книги из ГПНТБ / Бесконтактный контроль потока жидких металлов

Кжидким металлам, применяемым в качестве теплоносителей

ввысокотемпературных энергетических установках, предъявля­ ются разнообразные требования. Они должны обладать воз­ можно большей теплоемкостью и теплопроводностью. Малая вязкость обусловливает турбулентное течение, обеспечивающееэффективное перемешивание жидкого металла и тем самым улуч­ шающее передачу тепла.

Чем меньше вязкость и плотность жидкого металла, тем меньше необходимая мощность насосов, создающих движение металла. Высокая температура теплоносителя должна обеспечи­ вать высокую температуру и давление водяного пара во вторич­ ном контуре. Кроме того, теплоносители должны иметь незначи­ тельное сечение захвата нейтронов.

Из щелочных металлов наибольшее применение в энергетике нашли натрий, калий и литий.

Натрий и калий выделяются среди других жидкометаллических теплоносителей тем, что, имея хорошие теплофизические па­ раметры, они наименее агрессивны по отношению к большинству конструкционных материалов по сравнению с литием [11, 12].

Натрий (Na) — порядковый номер 11, атомный вес 22,99 — имеет сравнительно малое сечение поглощения тепловых нейтро­ нов, равное 0,49 барн. Объемная плотность натрия практически понижается по линейному закону с увеличением температуры от 928 кг/м3 при 100° С до 780 кг/м3 при 700° С. Удельное электри­

новалентен. При нагревании на воздухе или в кислороде образу­ ется смесь окиси Na2 0 (ниже 160° С) и перекиси Na 2 0 2 (при избытке кислорода и более высокой температуре). При темпера­ туре около 200° С натрий начинает поглощать водород, образуя гидрид. С водой энергично взаимодействует уже при комнатной температуре. Является энергичным восстановителем.

Натрий плавится при температуре 97,3° С. Высокая электро­ проводность и низкая температура плавления делают натрий очень удобным для проведения научно-исследовательских работ при разработке и экспериментальной проверке МГД-устройств> предназначенных для работы в замкнутых контурах.

Калий (К) — химический элемент первой группы, порядко­ вый номер 19, атомный вес 39,1. Природный калий состоит из трех изотопов: К 3 9 (93,08%), К 4 0 (0,0119%) и К 4 1 (6,76%).

Поперечное сечение поглощения тепловых нейтронов атомом калия (природная смесь) \,97 барн.

Химически калий очень активен. На воздухе быстро окисля­ ется (при нагревании загорается), поэтому его обычно хранят под слоем бензина, керосина, минерального масла. Бурно взаи-

І

содействует с водой даже при очень низких температурах. Легко соединяется, особенно при нагревании, с галогенами, серой, селе­ вом, фосфором. С водородом при низких температурах калий практически не реагирует. Азот не взаимодействует с калием д а ж е под давлением и при нагревании до высоких температур, поэтому атмосфера азота используется в качестве защитной при работе с жидким калием.

Благодаря низкой температуре плавления (63,7° С) и сравни­ тельно высокой температуре кипения (760° С) калий, хотя и усту­ пает натрию по некоторым теплотехническим параметрам, при­ меняется в энергетических и технологических установках. Объемлая плотность калия, вязкость и электропроводность несколько меньше соответствующих физических параметров натрия.

Большой интерес в качестве жидкометаллического теплоноси­ теля представляет близкий к эвтектическому сплав калия и нат­

•основные параметры жидкометаллических МГД-устройств. Объемная плотность сплава 872 кг/м3 при 20° С и 704 кг/м3

при 700° С; вязкость несколько выше, чем у натрия, а удельная теплоемкость почти такая же. Удельное электрическое сопротив­ ление сплава 45-10~8 ом-м при 100° С и увеличивается линейно с ростом температуры.

По своим теплофизическим свойствам сплавы являются хоро­ шими теплоносителями для ядерных энергетических установок. Весьма перспективно применение сплавов Na—К в производстве титана, например, для восстановления металлического титана из ТіСЦ.

Литий (Li) — химический элемент первой группы, порядко­ вый номер 3, атомный вес 6,94. Состоит из двух стабильных изо­

Важнейшую роль в современной технике играет изотоп L i 6 — промышленный источник для производства трития в ядерной энергетике.

