Исследование ресурса магнитогидродинамических машин с жидкометаллическим рабочим телом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.13, кандидат технических наук Чайка, Павел Юрьевич

• Чайка, Павел Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Чайка, Павел Юрьевич

Введение.

Глава 1 Состояние исследований по прогнозирования ресурса МГД-машин.

1.1 Применение МГД-машин и устройств в ядерных и термоядерных установках.!.

1.2 Обзор литературы по прогнозированию ресурса МГД-машин.

1.3 Методика и метрологическое обеспечение экспериментальных исследований.

Выводы.

Глава 2 Исследование ресурса МГД-машин.

2.1 Методика оценки ресурса.

2.2 Оценка ресурса по результатам эксплуатации в ядерных установках.

2.3 Исследование ресурса МГД-устройств для термоядерных установок.

Выводы.

Глава 3 Исследование влияния теплового и терморадиационного старения на характеристики системы изоляции индукторов МГД-машин.

3.1 Макетирование элементов индукторов.

3.2 Исследование влияния теплового старения на электроизоляционные характеристики обмотки.

3.3 Ресурсные терморадиационные испытания макетов.

3.4. Влияние проводника на ресурс системы изоляции.

Выводы.

Глава 4 Исследование влияние состава материалов и технологии изготовления обмоток индукторов МГД-машин на ресурс.

4.1 Особенности конструкций МГД-машин, систем изоляции и используемые материалы.

4.2 Взаимосвязь технологических режимов изготовления и характеристик корпусной изоляции.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование ресурса магнитогидродинамических машин с жидкометаллическим рабочим телом»

Принятые в последние годы программы социально-экономического развития России включают в себя пересмотр стратегии развития энергетики в сторону значительного повышения вклада ядерно-энергетических источников энергии в общую программу развития источников энергии.

В качестве одного из направлений развития атомной энергетики определено увеличение количества атомных электростанций (АЭС) с реакторами на быстрых нейтронах. Такие реакторы позволяют не только значительно расширить сырьевую базу АЭС, но и параллельно с выработкой энергии воспроизводить сырье для повторного использования в реакторах того же типа.

В качестве еще одного перспективного направления развития энергетики рассматривается термоядерная энергетика, основанная на использовании установок типа «ТОКАМАК». Результаты, полученные в ходе реализации Международной программы строительства реактора ИТЭР и разработки проектных стадий реактора «ДЕМО», делают возможным с большой степенью уверенности говорить о получении в сравнительно недалеком будущем практически неисчерпаемых источников энергии.

Как в быстрых реакторах, так и в «ДЕМО» реакторе в качестве теплоносителя (рабочей среды) используются жидкие металлы. В быстрых реакторах это жидкие щелочные металлы (натрий) и их сплавы (сплав натрий-калий) или свинец и его сплавы. В реакторе «ДЕМО» в качестве теплоносителя предполагается использовать жидкие литий или сплав литий-свинец. В этом случае примером МГД-устройства, в котором происходят МГД-процессы, является бланкет термоядерного реактора (ТЯР) с жидкометаллическим рабочим телом. Жидкометаллическая проточная часть (канал) такого бланкета располагается в зоне действия сильных магнитных полей. Понятно, что при движении жидкометаллического рабочего тела в 3 нем возникают электромагнитные силы, воздействующие на поток.

Среди известных жидкометаллических магнитогидродинамических (МГД)-машин широкое распространение получили МГД-насосы, часто называемые «электромагнитные насосы (ЭМН)» индукционного типа и МГД-дроссели различных типов.

МГД-насосы применяются, главным образом, для перемещения (перекачивания) теплоносителей (рабочих тел) в жидкометаллических системах термоядерных реакторов, реакторов на быстрых нейтронах и сопутствующих им исследовательских установок.

