Применение диспергированного потока для интенсивного охлаждения теплозащитных конструкций при мегаватных нагрузках

Особенностью современных технологий является возрастание значений плотностей передаваемых тепловых потоков до 10 МВт/м2 и более, как из-за роста уровня тепловых потоков, так и из-за уменьшения характерных размеров теплопередающих устройств. Поиск новых методов интенсификации теплообмена является характерной чертой внедряемых сегодня конструктивных элементов, технологий. Эта особенность теплообмена характерна для многих отраслей мировой экономики вообще и для информационных систем, в частности. В перспективных энергетических технологиях наибольшие плотности теплового потока имеет место в термоядерных реакторах и установках, в разработке которых в настоящее время на первый план вышли именно технологические вопросы. Среди которых на первом месте следует назвать организацию теплосъема от таких конструкций как бланкет и дивертор термоядерного реактора, приемники потоков инжекционной системы нагрева плазмы. При этом актуальность проблемы разработки эффективной системы теплосъема и термостабилизации конструкций реактора, характерной особенностью которых является чрезвычайно высокий уровень плотности снимаемых тепловых потоков, только возрастает. Отвод стационарных тепловых потоков удельной плотности превышающей 10 – 20 МВт/м2, которые характерны для элементов первой стенки реакторов масштаба ИТЭР и ДЕМО, является критической проблемой. Существующие материалы не способны долгое время находиться под воздействием таких нагрузок. В частности, в экспериментальном реакторе ИТЭР предусматривается периодическая замена приемных элементов дивертора, способных лишь ограниченное время выдерживать такие нагрузки. Альтернативным решением данной проблемы является использование жидких металлов, например, лития в качестве материала, непосредственно контактирующего с плазмой. Данное техническое решение [1] позволяет решить проблемы, возникшие при использовании тугоплавких материалов, и может являться новым этапом на пути к созданию надежной и долговечной поверхности для защиты конструкций создаваемых реакторов. По разрабатываемой в России технологии для защиты внутрикамерных конструкций предполагается использование капиллярно-пористой структуры (КПС), насыщенной жидким металлом. Применение КПС позволяет успешно решить проблему влияния сильных магнитных полей на жидкий металл, насыщающий эту структуру, вследствие крайне низких значений скорости перемещения его. Организация замкнутого цикла циркуляции жидкого металла позволяет решить проблему защиты конструкций от разрушительного воздействия высокотемпературной плазмы. Обеспечение высокоэффективного теплосъема от конструкций реактора со стороны необращенной в плазму, позволяет данное решение проблемы повышения длительности жизненного цикла конструкций, взаимодействующих с плазмой, как наиболее перспективное и экспериментально обоснованное. В этом случае, снижается уровень распыления конструкций первой стенки, а также за счет роста площади поверхности взаимодействия КПС с плазмой, снижается плотность теплосъема, который, в свою очередь, обеспечивается взаимодействием диспергированного потока теплоносителя со стороны конструкций необращенной в плазму. На сегодняшний день приоритетным направлением охлаждения указанных элементов термоядерного реактора является использование воды под давлением. Для интенсификации теплообмена используется метод закрутки потока, в частности, в НИУ МЭИ выполнен цикл исследований по этой проблеме [2, 3]. Разработаны новые способы и устройства, обеспечивающие закрутку потока теплоносителя. В частности, закрутка потока в тепловоспринимающих элементах создается вставляемыми в канал на всю длину скрученными винтовыми лентами. В инновационной концепции охлаждения стационарного жидкометаллического литиевого внутрикамерного элемента (КПС), предложено использовать диспергированный поток теплоносителя. Такой теплоноситель имеет ряд преимуществ по сравнению с однофазным потоком хладагента - высокая эффективность теплоотвода за счет фазового перехода теплоносителя, низкое давление, существенное снижение опасности кризиса теплоотдачи и т.д.