Расплавленный L i 7 применяется как теплоноситель в высоко­ температурных энергетических установках. Высокая температура кипения (1317° С) при относительно низкой температуре плавле­ ния (179°С), малая-вязкость, хорошая теплопроводность и малая упругость паров делают литий практически идеальным теплоно­ сителем.

Литий также находит применение в виде многочисленных сплавов, из которых наибольшее техническое значение получили сплавы с А1, Mg, Pb, Си и Са.

Большое значение имеют неорганические соединения лития, например ІЛ2С03. Уникальные свойства лития и его соединений, наряду с разнообразием областей их применения, делают литий по значимости в современной технике одним из важнейших среди редких элементов [15, 16].

Чрезвычайно высокая химическая активность жидкого лития создает значительные технические трудности при эксплуатации жидкометаллическнх установок.

Одна из причин загрязнения контуров — образование окис­ ного соединения L i 2 0 с плотностью 2000 кг/м3 и температурой плавления 1570° С, являющегося одним из наиболее устойчивых окислов щелочного металла.

При температурах более 1000° С L i 2 0 вступает в химическую реакцию с большинством металлов и их окислов, усугубляя кор­ розию в рабочих контурах і[12]. Большая плотность окисла по сравнению с жидким литием является причиной образования осадков в застойных участках контура.

Наиболее часто встречающееся соединение лития с азотом в теп­ лоносителях — нитрид лития.

Нитрид лития плавится при 845° С, становясь чрезвычайно агрессивным: он реагирует как с металлическими, так и неме­ таллическими материалами.

Некоторые результаты исследования взаимодействия конст­ рукционных материалов с жидкометаллическими теплоносите­ лями изложены в работе Н. В. Яловеги [12]. Результаты исследо­ вания кинетики термомеханических процессов растворения твер­ дого металла в жидком описаны в работах [10, 11, 15].

Сталь марки Х18Н9Т наиболее часто используется в качестве материала для гидравлических контуров жидкометаллических установок. В работе [11] отмечена высокая коррозионная стой­ кость этой стали в чистом литии при высоких температурах (970—1150°С). Высокой коррозионной стойкостью в жидком ли­ тии при высоких температурах обладают сплавы на основе мо­ либдена и ниобия.

Для жидкометаллических натрий-калиевых установок исполь­ зуются нержавеющие стали, никель, кобальт и кобальтовые сплавы [11].

Из тяжелых жидкометаллических теплоносителей некоторое применение находит сплав свинца и висмута (44,5% Pb + 55% Bi)„ более агрессивный по отношению к конструкционным материа­ лам, чем калий, натрий и их сплавы. Однако он обладает и су­ щественным преимуществом: не реагирует с водой и водными растворами. Малые сечения захвата нейтронов позволяют ис-

75 Литература

пользовать их в реакторах, работающих на промежуточных и бы­ стрых нейтронах [12].

Большая объемная плотность, низкая электропроводность и нестабильность контактного сопротивления «стенка канала— среда» затрудняют использование этого сплава в МГД-уста- новках.

В ряде случаев при исследовании МГД-устройств в качестве рабочего металла применяется олово.

Олово (Sn) — химический элемент IV группы, порядковый номер 50, атомный вес 118,69. Природное олово состоит из 10 изо­ топов. Сечение захвата тепловых нейтронов 0,625 барн. При обычных условиях олово весьма устойчиво к химическим воздей­ ствиям. На воздухе при высокой температуре окисляется. Обра­ зующаяся окисная пленка легче расплавленного металла и по­ этому не забивает места сужения, вместе с тем она предохраняет металл от дальнейшего окисления. По отношению к воде олово устойчиво. Невысокая температура плавления (231,9° С) и доста­ точно хорошая проводимость позволяют использовать олово в качестве модельной жидкости при разработке устройств откры­ того типа для цинка, магния и алюминия.

Галлий (Ga) — химический элемент I I I группы, порядковый номер 31, атомный вес 69,72. Состоит из двух изотопов. Темпера­ тура плавления 29,83° С, плотность жидкого галлия при 30° С — 6000 кг/м3, в соединениях трехвалентен. При обычной темпера­ туре на сухом воздухе не окисляется. Взаимодействие с кислоро­ дом начинаетсяпри температуре выше 260° С, образующаяся пленка окиси предохраняет металл от дальнейшего окисления. Взаимодействует с галогенами, воду не разлагает. По многим хи­ мическим свойствам сходен с алюминием. Низкая температура плавления, малая химическая активность и относительно высо­ кая электропроводность [17] позволяют использовать галлий в качестве модельной жидкости при исследовании МГД-устройств, предназначенных для работы на магнии, алюминии и т. п.

