Лаборатория теплофизических проблем ядерной и термоядерной энергетики

Научные результаты:

Получены новые данные исследований теплообмена модельного вещества, имитирующего расплавы солей.

Получена уточнённая модель WALE, аналогичная, предложенной в работе L. Bricteux et. al. (Physics of fluid, 2009). Получены тестовые расчёты стабилизированного течения в плоском канале с моделями подсеточной вязкости WALE и Смагоринского, которые показали преимущество модели Смагоринского.

В авторский код ANES внедрена двухпараметрическая модель Лаундера-Шарма и двухслойная k-ε модель для низких чисел Рейнольдса. Выполненная серия тестовых расчетов подтвердила работоспособность модели. Применительно к развитию метода LES внедрена модель подсеточной турбулентной вязкости WALE. Разработан алгоритм и программа для формирования слоя засыпки из шаров одинакового размера со случайной структурой. В данном алгоритме моделируется система из N упругих сфер, набрасываемая в заданный контейнер (трубка, куб). В результате получена геометрия с характеристиками (пористость, распределение пористости по объему), близкими к характеристикам свободно насыпанного слоя. Верификация показала, что ухудшенный режим теплообмена описывает только k-e модель Лаундера-Шарма, которая и использовалась для моделирования в дальнейшем. Моделирование экспериментов без магнитного поля показало существенное отличие экспериментальных и расчётных данных по температурным полям на участке измерения (20 калибров от начала обогрева).

Выполнено описание технологии плазменно-пучковой обработки поверхности материалов. Разработана эскизная документация на узлы установки плазменно-пучковой обработки (УППО) и установки в целом. Завершена сборка вакуумной системы УППО. Выполнен запуск вакуумной системы в эксплуатацию, обеспечены её проектные параметры. Создана магнитная система УППО. Получено магнитное поле – линейная система, мультикасп 8-польный. Магнитное поле продольное на оси – от 2 мТ до 6 мТ. Создана система питания плазменного разряда УППО. Завершены работы по проектированию и изготовлению катодного узла УППО.

Получены новые данные измерений вязкости модельного вещества расплава соли – раствора KOH – в диапазоне концентраций 0–40%, диапазоне температур 20 – 60 °С.

Разработана методика исследования электропроводности и температуропроводности модельного вещества. Разработаны основы модели переноса массы и энергии в нерегулярной среде, обосновывающие выведенное ранее дробно-дифференциальное уравнение диффузии с переменным порядком дифференцирования. Полученные результаты предназначены как для описания диффузии ионов в жидкости, так и применения в математической модели переноса тепла в средах со сложной внутренней структурой.

Впервые получены комплексные экспериментальные данные по полям осреднённой температуры, интенсивностям температурных пульсаций, температуре стенки, статистическим характеристикам пульсаций температуры при опускном и подъемном течении жидкого металла (ртути) в прямоугольном канале в компланарном магнитном поле при симметричном обогреве в широком диапазоне режимных параметров (Re, Ha, Gr). Впервые предложена алгебраическая модель подавления турбулентности компланарным магнитным полем при незначительном влиянии термогравитационной конвекции. Обнаружена аналогия между степенью подавления турбулентного переноса компланарным полем в прямоугольном канале и поперечным полем в круглой трубе.

Разработаны и изготовлены модифицированные измерительные зонды со сферическим шарниром. Зонды применимы при исследовании характеристик гидродинамики и теплообмена при течении жидких металлов (свинец, ртуть и др.), расплавов солей, а также модельных жидкостей.

Получены новые данные исследования температуропроводности металла, прошедшего обработку плазменным воздействием. Полученные результаты показывают изменение измеряемого значения коэффициента температуропроводности, определяемого методом лазерной вспышки. Получен массив экспериментальных данных по коэффициенту электропроводности, аппроксимированный полиномиальной зависимостью по температуре и напряженности электрического поля и частоте. Погрешность аппроксимации составила 2.5%.

