МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ высшего профессионального образования

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

ФАКУЛЬТЕТ ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНОЙ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ

КАФЕДРА МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ

Пояснительная записка к дипломному проекту на тему: «вязкое затухание звуковых волн в сильных центробежных полях»

Студент – дипломник Василевич Владимир Витальевич

(подпись)

Руководитель дипломного

проекта доктор ф.м.н,

профессор Боговалов Сергей Владимирович

(подпись, оценка)

Рецензент дипломного

проекта Троян Виктор Иванович

(подпись, оценка)

Консультант Кислов Владимир Александрович

(подпись)

Заведующий кафедрой

доктор ф.м.н, профессор Борман Владимир Дмитриевич

(подпись)

МОСКВА 2015г.

Оглавление

АННОТАЦИЯ 4

Данная работа посвящена исследованию вязкого затухания звуковых волн, поляризованных вдоль оси вращения в сильных центробежных полях. Эта тема очень важна для физики разделительных процессов, потому что в любой газовой центрифуге возникают звуковые волны [17], которые вносят поправки в потоки внутри неё. 4

Основная задача данного исследования заключается в том, чтобы понять, как далеко вдоль оси центрифуги может распространиться звуковая волна, и исследовать механизм затухания волн, так как понимание этого механизма может изменить эффективность разделение изотопов и рабочие параметры газовой центрифуги. 4

В мире действует 388 энергетических ядерных реакторов общей мощностью 333 ГВт [5], российская компания «ТВЭЛ» поставляет топливо для 73 из них. Это составляет 17 % мирового рынка. 5

В настоящее время разрабатываются международные проекты ядерных реакторов нового поколения, например, ГТ-МГР, которые обещают повысить безопасность и увеличить КПД АЭС. 5

Россия приступила к строительству первой в мире плавающей АЭС, окончание которого намечено на 2016 год. Такие АЭС позволят решить проблему нехватки энергии в отдалённых прибрежных районах страны [7]. 5

США и Япония ведут разработки мини-АЭС, с мощностью порядка 10-20 МВт для целей тепло- и электроснабжения отдельных производств, жилых комплексов, а в перспективе — и индивидуальных домов. С уменьшением мощности установки растёт предполагаемый масштаб производства. Малогабаритные реакторы, такие как Hyperion АЭС, создаются с использованием безопасных технологий, многократно уменьшающих возможность утечки ядерного вещества [8]. 5

Рост количества АЭС потребует увеличения производства низкообогащенного урана. Так как газодиффузионная технология является дорогой, и по оценкам WNA ее доля в общем обогащении упадет до нуля к 2017 году, основная нагрузка ляжет на центробежный метод разделения. 5

Глава 1 Литературный обзор 7

1.1.Поведение газа в центробежном поле сил 7

1.2.Волны в сильном центробежном поле 11

ГЛАВА 2 Расчетная часть 25

2.1 Постановка задачи 25

2.2 Теоретический анализ 27

2.3 Описание программы 30

2.4 Верификация 34

2.5 Расчёт 41

ВЫВОДЫ 46

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 47

АННОТАЦИЯ

Данная работа посвящена исследованию вязкого затухания звуковых волн, поляризованных вдоль оси вращения в сильных центробежных полях. Эта тема очень важна для физики разделительных процессов, потому что в любой газовой центрифуге возникают звуковые волны [17], которые вносят поправки в потоки внутри неё.

Основная задача данного исследования заключается в том, чтобы понять, как далеко вдоль оси центрифуги может распространиться звуковая волна, и исследовать механизм затухания волн, так как понимание этого механизма может изменить эффективность разделение изотопов и рабочие параметры газовой центрифуги.

ВВЕДЕНИЕ

В мире действует 388 энергетических ядерных реакторов общей мощностью 333ГВт[5], российская компания«ТВЭЛ»поставляет топливо для 73 из них. Это составляет 17 % мирового рынка.

В настоящее время разрабатываются международные проектыядерных реакторовнового поколения, например,ГТ-МГР, которые обещают повысить безопасность и увеличить КПД АЭС.

Россия приступила к строительству первой в миреплавающей АЭС, окончание которого намечено на 2016 год. Такие АЭС позволят решить проблему нехватки энергии в отдалённых прибрежных районах страны[7].

США и Япония ведут разработки мини-АЭС, с мощностью порядка 10-20 МВт для целей тепло- и электроснабжения отдельных производств, жилых комплексов, а в перспективе — и индивидуальных домов. С уменьшением мощности установки растёт предполагаемый масштаб производства. Малогабаритные реакторы, такие какHyperion АЭС, создаются с использованием безопасных технологий, многократно уменьшающих возможность утечки ядерного вещества[8].

Рост количества АЭС потребует увеличения производства низкообогащенного урана. Так как газодиффузионная технология является дорогой, и по оценкамWNAее доля в общем обогащении упадет до нуля к 2017 году, основная нагрузка ляжет на центробежный метод разделения.

Вот почему вопросы касающиеся исследования процессов, происходящих в газовой центрифуге, являются очень актуальными. Их актуальность растет с каждым годом.

Так как газ внутри ротора вращается с очень большой скоростью, экспериментальное изучение этих процессов очень сложная задача. Поэтому наиболее эффективным методом исследования являются численные методы.

Центробежный метод разделения изотопов является самым эффективным методом на сегодняшний день. На первый взгляд кажется, что механизм разделения прост и понятен: радиальный эффект создаётся за счёт разности масс изотопов, а аксиальный — за счёт разности температур на стенках. Но пара отборников, расположенных рядом с торцевыми крышками в газовой камере, во-первых, обеспечивают дополнительную осевую циркуляцию за счёт механического тормоза газа, а во-вторых, создают сильные ударные волны [17], которые быстро затухают, оставляя в большей части ротора волны малой амплитуды.

Эти волны и представляют наибольший интерес, в рамках данной работы. Дело в том, что они могут влиять на распределение потоков в газовой камере за счет передачи энергии и импульса от волн к газу благодаря молекулярной вязкости. Таким образом звуковые волны, генерируемые отборником, могут обеспечить дополнительный механизм генерации осевой циркуляции в газовой центрифуге, который может существенно отличаться от основного.

Целью дипломной работы является исследования механизма вязкого затухания звуковых волн в сильных центробежных полях на примере газовой центрифуги. Для достижения цели были поставлены задачи:

1. Разработать численный метод расчета коэффициента затухания звуковых волн в сильных центробежных полях на основе анализа резонансных кривых,

2. Провести тестирование метода на задаче затухания волн в роторе без вращения,

3. Получить аналитическое выражение для декремента затухания волн, поляризованных вдоль оси вращения,

4. Провести численный расчет декремента затухания в центробежном поле, пропорциональном 10⁶g и сравнить это затухание с аналитическими предсказаниями.

Научная новизна исследования характеризуется тем, что в дипломной работе рассчитывается коэффициент затухания звуковых волн, учитывающий вязкость теплопроводность и трение на стенках, что делается впервые. До данной работы, как правило, рассматривался бездиссипативный газ, то есть его молекулярной вязкостью и теплопроводностью попросту пренебрегали.

Практическая значимость дипломной работы заключается в разработке численного метода расчета коэффициента затухания звуковых волн в сильных центробежных полях на основе анализа резонансных кривых, который позволит