Благодаря таким преимуществам как отсутствие движущихся частей, уплотнений и смазок МГД-насосы, на сегодняшний день, практически полностью вытеснили механические насосы во вспомогательных жидкометаллических контурах реакторов на быстрых нейтронах, разрабатываются МГД-насосы для внутриреакторного применения в встроенных фильтрах холодных ловушек реакторной установки БН 1200, МГД-насосы незаменимы в космических ядерных энергоустановках (КЯЭУ) кроме этого, они рассматриваются как альтернатива механическим насосам в основных контурах реакторов с жидкометаллическим теплоносителем.

МГД-дроссели, в ряде случаев, являются безальтернативными устройствами для регулирования величин потоков жидкометаллических рабочих тел, например в системах подачи в электрореактивные двигатели, системах транспортирования теплоносителя в отмеченных выше встроенных в реактор фильтрах холодных ловушек и т.п.

Теоретические основы индукционных МГД-машин, основные проблемы их изготовления и эксплуатации рассмотрены в трудах видных российских и зарубежных ученых Г.А. Баранова, А.И. Вольдека, В.А. Глухих, И.Р. Кириллова, Я.Я. Лиелпетера, Н.М. Охременко , A.B. Тананаева и др.

Разработка МГД-машин для внутриреакторной эксплуатации и перспектива их применения в основных контурах ядерных и термоядерных реакторов 4 выдвигает на первый план вопросы повышения их надежностных характеристик, в частности, увеличения такой характеристики как ресурс, являющийся одной из основных характеристик, регламентирующих использование любого устройства в объектах атомной энергетики.

Несмотря на длительный период времени, прошедший с начала создания жидкометаллических МГД-машин и устройств, к настоящему времени нет публикации, аккумулирующей опыт исследований по повышению ресурса и разработке методик определения надежностных характеристик МГД-машин.

Цель диссертационной работы

Исследование ресурса МГД-машин и устройств с жидкометаллическим рабочим телом, предназначенных для ядерных и термоядерных установок.

Задачи диссертационной работы:

• разработать методику оценки и прогнозирования ресурса МГД-машин, применяемых для перемещения теплоносителей и обеспечения величин их потоков в жидкометаллических системах реакторов на быстрых нейтронах, термоядерных реакторов и сопутствующих им исследовательских установок;

• исследовать ресурс систем изоляции, используемых в МГД-машинах, в условиях, максимально соответствующих реальным условиям их эксплуатации;

• разработать предложения по повышению ресурса обмоток МГД-машин за счет создания новых материалов и совершенствования технологических процессов изготовления.

Предмет исследований

МГД-машины и устройства с жидкометаллическим рабочим телом, предназначенные для ядерных и термоядерных установок.

Научная новизна

Впервые сформулирован и решен комплекс задач, направленных на исследование ресурса МГД-устройств и МГД-машин, в том числе:

• разработана методика прогнозирования ресурса МГД-машин, используемых для перемещения жидкометаллического теплоносителя в ядерных и термоядерных установках, учитывающая процессы старения систем изоляции и технические параметры МГД-машин (размеры канала, напряжение питания, количество катушек в индукторе, количество витков в катушке);

• по результатам теплового и терморадиационного старения систем изоляции, используемых в МГД-машинах, определены: энергия активации, электрические прочность и сопротивление витковой и корпусной изоляции, позволяющие прогнозировать ресурс обмоток;

• определена взаимосвязь параметров технологических процессов изготовления и электрофизических характеристик систем изоляции.

Научная и практическая значимость

Научная значимость полученных в работе результатов состоит в расширении возможностей расчета электрофизических установок в части решения задач прогнозирования ресурса МГД-машин и устройств с жидкометаллическим рабочим телом.

Полученные в диссертационной работе результаты использованы при проектировании и изготовлении МГД-машин для наземных и космических ядерных энергетических установок (КЯЭУ) с реакторами на быстрых нейтронах (БН-800, БЫ-1200, китайского реактора СЕБЯ, КЯЭУ «Бук»). Кроме этого, они использовались при проектировании термоядерного реактора ДЕМО и испытательного жидкометаллического модуля бланкета реактора ИТЭР.