Низкотемпературные сплавы, которые образует галлий с ря­ дом металлов, могут быть использованы в качестве теплоноси­ теля для энергетических ядерных установок.

ра т о в М. Ф. Натрий и калий. Л., Госхимиздат, 1959.

14.С и т и н г М. Натрий, его производство, свойства и применение. М.„ Госатомиздат, 1961.

Г Л А В А I I I

В З А И М О Д Е Й С Т В ИЕ ИМПУЛЬСНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ

ПОЛЕЙ С Э Л Е К Т Р О П Р О В О Д Я Щ И М И С Р Е Д А М И

§ 1. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

ВДВИЖУЩИХСЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ СРЕДАХ

Для обоснования принципа действия импульсных методов из­ мерения расхода и решения ряда прикладных задач необходимо подробное изучение закономерностей распространения импульс­ ных электромагнитных полей в движущихся проводящих средах. Соответствующие задачи при отсутствии движения исследова­ лись во многих работах в связи с прикладными вопросами геоло­ гической разведки (I]. Подробный анализ распространения им­ пульсных полей в движущихся проводящих средах, проведенный на основе решения задач о передаче импульса поля между круго­ выми или прямоугольными катушками в движущейся среде с од­ нородной проводимостью и над поверхностью движущегося полу­ пространства, дан в работах [2—5]. Рассмотрим основные резуль­ таты этих работ.

Теоретические исследования распространения импульсных электромагнитных полей в движущихся проводящих средах сво­ дятся к решению задач о передаче импульсных полей между, катушками различной формы в присутствии упомянутых сред. Предполагая, что размеры системы приемной и передающей ка­ тушек значительно меньше длины волны, можно полностью пренебречь токами смещения, что обычно приводит к решению уравнения теплопроводности для второй или третьей краевой задачи. Ток, протекающий в передающей катушке, в зависи­ мости от времени задается в виде функции включения

*<0;

.(3.1)

*>0 .

Основная задача о передаче импульса заключается в нахож­ дении пространственно-временных зависимостей электромагнит­ ного поля, возбужденного в движущихся электропроводящих сре­ дах передающей катушкой при включении в ней тока (3.1). Подобные задачи уже для самых простейших конфигураций

движущихся проводников в пространстве связаны со значитель­ ными математическими трудностями, которые осложняют теоре­ тический анализ физических процессов. Последнее обстоятель­ ство вынуждает искать приближенные модели для аналитичес­ ких исследований. Из всего многообразия импульсных задач ограничимся рассмотрением только двух, которые допускают сравнительно простую форму решения и одновременно дают наиболее полное теоретическое обоснование импульсных мето­ дов измерения расхода. Такими, как показали исследования, яв­ ляются задачи о возбуждении поля в движущейся среде с одно­ родной проводимостью круговым контуром импульсного тока и возбуждении поля бесконечно длинным прямоугольным конту­ ром в движущемся проводящем полупространстве.

Рассмотрим более подробно первую задачу. Введем цилин­ дрическую систему координат (г, cp, z) и предположим, что в плоскости Z = 0 расположен круговой контур радиуса R с цен­ тром в начале координат. Окружающая среда обладает проводи­ мостью а и движется по направлению оси Z со скоростью v. В мо­ мент времени ^ = 0 в контуре создается ток /.

Единственная составляющая векторного потенциала электро­ магнитного поля Л ф удовлетворяет уравнению

с начальным условием

и следующими граничными условиями на поверхности r = R:

физических соображений. Решая сформулированную выше за­ дачу (3.2) — (3.4) методом интегральных преобразований Ла­ пласа и Фурье, которые последовательно применим к уравнению (3.2) и граничным условиям (3.4), после преобразования Ла­ пласа

сграничными условиями

Лф І | г = д = Л ф І І | , . = й ;

—оо

кпреобразованным по Лапласу уравнению (3.6) и граничным условиям (3.7), получим уравнение

Общее решение, удовлетворяющее уравнению (3.9), следующее: