Экспериментальное исследование магнитоконвективных пульсаций и импульсных возмущений в жидкометаллических потоках для систем охлаждения термоядерных реакторов


Авторы

Балабаев Н. Е.1, Рахимов Р. Ф.1, Листратов Я. И.1, Беляев И. А.2

1. Объединенный институт высоких температур Российской академии наук, 125412, Москва, ул. Ижорская, 13/19
2. Объединенный институт высоких температур РАН, ул. Ижорская, 13, стр.2, Москва, 125412, Россия

Аннотация

В работе представлена программа экспериментальных исследований, нацеленных на изучение магнитогидродинамики жидкометаллических теплоносителей в сильных магнитных полях для применений в термоядерной энергетике. Эксперименты выполняются на стенде РК-3 (HELMEF) с использованием ртути и магнитных полей индукцией до 2,7 Тл. Исследуются две основные проблемы. Первая – возникновение низкочастотных магнитоконвективных пульсаций температуры и скорости при смешанной конвекции в вертикальных каналах, где поперечное магнитное поле, подавляя мелкомасштабную турбулентность, индуцирует крупномасштабные колебания, создающие риск усталостного разрушения материалов. Вторая – влияние импульсных возмущений (скачков магнитного поля и электрических пробоев) на стабильность течения, что моделирует реальные условия эксплуатации систем охлаждения.

Ключевые слова:

магнитогидродинамика, жидкометаллический теплоноситель, магнитоконвективные пульсации (МКП), импульсные электромагнитные воздействия, термоядерный бланкет, экспериментальное моделирование

Список источников

  1. Khodak A. et al. Virtual prototyping of liquid metal blanket performance in fusion pilot plant // Fusion Eng. Des. 2023. Vol. 191. 

  2. Kim B.-Y. et al. Overview of Recent Iter TBM Port Plug R&D Activities // Fusion Eng. Des. 2023. Vol. 189. 

  3. Barrett T.R. et al. CHIMERA Fusion Technology Facility: Testing and Virtual Qualification // Fusion Sci. Technol. 2023. pp. 1–12.

  4. Taylor C.N. et al. The Tritium Extraction eXperiment (TEX): A forced convection fusion blanket PbLi loop // Fusion Eng. Des. 2023. Vol. 192.

  5. Koehly C., Bühler L., Courtessole C. Design of a scaled mockup of the WCLL TBM for MHD experiments in liquid metal manifolds and breeder units // Fusion Eng. Des. 2023. Vol. 192.

  6. Ivanova-Stanik I. et al. Divertor power spreading in the Divertor Tokamak Test facility for a full power scenario with Ar and Ne seeding // Plasma Phys. Control. Fusion. 2023. Vol. 65. № 5.

  7. De Castro A. et al. Physics and Technology Research for Liquid-Metal Divertor Development, Focused on a Tin-Capillary Porous System Solution, at the OLMAT High Heat-Flux Facility // J. Fusion Energy. 2023. Vol. 42, № 2. pp. 45.

  8. Tanke V.F.B. et al. LiMeS-Lab: An Integrated Laboratory for the Development of Liquid–Metal Shield Technologies for Fusion Reactors // J. Fusion Energy. 2023. Vol. 42, № 2. pp. 44.

  9. Takeda S. et al. UNITY: Kyoto Fusioneering’s Unique Integrated Testing Facility for Fusion Power Generation // Fusion Sci. Technol. 2023. pp. 1–6.

  10. Hon A.Yu. et al. Lead-lithium facility with superconducting magnet for MHD/HT tests of liquid metal breeder blanket // Fusion Eng. Des. 2017. Vol. 124. pp. 832–836.

  11. Hollmann E.M. et al. Status of research toward the ITER disruption mitigation system // Phys. Plasmas. 2015. Vol. 22. № 2.

  12. Abdou M., Morley N. B., Smolentsev S. et al. Blanket/first wall challenges and required R&D on the pathway to DEMO // Fusion Eng. Des. 2015. Vol. 100. pp. 2–43.

  13. Zikanov O. et al. Mixed convection in pipe and duct flows with strong magnetic fields // Appl. Mech. Rev. 2021. Vol. 73, № 1. 

  14. Батенин В.М. и др. Развитие экспериментальной базы для исследований МГД-теплообмена перспективных ядерных энергоустановок // Теплофиз. выс. темп. 2015. Т. 53. № 6. С. 934.

  15. Bobkov V. et al. Thermophysical properties of materials for nuclear engineering: a tutorial and collection of data. Vienna: IAEA, 2008. pp. 18–21.

  16. Akhmedagaev R. et al. Magnetoconvection in a horizontal duct flow – A parametric study // Int. J. Therm. Sci. 2023. Vol. 194.

  17. Belyaev I. et al. Limits of strong magneto-convective fluctuations in liquid metal flow in a heated vertical pipe affected by a transverse magnetic field // Int. J. Therm. Sci. 2021. Vol. 161. 

  18. Zhang X., Zikanov O. Convection instability in a downward flow in a vertical duct with strong transverse magnetic field // Phys. Fluids. 2018. Vol. 30. № 11.

  19. Беляев И.А., Лучинкин Н.А., Листратов Я.И. Формирование входного профиля течения для пассивного управления магнитогидродинамическим потоком жидкого металла в канале // Теплофиз. выс. темп. 2023. Т. 61. № 3. С. 452–464.

  20. Belyaev I. et al. Effects of symmetry on magnetohydrodynamic mixed convection flow in a vertical duct // Phys. Fluids. 2020. Vol. 32. № 9.

  21. ITER EDA N.J.W.S., et al. MHD stability, operational limits and disruptions. 1999.

  22. Smolyanov I.A. et al. Numerical simulation of flux expulsion in a plain channel MHD flow // Comput. Continuum Mech. 2025.

  23. Верещагина Т.Н., Логинов Н.И. ЛИТИЙ, ИЛИ СВИНЕЦ-ЛИТИЙ? // Вопр. атом. науки и техн. Сер.: Ядер.-реактор. конст. 2018. № 3. С. 86–90.

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2018-2026