На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:

• методика прогнозирования ресурса МГД-машин, используемых для перемещения жидкометаллического теплоносителя в ядерных и термоядерных установках, учитывающая процессы старения систем изоляции и технические параметры МГД-машин;

• результаты тепловых и терморадиационных испытаний систем изоляции МГД-машин;

• результаты исследований по определению взаимосвязи параметров технологических процессов изготовления и электрофизических характеристик корпусной изоляции МГД-машин.

Обоснованность и достоверность результатов подтверждается совпадением прогнозных оценок ресурса МГД-машин и оценок ресурса, полученных по результатам эксплуатации и экспертизой в Федеральной службе РФ по экологическому, технологическому и атомному надзору, при выдаче разрешения на изготовление электромагнитных насосов для реакторов БН-800, БН-1200.

Апробация работы и публикации

Основные результаты диссертации обсуждались на семинарах НИИЭФА, докладывались на 13 Рижском совещании по магнитной гидродинамике. Разработанные методики прогнозирования и оценки показателей надежности использованы при обосновании ресурса МГД-машин при получении лицензий на разработку МГД-машин для реакторных установок на быстрых нейтронах БН-800 и БН-1200. Результаты работы опубликованы в 9 научных изданиях, включая пять статей в рекомендованных ВАК России журналах.

Личный вклад автора

Единолично автором получены приведенные в диссертации аналитические соотношения, численные расчеты, методика прогнозирования ресурса, методы исследований и интерпретация полученных экспериментальных результатов. При активном, непосредственном участии автора, в том числе в соавторстве, получены результаты оптимизации технологических процессов изготовления обмоток, результаты тепловых и терморадиационных испытаний.

Заключение диссертации по теме «Электрофизика, электрофизические установки», Чайка, Павел Юрьевич

Выводы

Проведено исследование влияния состава материалов и технологии изготовления обмоток ЭМН на их электроизоляционные характеристики.

Проведен анализ свойств имеющихся на сегодняшний день элементов систем жаростойких систем изоляции, сделан выбор возможных жаростойких элементов. Для рабочей температуры до 650 °С предпочтительнее использовать обмоточный провод ПОЖ-700, ниже 450 °С - провод ПОЖ. Наиболее приемлемыми материалами для корпусной изоляции являются промышленные слюдопласты ИФГ-КАХФ и ИЖФФА с алюмохромфосфатным (СПФ) или нитратным связующим (СПН).

Проведены исследования по оптимизации технологии создания жаростойких систем изоляции из выбранных элементов. В результате исследований разработаны следующие рекомендации, обеспечивающие стабильные электрические характеристики систем изоляции. При создании конструкции изоляции на СПФ и СПН в зависимости от условий и сроков хранения, требуется корректировка содержания влаги и послойное нанесение связующего материала. Электрическая прочность материала зависит от скорости термообработки, состава газовой среды, окружающей изоляцию в процессе изготовления и давления прессования в диапазоне 0-1 МПа

Заключение

Решен комплекс задач, посвященных исследованиям ресурса МГД-машин и устройств, в том числе:

• разработана методика прогнозирования ресурса МГД-машин, используемых для перемещения жидкометаллического теплоносителя в ядерных и термоядерных установках, учитывающая процессы старения систем изоляции и технические параметры МГД-машин (размеры канала, напряжение питания, количество катушек в индукторе, количество витков в катушке

• по результатам теплового и терморадиационного старения систем изоляции, используемых в МГД-машинах, определены характеристики, позволяющие прогнозировать ресурс изоляции.

• определены рациональные параметры технологических процессов изготовления корпусной изоляции обмоток МГД-машин для ядерных и термоядерных установок.

В заключение автор считает своей приятной обязанностью и долгом выразить глубокую и сердечную благодарность всем лицам и организациям, оказавшим содействие и поддержку при работе над настоящей диссертацией.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Чайка, Павел Юрьевич, 2012 год

1. Глухих В.А., Таианаев A.B., Кириллов И.Р. Магнитная гидродинамика в ядерной энергетике. -М.: Энергоатомиздат, 1987. -264 с.

2. Гельфгат Ю.М., Горбунов Л.А., Витковский И.В. Магнитогидро-динамическое дросселирование и управление жидкометаллическими потоками. Рига: Зинатне, 1989. - 312 с.

3. Глухих В.А. Физико-технические основы управляемого термоядерного синтеза: Учебное пособие. / В.А. Глухих, В.А. Беляков, А.Б. Минеев. -СПб.: Изд-во Политехи. Ун-та, 2006. 348 с,

4. Михайлов В. Н. Литий в термоядерной и космической энергетике XXI века /. В.Н. Михайлов, В.А. Евтихин, И.Е.Люблинский, A.B. Вертков, А.Н. Чумаков. М.: Энергоатомиздат, 1999. - 528 е.,

5. Kirillov I. R. Electrical insulation development for liquid metal systems of fusion reactors /1. R. Kirillov, N. D. Kraev, V. P. Ostapenko, A. E. Rusanov, I. V. Vitkovsky // Proc. of the First International Workshop on Liquid Metal

6. Blanket Experimental Activities. Paris, France: CEA, Headquarter, 1997. -P. 158-161,

7. Vitkovsky I.V. Neutronic, thermal-hydraulic and stress analysis of RF lithium cooled test blanket module for ITER / I. V. Vitkovsky, M. M. Golovanov, V. A. Divavin et al. // Fusion Engineering and Design. 2000. - Vol. 49 - 50. -P. 703-707,

8. Vitkovsky I. V. Some ways of reducing MHD-pressure drop in self-cooled liquid metal blankets / I. V. Vitkovsky, I. R. Kirillov, A. P. Ogorodnikov,iV

9. N. D. Kraev, A. E. Rusanov, V. S. Shorkin // Abstracts "11 International conference of fusion reactors materials". Kyoto, Japan, 2003. - P. 94.,

10. Абхази В.В., Малыхин А.И., Рыбин И.В. Надежность жидкометаллических индукционных МГД-машин.- М: «Энергия», 1972 .- 103 с.

11. РД-50-560-89. Методические указания. Надежность в технике. Методы оценки показателей надежности по экспериментальным данным.

12. Гольдберг О.Д. Качество и надежность асинхронных двигателей. -М.;Энергия,1968.- 173 с.

13. Оснач Р., Яманов С. Испытание жаростойкой изоляции на срок службы // Электротехническая промышленность. -1967. Вып. 295. - С. 12-14.

14. Маламедов И.М. Физические основы надежности. -М.: Энергия, 1970. -152 с.

15. Тютин И.А. Электромагнитные насосы для жидких металлов. Рига.; Издательство Академии Наук Латвийской ССР, 1959. - 115 с.

16. Глухих В.А. Состояние и перспективы разработки индукционных насосов для перекачивания щелочных металлов.- Седьмое Рижское совещание по магнитной гидродинамике. МГД- машины и устройства. Т.2.- Рига.; Зинантне, 1972, С.7-8.

17. Болотин В.В. Ресурс машин и конструкций. М.; Машиностроение, 1990.

18. Надежность и эффективность в технике. Справочник в 10 томах. Том 10. Справочные данные по условиям эксплуатации и характеристикам надежности. М.: Машиностроение, 1990. - 320 с.

19. Гендель Ю.В. ,Гольдберг О.Д., Хазановский П.М. Математические модели для оценки вероятности совпадения дефектов в изоляции обмоток электрических машин.//Электротехника.-1976.-N 12. с.35-37.

20. Гендель Ю.В. ,Гольдберг О.Д., Хазановский П.М. Математические модели для оценки вероятности совпадения дефектов в изоляции обмоток электрических машин.// Электротехника.-1976.-N 12. с.35-37.

21. Красильщиков Б.Р., Харитонов Е.В. Статистическая модель пробоя диэлектриков, содержащих слабые места// Электричество.-1979.-N 7. с.21-25.

22. Быков В.М., Глебов И.А. Научные основы анализа и прогнозирования надежности генераторов. -JL: Наука, 1984.- 252 с.

23. Paloniemi P. Theory ob Equalization of thermal ageing Processes of Electrical Insulating Materials in thermal endurance tests IEEE Transactions on Electrical Insulating vol EI-16.-N1. -February. -1981.-P. 1-17.

24. Иерусалимов М.Е., Ильенко О.С. Математическая модель многофакторного старения высоковольтной изоляции //Электричество.-1979.-N 7.-С. 28-31.

25. Беляев Ю.К., Горелкина E.H., Дудкин В.М. и др. Контроль надежности с использованием индивидуального прогнозирования надежности изделия.// Электронная техника -1978. -Серия 8. Вып. 4. -С. 88.

26. Преснов Ю.Л. Ионизационные явления в якорной изоляции низковольтных машин. Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического совещания «Новые разработки и исследования в области электрической изоляции».- Ленинград. -1975. С. 36-38

27. Бойцов К.А. и др. Расчет срока службы электрических машин малой мощности. Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического совещания «Новые разработки и исследования в области электрической изоляции».- Ленинград. -1975. С. 39-45

28. Боев М.А., Брагинский Р.П., Пешков И.Б. Вероятностная физическая модель старения низковольтных проводов и кабелей. // Электротехника -1982. -N4. -С. 52.

29. Тучинский A.M. Разработка и исследование изоляции асинхронных электродвигателей с полузакрытым пазом с длительной рабочей температурой 600.С. Нагревостойкая изоляция электротехнического оборудования. Труды ВЭИ, выпуск 82. М: Энергия, 1976 С.82-85

30. Котеленц Н.Ф., Кузнецов H.JI. Испытания на надежность электрических машин. М.: Высшая школа, 1988. - 231 с.

31. Ваксер Н.М., Витковский И.В., Ревякин Ю.Л., Чайка П.Ю. Исследования по выбору оптимальных конструкций и технологии изготовления жаростойких обмоток// Электротехника, 2006, № 3, С.42-48.

32. Витковский И.В., Данилин В.Г., Игнатов В.Г и др. Вопросы создания электромагнитных насосов для ядерной энергетики // Атомная энергия, 1988, т.64, вып.6, С. 415-419.

33. Витковский И.В., Ревина Н.И. Титова A.C., Харченков И.Г. Окисление обмоточных проводов из меди и ее сплавов при высоких температурах // Вопросы атомной науки и техники, сер. «Электрофизическая аппаратура», т.71, вып.5, 1991, С.455-458.

34. Данилин В.Г., Витковский И.В., Кириллов И.Р., Неверов В.А., Чайка П.Ю. Исследование электрической прочности изоляции при терморадиационном старении // Атомная энергия, 1989, том 67, вып. 5, С.338-341

35. Чайка П.Ю. Инженерная оценка надежности ЭМН. // Тезисы докладов 13 рижского совещания по магнитной гидродинамике. Рига. 1990, т. 2, С. 101-102

36. Витковский И.В., Кириллов И.Р., Чайка П.Ю., Крючков Е.А., Поплавский В.М., Носов Ю.В., Ошканов Н.Н. Оценка надежности электромагнитных насосов по результатам их эксплуатации //Атомная энергия, 2007, т. 102 (вып.2), С. 104-109.

37. Аснович Э.З., Колганова В.А. Высоконагревостойкая электрическая изоляция. -М.: Энергоатомиздат, 1988 г.- 363 с.

38. Николаева JI.B., Борисенко А.И. Тонкослойные стеклоэмалевые и керамические покрытия. JL: Наука, 1980.- 216 с.

39. IEC 60505 Evaluation and qualification of electrical insulation systems.

40. Чайка П.Ю. Применимость функций безопасности ядерного реактора к термоядерному реактору // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Термоядерный синтез. 1993,- вып. 1-2. С.9-12

41. Будников П.П., Хорошавин Л.Б. Огнеупорные бетоны на фосфатных связках. -М.; Металлургия, 1971.- 192 с.

42. Гольенко-Вольфсон В.Л., Сычев М.М., Судакач Л.Г., Скобко Л.М. Химические основы технологии применения фосфатных связок и покрытий.-М.: Промиздат, 1968.- 191 с.