Впервые были проведены эксперименты и получены новые результаты исследования течения жидкого металла в обогреваемом канале под действием поперечного магнитного поля, направленного вдоль широкой стороны канала, при подъёмном течении, в котором силы плавучести сонаправлены с потоком металла. Эксперименты дополняют ранее полученные результаты по опускному течению. Исследованы два режима нагрева: канал с односторонним нагревом и канал с симметричным нагревом с обеих длинных сторон. Эти два режима нагрева демонстрируют существенное различие в поведении потока, что приводит к различным зависимостям теплообмена от управляющих параметров (расход – число Пекле (Pe), магнитное поле – число Гартмана (Ha), величина обогрева – число Грасгофа (Gr)).

Показано, что ориентация канала и режим нагрева существенно влияют на теплообмен без магнитного поля. При двустороннем нагреве экспериментально наблюдаемое число Нуссельта в восходящем потоке уменьшается по сравнению с опускным течением. Для одностороннего нагрева с подъёмным течением эксперименты показали, что теплообмен уменьшается с увеличением скорости потока в диапазоне 200 < Pe<1000 (увеличиваясь при Pe>1000), в то время как в одностороннем опускном течении число Нуссельта увеличивается с увеличением числа Пекле, что является обычным для турбулентного течения. В подъемном течении эта сильная разница в теплопередаче вызвана силами плавучести, которые изменяют температурный градиент в пристеночной области.

В отличие от опускного течения в ходе исследования обнаружена очень слабая зависимость теплообмена от магнитного поля, т.е. при подъемном течении жидкого металла теплообмен обеспечивается в основном структурой среднего потока (профиль средней скорости), а не мелкомасштабным турбулентным переносом. Подавление и трансформация турбулентности магнитным полем наблюдались в виде сужающегося спектра температурных флуктуаций без развития крупномасштабных температурных флуктуаций. Эксперименты проводились в канале длиной порядка 20 калибров. Обнаружено, что стабилизация потока затягивается магнитным полем до полной длины исследуемого канала, поэтому длина оказалась недостаточной для наблюдения полностью развитого течения: т.е. интенсивность флуктуаций температуры продолжала изменяться к выходу канала в большинстве рассмотренных режимов течения. Однако исследуемая длина каналов соответствует проектам реальных устройств, в которых будут использоваться каналы конечной длины, а наблюдаемые пульсации температуры незначительно влияют на теплообмен. Тем не менее, можно полагать, что эффекты входа и выхода (нагрев и относительное распределение магнитного поля, неоднородное распределение магнитного поля) могут иметь решающее значение, и поэтому дальнейшее исследование стабилизации потока имеет важное значение.

В исследованных режимах отсутствовали стационарные возвратные течения, возможность которых предсказывается ламинарными аналитическими решениями или численным моделированием. Поток, дополненный силами плавучести, продолжает сохранять широкий спектр пульсаций даже в умеренном магнитном поле, достаточном для полного подавления изотермической турбулентности.

Впервые получены новые данные измерений профилей осреднённой температуры и интенсивности температурных пульсаций по длине канала сложной формы на различных расстояниях от дистанционирующей вставки. Показано, что турбулизирующая роль вставки не приводит к опасному возрастанию пульсаций температуры. В опытах на ртути в магнитном поле подтверждено, что во всех МГД-конфигурациях на теплообмен существенно влияет термогравитационная конвекция, вплоть до аварийных режимов теплообмена.

Впервые, сначала с помощью экспериментальных исследований, а затем и численного моделирования обнаружены границы возникновения и подавления аномальных пульсаций температуры при течении жидкого металла в вертикальной трубе в условиях неоднородного обогрева в расширенном диапазоне безразмерных критериев подобия. Экспериментально исследована специфика взаимодействия электромагнитной силы и термогравитационной конвекции при МГД-теплообмене жидкого металла. Новые экспериментальные данные были сопоставлены с полученными ранее на другом стенде и подтверждаются результатами прямого численного моделирования.

Подавление возмущений сильным магнитным полем, в зависимости от значений чисел Gr, Ha и Re, либо стабилизирует нагретые вблизи стенки струи, либо задерживает их разрушение до очень высоких скоростей, что приводит к возмущениям аномального типа очень высокой амплитуды. Это может привести к проблемам целостности конструкций теплообменных систем, связанным с высокоамплитудными тепловыми напряжениями в стенках каналов.

