P. 25-33.
9. Лиелпетер Ю. Индукционные МГД машины для жидкого металла. Рига: Зинатне, 1969. 246 с.
10. Вольдек А. Индукционные магнитогидродинамические машины с жидкометаллическим рабочим телом. Ленинград: Энергия, 1970. 271 с.
11. Khripchenko S., Khalilov R., Kolesnichenko I., Denisov S., Galindo V., Gerbeth G. Numerical and experimental modelling of various MHD induction pumps // Magnetohydrodynamics. 2010. V. 46. P. 85-97.
12. Denisov S., Dolgikh V., Khalilov R., Kolesnichenko I., Khripchenko S. The MHD travelling magnetic field pump for liquid magnesium // Magnetohydrodynamics. 2013. Vol. 49, No. 1-2. P. 223-229.
13. Khalilov R., Kolesnichenko I. Annular linear induction pump for liquid sodium // Magnetohydrodynamics Vol. 51 (2015), No. 1, P. 95–103.
14. Losev G., Kolesnichenko I. The influence of the waveguide on the quality of measurements with ultrasonic Doppler velocimetry // Flow measurement and instrumentation. 2020, v. 75, p. 101786.
15. Соколов Д., Степанов Р., Фрик П. Динамо на пути от астрофизических моделей к лабораторному эксперименту // Успехи физических наук, 2014, т. 184, с. 313-335.
16. Noskov V., Denisov S., Stepanov R., Frick P. Turbulent viscosity and turbulent magnetic diffusivity in a decaying spin-down flow of liquid sodium // Physical Review E, American Physical Society (APS). 2012, 85.
17. Khalilov R., Kolesnichenko I., Stepanov R. Magnetic field advection in liquid sodium flow in toroidal channel // Magnetohydrodynamics. 2013, 49, 73-80.
18. Verhille G., Khalilov R., Plihon N., Frick P., Pinton J.-F. Transition from hydrodynamic turbulence to magnetohydrodynamic turbulence in von Karman flows // Journal of Fluid Mechanics. 2012, 693, P. 243-260.
19. Kolesnichenko I., Frick P., Eltishchev V., Mandrykin S., Stefani F. Evolution of a strong Electrovortex flow in a closed cell // Physical Review Fluid, 2020, 5, 123703.
20. Frick P., Mandrykin S., Eltischev V., Kolesnichenko I. Electro-vortex flows in a cylindrical cell under axial magnetic field // Journal of Fluid Mechanics, 2022, 949, A-20.
21. Stepanov R., Golbraikh E., Frick P., Shestakov A. Hindered energy cascade in highly helical isotropic turbulence // Phys. Rev. Lett. 2015, v. 115, p. 234501.
22. Elikashvili A., Gedalin M., Golbraikh E. The initial vortex aloft and helical structure near the
surface // Physics of Fluids. 2017, 29, 026602.
23. Stepanov R., Golbraikh E., Frick P., Shestakov A. Helical bottleneck effect in 3D homogeneous isotropic turbulence // Fluid Dynamics Research. 2017, V.50, №1, 011412.
24. Kolesnichenko I., Pavlinov A., Golbraikh E., Frick P., Kapusta A., Mikhailovich B. The study of turbulence in MHD flow generated by rotating and traveling magnetic fields // Experiments in Fluids. 2015, 56:88.
25. Golbraikh E., Kapusta A., Tilman B., Kolesnichenko I. The effect of structural parameters on the process of metal stirring by rotating magnetic field // Magnetohydrodynamics. 2012, 48, P. 77-82.
26. Kolesnichenko I., Mamykin A., Golbraikh E., Pavlinov A. Temperature correlation method application to the problem of measuring the flow rate of liquid sodium // Magnetohydrodynamics. 2021, 57, P. 547-557.
27. Мамыкин А. Д., Халилов Р. И., Гольбрайх Е., Колесниченко И. В. Применение магнитного препятствия для генерации пульсаций при расходометрии жидкометаллического теплоносителя, основанное на принципе температурных корреляций// Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. - 2023. - № 3. - С. 17-28.
28. Озерных В.С., Лосев Г.Л., Гольбрайх Е., Колесниченко И.В. Начальная стадия формирования вихревого течения в индукторе с вращающимися встречно магнитными полями // Вычислительная механика сплошных сред. – 2023. – Т. 16, № 4.
|