43. Дудеров Г.Н. Огнеупоры. М.: Промиздат, 1964. -382 с.

44. Г. Шефе. Дисперсионный анализ.-М.: Наука, 1980. 512 с.

45. Н. Дрейпер, Г. Смит .Прикладной регрессионный анализ. М.: Финансы и статистика, 1987. - 252 с.51. 50-SG-D1. Руководство МАГАТЭ по безопасности.

46. Багиров М.А., Халидов З.Г., Малин В.П. Связь между изменениями диэлектрических характеристик полимерных диэлектриков и энергетическими параметрами разряда. //Электронная техника (материалы) 1983.-Вып.4( 177). С. 18-22

47. Тодт Ф. Коррозия и защита от коррозии.-Л.: Химия, 1967. 848 с.

48. Wozard G.P., Spalaris C.N., Corrosion of stainless steels and deposition of particularities in flowing sodium system.- GEAP, 1969. P. 135

49. Reliability and availability report of joint review session. February 20-March 17, 1989, ITER-IL-3-9-2. P. 37

50. L. C. Cadwallader , S.J. Piet. Failure rate screening for fusion reliability and risk analysis// 1989,, ITER-IL-4-8-7. P. 120

51. Мантров М.И. Элементарная теория теплового пробоя // Электричество. -1951. -N 7. -С.61.

52. Агапов А.С. Опыт применения некоторых методов статистической оценки надежности промышленных изделий.- Д.: ЛДНТП, 1971.- 148 с.

53. Tables for the ordinates and probability of the distribution of the correlation coefficients in small samples. By F.N. David Cambridge: At the university Press, 1954. P. 216

54. Митенков Ф.М., Новинский Э.Г., Будов B.M. Главные циркуляционные насосы АЭС. - М.: Энергоатомиздат, 1990.- 376 с.

55. IEC 61857-1. Electrical insulation systems. Procedures for thermal evaluation. Part 1 : General requirements

56. IEC 60216-1 Electrical insulating materials. Properties of thermal endurance. Part 1 : Ageing procedures and evaluation of test results

57. P. Chaika, V.Danilin, I.Kirillov, V.Osipov .Reliability and Safety Estimates of ITER Liquid Metal Cooled System (LMCS) // Plasma Device and Operations. -1994- Vol.2, No 3-4. P. 311-317

58. Chaika, V. Danilin, M. Krivosheev, Yu. Prokofiev, S.Butorin, A.Epifanov, V.Brikov. Approach for Fusion Reactor Safety and Fusion Safety Works in Russia // Journal of Fusion Energy. 1993 - vol.12, No 1-2. P. 133-137.

59. ТУ3492-088-00281915-2008 Слюдопласт гибкий жаростойкий марки ИФГКА-АС

60. ТУ2312-010-23354769-2008 Композиция органосиликатная термостойкая марки ОС-82-05 АС

61. ТУ2311-529-05763441-2008 Лак кремнийорганический КО-916 для АЭС

62. Design Description Document (DDD) Russian Li/V self-cooled Test Blanket Module D.V. Efremov Scientific Research Institute of Electrophysical Apparatus STC "Sintez" St. Petersburg, Russia 2005. P. 133

63. Бородулина Л.К. Особенности термостарения обмоток электромагнитных насосов при высоких температурах в воздушной среде / Л.К. Бородулина, Н.М. Ваксер, И.В. Витковский, А.С. Титова // Электротехника. 1990. - № 12. - С. 28 - 31.

64. Эйнштейн А. О движении взвешенных в покоящейся жидкости частиц, требуемом молекулярно-кинетической теорией теплоты. / А. Эйнштейн. Собрание научных трудов, т. 3. М. : Наука, 1966, С. 108 117.

65. Жирифалько Л. Статистическая физика твердого тела. М.: Мир, 1975, 382 с.

66. Самсонов Г.В.-редактор. Свойства элементов, часть 1. Физические свойства. Справочник. М. : Металлургия, 1976, 600 с.с/