На установке УППО получены новые данные экспериментальных работ по плазменному облучению (продолжительностью до 200 минут) в гелиевом разряде вольфрама различных марок, в том числе марки ИТЭР, используемого для изготовления дивертора термоядерного реактора ИТЭР. На всех образцах достигнуты условия модификации нано- и микроструктуры поверхности на глубину до нескольких десятков микрон. На поверхности вольфрамовых образцов в условиях нагрева поверхности до 970 °С и облучении гелиевой плазмой более 100 минут формируется наноструктурированная поверхность типа «пух» толщиной до 1,6 микрон, состоящая из нановолокон диаметром 20-50 нанометров. Изменения наноструктуры поверхности обнаружены также при длительном облучении плазмой образцов из титана и железа, что может свидетельствовать в пользу универсальности механизма роста наноструктуры типа «пух». При исследовании температуропроводности вольфрамовой поверхности со структурой типа «пух» обнаружено уменьшение температуропроводности.

В результате получены новые данные: исследований материалов при мощных плазменных нагрузках в УППО для создания пористой наноструктурированной вольфрамовой поверхности; исследований теплообмена и способов его интенсификации в высоконагруженных элементах термоядерных реакторов; исследований при плазменном облучении титана и железа для понимания механизмов изменения нано- и микроструктуры поверхности при длительных мощных плазменных нагрузках более 1 МВт/м2; микроскопических и спектральных исследований свойств конструкционных материалов термоядерного реактора после испытаний в УППО и пучковых испытаний мощными нагрузками.

Впервые были испытаны капиллярно-пористые системы (КПС) из жидкометаллического лития и жидкометаллического олова в стационарной плазме в плазменной установке УППО (ПЛМ) с параметрами плазмы, соответствующими диверторной и периферийной плазме токамака. КПС содержали оловянные и литиевые плитки, закрепленные между двумя молибденовыми сетками, встроенными в модуль, обращенный к плазме. Стационарная плазменная нагрузка 0,1 ⎯ 1 МВт/м² на КПС в течение более 200 минут была достигнута в экспериментах с параметрами плазмы, соответствующими дальней пристеночной плазме и дальней зоне диверторной плазмы большого токамака и термоядерного реактора-токамака. Плазменная нагрузка   до 1 МВт/м² привела к нагреву поверхности до 700°С в эксперименте с литиевым КПС и более 600°С в эксперименте с оловянным КПС. Нагрев КПС контролировался дистанционно, включая метод подачи напряжения на КПС, позволяющий регулировать приток испаряемого металла в плазму. При такой нагрузке жидкий металл с поверхности КПС испарялся в плазменный столб. После экспонирования материалы оловянных и литиевых КПС были проверены и проанализированы с помощью оптической и сканирующей электронной микроскопии. Впервые было исследовано влияние испарений лития и олова на перенос плазмы/излучения с помощью спектроскопии для оценки изменений свойств плазмы и взаимодействия плазмы с поверхностью. Ионы лития и олова регистрировались по спектрам оптического излучения из плазмы. Было обнаружено повторное осаждение испаренного лития на внутрикамерных элементах установки. 

Спроектирован и смонтирован рабочий участок уникальной экспериментальной установки (стенда) для исследования кавитации в жидких металлах. Разработана и апробирована система диагностики кавитирующей непрозрачной жидкости, основанная на радиометрическом методе. Особенностью системы является использование источников гамма-излучения малой активности.

Создан расчетный код (программа для численного моделирования), моделирующий молекулы воды, для разрешения внутримолекулярного взаимодействия использованы алгоритм SHAKE и RATTLE.   Код отлажен на тестах по определению термодинамических свойств на линии насыщения – плотности, коэффициента поверхностного натяжения. Полученные данные расчётов показали удовлетворительное согласие с данными NIST. Получены новые данные моделирования методом молекулярной динамики процесса контакта между каплей аргона (с радиусом ~7 нм и начальной скоростью 10 м/с) и перегретой поверхностью меди. В результате контакта размер капли уменьшился более чем в два раза, средняя плотность потока массы составила ~10³ кг/м²с.  Разработана и апробирована простая модель, использующая параметры из молекулярной динамики, которая хорошо согласуется с численным экспериментом.

