Теплофизические свойства лиофобных капиллярно-пористых систем и разработка защитных устройств на их основе

Природа лиофобных капиллярных эффектов, несмотря на внешнюю простоту самих явлений, известных более века, до сих пор изучена недостаточно для практической реализации в виде энергетических устройств различного функционального назначения.

Возрастающий интерес к лиофобным капиллярно-пористым системам объясняется также следующими обстоятельствами:

• особенностями протекания процессов взаимодействия в системе «лиофобная жидкость — капиллярно-пористая матрица» (ЛЖ-КПМ), где заметную, а часто и определяющую роль играют поверхностные явления;

• уникальностью физических и теплогидравлических свойств системы;

• перспективами создания на их основе нового поколения пассивных защитных устройств.

Нынешний этап развития ядерной энергетики неразрывно связан с совершенствованием АЭС с целью повышения их безопасности. Концепция энергоблоков третьего поколения предусматривает достижение более высокого уровня безопасности при снижении расчетных частот повреждения активной зоны и аварийных выбросов в основном за счет [1]:

• выполнения основных функций безопасности разнопринципными системами (активными и пассивными);

• наличия в составе систем безопасности элементов и устройств прямого действия;

• оптимального совмещения системами АЭС функций безопасности и нормальной эксплуатации.

Основным направлением решения поставленной задачи является дальнейшее развитие свойств самозащищенности АЭС в первую очередь путем сочетания активных систем безопасности и пассивных защитных устройств (ПЗУ). Наиболее плодотворно реализацию данного направления планируется осуществить при разработке нового поколения быстрых реакторов типа БН и БРЕСТ [2].

ПЗУ имеют ряд преимуществ перед традиционными активными устройствами, так как их срабатывание происходит на основе естественно протекающих процессов и независимо от работы других устройств, в первую очередь, энергоисточников. Эффективность использования ПЗУ может быть проиллюстрирована результатами работы [3], в которой показано, что ввод пассивных устройств аварийной защиты для быстрого реактора БГВЯ (Япония) снижает вероятность развития тяжелых аварий практически на два порядка.

В настоящее время в ряде стран (Япония, США, Франция, Россия и др.) проводятся поисковые исследования по разработке эффективных ПЗУ различного функционального назначения, срабатывающих на различных физических эффектах [3, 4, 5]. Все возрастающий интерес к ПЗУ объясняется их способностью просто, наглядно и эффективно решать вопросы защиты ядерного реактора и технологического оборудования РУ и, следовательно, повышения безопасности АЭС в целом.

Несмотря на большое количество предложенных технических решений ПЗУ, срабатывающих на различных, традиционных для РУ, физических эффектах (температурное расширение, плавление, точка Кюри и др.), не созданы универсальные конструкции, в полной мере удовлетворяющие требованиям обеспечения безопасности ядерной энергетики. Наибольшую трудность представляет необходимость обеспечения весьма жестких требований к надежности срабатывания ПЗУ, находящихся в крайне тяжелых эксплуатационных условиях РУ, поскольку их несрабатывание может привести к аварии, а ложное срабатывание — к останову РУ и, следовательно, к простою и существенным экономическим потерям.

Прогресс в разработке ПЗУ нового поколения во многом связан с использованием новых прорывных технологий. Выполненный анализ научно-технических и патентных источников показал, что к данным технологиям с полным основанием можно отнести нетрадиционные для атомной энергетики так называемые «интеллектуальные» технологии эффекта памяти формы (ЭПФ) [6] и лиофобных капиллярно-пористых систем (ЛКПС).

Проведенный анализ позволил выявить ряд перспективных технических решений на основе ЭПФ, которые могут найти применение в устройствах различного назначения атомной энергетике [6, 7]. Данный факт обусловлен уникальным комплексом физико-механических свойств, обеспечивающих низкую инерционность, пороговость, генерацию значительных усилий. Вместе с тем, на данном этапе разработки создание ПЗУ для ЯЭУ на их основе весьма проблематично из-за слабой изученности, прежде всего температурной и радиационной стойкости сплавов с ЭПФ. Вне реакторов использование данного типа устройств представляется крайне перспективным.

Эффективность использования ЛКПС при разработке ПЗУ объясняется тем, что они, также обладая уникальными физическими свойствами, крайне мало чувствительны к эксплуатационным факторам ЯЭУ (уровень температуры, флюенс нейтронов).

Объектом исследования работы является сложная гетерогенная система, состоящая из капиллярно-пористой матрицы и лиофобной, то есть несмачивающей матрицу жидкости, предметом исследования — теплофизические свойства лиофобной системы и характеристики пассивные защитные устройства на их основе.

В связи с выше сказанным можно сделать вывод, что изучение теплофизических свойств ЛКПС является весьма актуальной задачей, поскольку именно на их основе проводится научно-техническое обоснование возможности использования ЛКПС в качестве нового типа рабочего тела для устройств различного функционального назначения, в том числе пассивных защитных устройств. Актуальность разработки ПЗУ обусловлена необходимостью повышения безопасности эксплуатации экологически опасных объектов атомной энергетики и других отраслей промышленности.

Настоящая работа является фундаментально-поисковым проблемно-ориентированным исследованием, поскольку направлена, с одной стороны на изучение фундаментальных теплофизических свойств ЛКПС и, с другой стороны, исследуются те свойства (дилатометрия, термодинамика, сжимаемость и др.), которые использованы для создания нового поколения пассивных защитных устройств.

Целью работы является изучение теплофизических свойств лиофобных капиллярно-пористых систем и разработка на их основе пассивных защитных устройств для повышения безопасности ЯЭУ и экологически опасных объектов.

В соответствии с поставленными целями необходимо решить следующие задачи:

• обобщить данные по свойствам компонент ЛКПС (жидкости, пористые матрицы, контактные углы);

• систематизировать и проанализировать данные по теплогидравлике лиофобной жидкости в пористых структурах;

• изучить основные закономерности влияния температуры и давления на свойства ЛКПС;

• вывести формулы для описания поведения основных термодинамических функций ЛКПС;

•разработать, изучить характеристики и обосновать работоспособность пассивных защитных устройств по температуре и давлению.

Исследования и анализ результатов работы выполнены с использование следующих методов:

• размерного анализа;

• физического, имитационного моделирования;

• регрессионного анализа;

• экспертной оценки.

Достоверность результатов подтверждена проверкой адекватности разработанных моделей с помощью экспериментальных данных, а также совпадением полученных зависимостей с известными, в том числе, в предельных случаях.

Научная новизна обосновывается следующими положениями:

• получена и экспериментально обоснована модель дилатометрии при плавлении ЛКПС;

• впервые получены соотношения, описывающие закономерности эффективного температурного коэффициента объемного расширения (ТКОР) ЛКПС;

• впервые получена математическая модель эффективной изотермической сжимаемости ЛКПС;

• показано, что изучаемые фундаментальные свойства ЛКПС количественно (а для ТКОР и качественно) отличаются от соответствующих свойств компонент;

• разработан и обоснован новый тип ПЗУ по уровню температуры, функционирующий на основе эффекта гипердилатометрии при плавлении в ЛКПС;

• предложен, обоснован и защищен патентом Российской Федерации № 2 187 742 «Компенсатор давления герметичной емкости с жидкостью» новый тип ПЗУ по уровню давления, работающий на основе высокой эффективной сжимаемости ЛКПС.

Практическая ценность и внедрение результатов исследования:

• получены закономерности, связывающие теплофизические свойства лиофобных систем с характеристиками лиофобной жидкости, пористой матрицы и величиной контактного угла;

• результаты проведенных исследований могут быть использованы для синтеза ЛКПС с заранее заданными теплофизическими свойствами;

• на основе изученных свойств ЛКПС предложены и разработаны пассивные защитные устройства по давлению и температуре для перспективных ЯЭУ;

• разработаны модели, обосновывающие термодинамические характеристики лиофобных аккумуляторов механической и тепловой энергии.

• результаты по характеристикам лиофобных ПЗУ могут быть использованы в других областях науки и техники, например, в тепловой энергетике, химической промышленности, трубопроводном транспорте, космической энергетике.

Автор защищает:

• метод, математическую модель и результаты моделирования эффективного температурного коэффициента объемного расширения ЛКПС;

• модель дилатометрии при плавлении лиофобных систем;

• полученные зависимости эффективной изотермической сжимаемости ЛКПС;

• термодинамические модели характеристик лиофобных аккумуляторов механической и тепловой энергии;

• результаты расчета характеристик лиофобных ПЗУ по уровню температуры для РУ типа БН-800 и БРЕСТ-ОД-ЗОО;

• конструкцию и характеристики лиофобных пассивных компенсаторов давления.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы доложены на международных и российских конференциях:

1. Совещание технического комитета МАГАТЭ «Методы и коды для теплогидравлического расчета топливных сборок, поглощающих элементов и активных зон быстрых реакторов», Обнинск, 1998.

2. Конференция «Безопасность АЭС и подготовка кадров», Обнинск, 1998.

3. Конференции «Космические технологии и их приложения» (8ТА1Р-98), (8ТА1Р-99), Альбукерк, США.

4. Конференция Космическая энергетика XXI века (Ядерный Аспект) 8РЕ-ХХ1−98, Обнинск-Подольск, 1998.

5. IV Всероссийская конференция «Физикохимия ультрадисперсных систем», Обнинск, 1998.

6. 10 международная конференция ядерного общества России, Обнинск. 1999.

7. Отраслевая конференция Теплофизика-99 «Гидродинамика и безопасность АЭС», Обнинск, 1999.

8. Научные сессии МИФИ-2000, МИФИ-2002.

9. II Международное совещание по использованию энергоаккумулирующих веществ в экологии, машиностроении, энергетике, транспорте и в космосе. 2001.

Основные результаты работы опубликованы в 10 печатных работах и ряде препринтов и отчетов о НИОКР. Объем работы.

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения. Диссертация изложена на 151 странице текста, куда входит 36 рисунков, 14 таблиц, список литературы, включающий 116 наименований, в том числе 19 работ автора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ВЫВОДЫ.

1. Объектом исследования работы является сложная гетерофазная система, состоящая из капиллярно-пористой матрицы и лиофобной, то есть несмачивающей матрицу жидкостипредмет исследования — теплофизические свойства ЛКПС и пассивные защитные устройства на их основе.

Изучение теплофизических свойств ЛКПС является весьма актуальной задачей, поскольку они обладают рядом уникальных особенностей и на их основе возможна разработка устройств различного функционального назначения, в том числе пассивных защитных устройств. Актуальность разработки нового типа ПЗУ обусловлена необходимостью повышения безопасности эксплуатации экологически опасных объектов атомной энергетики и других отраслей промышленности.

2. В ЛКПС помимо традиционной работы сжатия — расширения совершается еще один вид работы, обусловленный изменением поверхности раздела фаз капиллярно-пористая матрица — лиофобная жидкость. Вклад поверхностной компоненты в основные термодинамические функции (Фп) зависит как от свойств жидкости (Фп-сг^ДТ^ -Тпл) для жидких металлов), так и от характеристик матрицы (ФП~П). В ЛКПС с удельной поверхностью.

2 «У О.

С>уд"2−10 м /см и галлием в качестве лиофобной жидкости поверхностная компонента внутренней энергии втрое выше объемной.

3. Лиофобные капиллярно-пористые системы обладают свойством гипердилатометрии при плавлении. Относительное изменение объема (у) ЛКПС определяется в основном величиной открытой пористости (П) матрицы и П представлено в виде модели улс = ——- + уж — уус, где уус — величина усадки при кристаллизации, уж — дилатометрия лиофобной жидкости при плавлении. При открытой пористости П>0,05 вклад выхода из пор лиофобной жидкости в изменение объема ЛКПС становится преобладающим.

4. Тепловое расширение в лиофобных системах также имеет ряд существенных отличий. В ЛКПС проявляется еще один механизм — заполнение (освобождение) порового пространства, обусловленное температурной зависимостью величины поверхностного натяжения лиофобной жидкости. Знак и величина эффективного ТКОР ЛКПС, обусловленные изменением объема порового пространства, определяются впервые полученным соотношением.

3 3.

Рп=——¦

Для простых жидкостей da/dTO, т. е. и рп<0. Поскольку г3 — г23 су.

IPn^Px" то ЛКПС с простыми жидкостями будут сжиматься с ростом температуры, а не расширяться, как традиционные вещества.

5. Впервые получена математическая модель, связывающая величину эффективной изотермической сжимаемости с параметрами компонент ЛКПС (геометрии пор, глубины заполнения, пористости, поверхностного натяжения, величины угла смачивания) и внешними условиями (температура, давление). Полученная модель приближенно представлена в виде соотношения к.- —-Г-Т.

П + 1 2a|cos (p|.

Величина эффективной изотермической сжимаемости ЛКПС с жидкими металлами даже при радиусах пор г=10 нм значительно (на два порядка) выше, чем сжимаемость непосредственно лиофобной жидкости. Лиофобные системы с цилиндрическими монопорами при достижении давления Лапласа обладают бесконечно большим коэффициентом эффективной изотермической сжимаемости.

6. Уникальные теплофизические и термодинамические свойства обуславливают интерес к использованию ЛКПС в энергетических устройствах различного функционального назначения, в том числе пассивных защитных устройствах для ЯЭУ.

7. Термодинамические особенности ЛКПС дают возможность разработки нового типа аккумуляторов, перспективных и в качестве аварийных источников энергии. Лиофобные аккумуляторы (ЛА) являются теплогидравлическими, т. е. способны накапливать как механическую (гидравлическую), так и тепловую энергию. Отношение накапливаемой механической энергии к тепловой (а) в ЛА do с простыми жидкостями определяется соотношением, а а/Т dT.

Для ЛА с жидкими металлами, а «—— -1. В области низких температур

Тпл<�Т<0,5Ткр ЛА аккумулируют преимущественно механическую энергию, в высокотемпературной (0,5Ткр<�Т<�Ткип) — тепловую. Удельная энергоемкость ЛА с матрицей, обладающей С2ул~2−103 м2/см3 и галлием в качестве рабочей жидкости составит -300 кДж/л, что соответствует величине энергоемкости перспективных серно-натриевых аккумуляторов.

8. На основе эффектов сверхсжимаемости и отрицательного температурного коэффициента объемного расширения ЛКПС преложен лиофобный пассивный компенсатор давления (ЛКД) для герметичных емкостей с жидкостью. Разработана математическая модель устройства, достоверность преложенной модели обоснована экспериментально на макете. Функционирование ЛКД не приводит к разгерметизации емкости с жидкостью, что особенно важно при хранении токсичных, радиоактивных, взрывчатых, пожароопасных, а также дорогостоящих жидкостей. Предложенное устройство защищено патентом Российской Федерации № 2 187 742 «Компенсатор давления герметичной емкости с жидкостью».

9. На основе эффекта гипердилатометрии ЛКПС разработаны пассивные устройства останова по уровню температуры для быстрых реакторов типа БН-800 и БРЕСТ-ОД-ЗОО. Показано, что рассматриваемые устройства имеют ряд преимуществ перед известными, например, магнитными (пороговость, низкая чувствительность к эксплуатационным факторам).

На основе моделей, описывающих тепловые, гидравлические, силовые и термодинамические свойства ЛКПС, разработана методика расчета характеристик ПУОР. Адекватность методики расчета подтверждена результатами испытаний макета ПУОР для РУ типа БН на жидкометаллическом стенде в условиях, моделирующих изменение температуры теплоносителя в случае аварийной ситуации.

Выполненные расчетно-экспериментальные исследования в обоснование ПУОР для реактора типа БН-800 показали, что в качестве лиофобного температурочувствительного вещества целесообразно использовать алюминий (магний) и характеристики перспективных рабочих элементов обеспечивают пассивную аварийную остановку реактора в случае запроектной аварии до начала кипения натрия.