Разработана экспериментальная установка, позволяющая измерять поверхностное натяжение жидкостей с помощью системы высокоскоростной видеорегистрации. Пробные эксперименты на воде показали работоспособность используемых методик: отклонение измеренного коэффициента поверхностного натяжения от справочного значения менее 3%. Проведено исследование спектра излучения плазмы высоковольтного газового разряда вблизи поверхности жидкости. Исследованы контрагированная и диффузионная формы разряда; показано отличие в спектрах.

Разработана и реализована в коде CBL (Cut Boundary Layers) новая модель для уменьшения числа ячеек, в которой вблизи границы канала или трубы создаются слои полностью неструктурированных шестигранных КО. При моделировании задач с твердыми стенками область стенки «помещается» в зону CBL КО, что дополнительно позволяет уменьшить число КО, без потери нужных для разрешения турбулентных масштабов. В ряде задач CBL подход позволяет на 40-50% уменьшить количество расчетных ячеек. Первые результаты экспериментов (DNS моделирование течения на стабилизированном участке трубы) показали высокую эффективность такого подхода. Получены новые результаты LES моделирования турбулентного течения воды, воздуха и ртути в трубе в сопряженной постановке «поток - твердая стенка». Результаты моделирования показали, что «сопряженные» LES модели хорошо воспроизводят температурные пульсации вблизи твердой стенки для разных толщин стенок и их термической активности. На основе результатов моделирования предложена приближенная нестационарная модель, учитывающая влияние стенки на температурные характеристики, сводящаяся к нелинейному нестационарному условию третьего рода. Эта модель не требует явного включения стенки в расчетную область и может быть полезна для проведения DNS моделирования.  Получены новые результаты RANS моделирования течения ртути (Pr = 0.024) в горизонтальной обогреваемой трубе при сильном магнитном поле с режимными параметрами Re_m = 10⁴, На_m = 300 и Gr_m = (3.78 - 6.0) ×10⁷. Для моделирования использовалась двухпараметрическая k-w модель, реализованная в коде ANES. В силу своей стационарной постановки эти расчеты не позволили описать аномальные пульсации температуры, обнаруженные в эксперименте и в DNS моделировании. Однако сравнение осредненных полей температуры показали хорошее совпадение с экспериментом. Исследовано влияние свойств стенки трубы на скоростные и температурные поля. Показано, что главную роль играет не теплопроводность трубы, а ее электропроводность. Результаты для стенки с маленькой электропроводностью практически совпадают с результатами, полученными в расчетах без стенки. Учет электропроводящей стенки с электропроводностью, близкой к электропроводности жидкости, приводит к заметному изменению профиля скорости и уменьшению интенсивности турбулентного переноса. Это, в свою очередь, приводит к лучшему совпадению рассчитанных и экспериментальных профилей температуры стенки трубы.

Получены новые результаты экспериментальных исследований магнитных конвективных пульсаций (МКП) при опускном течении жидкого металла в вертикальной неоднородно обогреваемой трубе под влиянием сильного поперечного магнитного поля. Такая конфигурация типична для элементов модулей бланкета термоядерного реактора, в которых тепловая нагрузка прикладывается с одной стороны в направлении, перпендикулярном магнитному полю. Определена область существования режимов, характеризующихся сильными МКП, в диапазонах параметров Стюарта-Ричардсона и обратных Рейнольдсов (определяемых по оси Гартмана) – числах Ричардсона. Эта область существования МКП ограничена тремя пределами. Нижний предел плавучести определяется критическим числом Ричардсона Ri_min≈0.08, который указывает значение требуемой плавучести, чтобы проявлялись МКП, причём эта граница не зависит от приложенного магнитного поля. Нижняя граница магнитного поля определяется критическим числом Стюарта N_min≈1.5. Этот предел указывает значение требуемого магнитного поля, чтобы повлиять на развитую турбулентность и обеспечить переход от однородной турбулентности к МКП, причём эта граница не зависит от обогрева. Наиболее важной, с точки зрения применения к реакторам токамакам, является верхняя граница магнитного поля, которая определяет границу подавления МКП сильным магнитным полем. Величина магнитного поля, необходимая для подавления МКП, зависит от скорости потока и обогрева и более точно описывается через число Рейнольдса (Rh), чем через число Стюарта. Если Ri превышает Ri> Ri_min, правая граница в плоскости (Rh^-1, Ri) ограничивается линией Ri=6/Rh, что соответствует =Gr/(6Re). При дальнейшем увеличении Ri, граница стремится к верхнему пределу Rh^-1=2/25, т.е. =2/25Re, выше которого магнитное поле полностью ламинаризует поток для любых сил плавучести.  Впервые полученные экспериментальные данные позволили завершить локализацию области существования МКП в пространстве параметров жидкометаллического турбулентного потока в магнитном поле и продемонстрировать, что достаточно сильное магнитное поле может подавлять пульсации, создаваемые силами плавучести при любом приложенном обогреве.

Получены новые результаты прямого численного моделирования опускного течения жидкого металла в однородно обогреваемой трубе, находящейся в поперечном магнитном поле. Вариационные расчеты позволили охватить диапазон режимных параметров, который был воспроизведен ранее в экспериментах.   Эти результаты качественно, а в большинстве режимов и количественно, хорошо согласуются с результатами эксперимента, что позволяет в дальнейшем использовать их для детальных исследований рассматриваемых явлений. Они подтверждают существенную нестационарность и пространственную неоднородность процессов, что осложняет физический анализ, так как, например, для получения надежных статистических характеристик необходимы достаточно длительные выборки для измерения или расчетов по времени. Тем не менее, несмотря на ограничения, основные закономерности процессов воспроизводятся с помощью результатов численного расчета. Как было получено в эксперименте, в рассматриваемой конфигурации течения с однородным обогревом стенки трубы в поперечном магнитном поле в потоке развивается существенно нестационарное «пульсирующее» течение. Развитие этого течения полностью определяется соотношением основных безразмерных критериев – чисел Рейнольдса, Грасгофа и Гартмана. Путём численного моделирования было исследовано это явление в зависимости от числа Гартмана. При этом в качестве основных режимов для исследования были взяты режимы, которые отличаются характером распределения интенсивности температурных пульсаций в сечении x/d=37 трубы. Полученные результаты подтвердили наличие двух разных режимов развития температурных пульсаций, а также характер влияния величины магнитного поля. 11 Разработана новая методика косвенного электрического нагрева с односторонним нагревом модельного элемента стенки ТЯР. Принцип действия разработанного нагревателя основан на использовании высокочастотного индукционного нагрева. Пробные эксперименты показали эффективность применения разработанного нагревательного элемента.

Выполнена разработка новой конструкции рабочего участка (РУ), изготовлены два рабочих участка. Проведена модернизация гидравлического контура экспериментального стенда ТВС-МЭИ для исследования гидродинамики и теплообмена в модели тепловыделяющей сборки с микротвэлами. Проведена тарировка ХА термопар. Проведены экспериментальные исследования по определению потерь давления, коэффициента гидравлического сопротивления и коэффициента теплоотдачи при течении жидкости в цилиндрической шаровой засыпке с внутренним тепловыделением при следующих режимных параметрах: р = (2÷6) МПа, G=(0,005 ÷ 0,5) кг/с, q = (10 ÷ 170) кВт/м². 

Разработаны методика и устройство для измерений скорости и температуры в замкнутом объеме жидкости с малой, усредненной по объему скоростью, основанные на точечных одновременных измерениях в объёме жидкости с использованием большого количества датчиков температуры, что позволяет получить пространственную картину поля температуры и температурных пульсаций, автокорреляционные функции и частотные спектры пульсаций температуры, пространственные корреляции между разными точками объёма, пространственно-временные корреляции и оценки локальных скоростей потока корреляционным методом. а также позволяет исследовать развитие указанных величин во времени.

Получены новые данные измерений характеристик приповерхностной плазмы в экспериментах с жидкометаллическим покрытием стенки в виде оловянной и литиевой капиллярно-пористой структуры КПС в плазменной установке ПЛМ с гелиевой плазмой. Получены результаты анализа эффектов литиевого покрытия стенки на характеристики приповерхностной плазмы стенки. Получены результаты анализа эрозии оловянной КПС и литевой КПС при испытаниях стационарной плазмой в плазменной установке ПЛМ.

Новые данные, полученные при численном моделировании процессов свободной конвекции в полусферической каверне с модельным расплавом при условиях, соответствующих экспериментам исследовательской программы «COPRA», показали удовлетворительное соответствие экспериментальным данным. Как правило, некоторые отличия между расчетными и опытными данными наблюдались в режимах с отвердеванием/ плавлением модельного расплава. Указанные отличия можно объяснить несовершенством используемой модели плавления и неопределенностью физических свойств модельного расплава, которые использовались в численных исследованиях. В целом выполненный анализ опытных и расчетных данных показал, что расчетный код ANES и реализованные в нем математические модели, позволяют с удовлетворительной точностью воспроизводить процессы естественной конвекции в расплаве с внутренним тепловыделением при высоких числах Рэлея, характерных для ТА. Результаты численных исследований для расчетной области в виде цилиндрического слоя, подогреваемого снизу и охлаждаемого по верхней и боковой поверхностям, показали, в частности, что использование известных соотношений для числа Нуссельта на боковой и верхней поверхностях слоя приводит к существенным погрешностям. Как и в случае расчетной области в виде полусферической каверны, результаты численных исследований, выполненных для расчетной области в виде плоского слоя, подогреваемого снизу, показали, что расчетный код ANES и используемые в нем математические модели позволяют численно моделировать и воспроизводить с удовлетворительной точностью процессы естественной конвекции в плоском слое расплава при значениях числа Рэлея свыше ~10^9.

Выполнены комплексные исследования по договору с организацией «Наука и инновации» (ГК «Росатом»), связанные с изучением плазменного экранирования при интенсивной дуговой и плазменно-пучковой эрозии вольфрамовых и литиевых материалов для обеспечения стационарной эксплуатации токамака-реактора.

Проведены исследования влияния жидкометаллического оловянного и литиевого покрытий стенки на взаимодействие плазма-стенка в термоядерном реакторе в модельных экспериментах с жидкометаллической оловянной и литиевой КПС в плазменной установке ПЛМ (плазменный линейный мультикасп) в НИУ «МЭИ». Проведенные микроскопические исследования выявили изменение микроструктуры и оплавление поверхности стенок контейнера оловянной КПС при плазменном облучении, что необходимо учитывать при конструировании жидкометаллических элементов стенки в будущем термоядерном реакторе.

Были определены характеристики приповерхностной плазмы в экспериментах с жидкометаллическим покрытием стенки литиевой капиллярно-пористой структурой на основе проведения экспериментов с литиевой КПС в гелиевой плазме в установке ПЛМ. Было установлено, что наблюдался эффект экранирования высокой плазменной-тепловой нагрузки испаренным литием. Зон эрозии молибдена компонентов КПС при микроскопическом исследовании обнаружено не было. Методом энергодисперсионного рентгеновского спектрального микроанализа был проведен элементный анализ этих осажденных на поверхности КПС материалов.

Проведены эксперименты с жидкометаллической оловянной КПС в плазменной установке ПЛМ, облучение стационарной гелиевой плазмой проводилось в течение более 1,5 часов, что соответствует реакторным временам использования оловянной КПС. При проведении экспериментов в системе оптической диагностики плазмы использовался коллиматор, что позволило получить пространственное разрешение спектроскопии.

Выполнены теплофизические расчеты и определены основные технические характеристики для создания исследовательского жидкосолевого реактора (ИЖСР) по созданию новой технологии утилизации минорных актинидов в специализированных жидкосолевых реакторах-сжигателях.

Подготовлены и проведены эксперименты по исследованию динамики струйных течений жидкого металла в сильных магнитных полях в заявленных конфигурациях.

Выполнена верификация результатов численных экспериментов. Моделирование по верификации на имеющихся экспериментальных данных обеспечило более детальный и полный анализ структуры течения, изученного экспериментально (плоская и круглая струи в поперечном и компланарном магнитных полях), и смогло предоставить информацию, которая принципиально не может быть извлечена из эксперимента, в том числе основные механизмы трансформации струй под действием магнитного поля. Проанализировано поведение статистических характеристик течений, определяющих его природу. Параллельно с выполнением натурных и численных экспериментов выполнен маломодовый анализ. Оценена применимость представителя маломодовых моделей пониженного порядка (ROM) на основе правильного ортогонального разложения (POD) применительно к анализу конфигурации при горизонтальном струйном течении в канале с подогревом и в поперечным магнитном поле (т.н. режимы магнитоконвекции).

Выполнены численные эксперименты по моделированию турбулентного МГД течения в сопряженной со стенкой постановке методом LES в трубах и каналах различной ориентации (вертикальные, горизонтальные). Проведен анализ влияния образования пленок окислов или отложений с низкой электропроводностью на внутренней поверхности канала на возникающие аномально высокие пульсации температуры в ртути и стенке.

Получены заключительные данные по высокотемпературным свойствам ползучести и разрушения корпусной стали 15Х2НМФА-А, из которой изготавливаются корпусы ядерных реакторов отечественных РУ ВВЭР. Полученные данные были определены в результате постановки и проведения экспериментов по ползучести специальных образцов данной стали в условиях ползучести в температурном диапазоне 900-1200 °С в защитной среде аргона и в вакууме. Образцы для испытаний этой стали были изготовлены из корпуса необлученного оригинального корпуса ВВЭР, изготовленного по штатной технологии. Выполнен микроструктурный анализ фрагментов образцов после испытаний, показавший особенности механизмов течения и разрушения стали в условиях ползучести и процесса окисления поверхности образцов в течение экспериментов.

Полученные опытные данные и результаты математической обработки экспериментальных данных являются новыми и позволили построить соотношения для параметров прочности типа Ларсона-Миллера исследуемой стали в условиях высокотемпературного деформирования и разрушения вследствие ползучести. Такие данные являются основой при проведении анализа тяжелых аварий в РУ ВВЭР.

Выполнено исследование и представлены результаты численного изучения процессов тепломассопереноса в проточном металлогидридном реакторе очистки водорода с внутренним оребрением «активного» объема (объема сорбирующей засыпки). Для интенсификации теплопередачи от засыпки к охлаждаемым/нагреваемым стенкам реактора в конструкции были использованы радиальные ребра из различных металлов. Выполнен анализ различных вариантов внутреннего оребрения, влияния условий внешнего охлаждения на процессы тепло- и массообмена в реакторе. Проверена чувствительность результатов расчета к точности определения параметров математической модели. Показано, что при внутреннем оребрении и правильном подборе условий внешнего охлаждения характеристики металлогидридной системы хранения и очистки водорода могут быть значительно улучшены. Сделан вывод о том, что плотность оребрения (количество ребер) и теплопроводность материала, из которого изготовлены ребра, оказывают заметное влияние на эффективность проточного реактора только при достижении на его внешней стенке определенных значений коэффициента теплоотдачи к охлаждающей жидкости.

Выполнено исследование и изучен процесс образования зоны с повышенным содержанием воздуха при конденсации практически чистого пара в пучке из 397 гладких горизонтальных труб. Компоновка моделируемого трубного пучка полностью повторяла компоновку пучка экспериментальной установки D.H. McAllister, в которой воздух удалялся через две перфорированные трубки, расположенные в центре пучка. Исследовались процессы течения и конденсации практически чистого пара (массовая доля воздуха 1.22 × 10^‒3) при давлении 27.67 кПа и скорости горизонтально направленного потока пара перед трубным пучком 12.3 м/c. Численное моделирование выполнено с привлечением CFD-модели, полученной ранее. Изучены локальные характеристики процессов тепло- и массообмена в трубном пучке. Получены данные о квазистационарном положении границы зоны с повышенным содержанием воздуха («воздушном кармане»), а также поля скорости смеси и массовой доли воздуха в конденсаторе. Выявлена существенная нестационарность процессов в зоне «воздушного кармана», которая приводит к заметному изменению во времени локальных значений плотности теплового потока на стенках труб.

Удовлетворительное соответствие полученных результатов расчетов локальных характеристик тепломассообмена экспериментальным данным D.H. McAllister и выявление эффектов, не обнаруженных при использовании моделей пористой среды, позволяют рекомендовать разработанную CFD-модель для оптимизации конструкции проектируемых конденсационных установок.

Было выполнено численное исследование процессов конденсации насыщенного пара пентана на гладком горизонтальном цилиндре методом VOF в 2D постановке. С целью анализа устойчивости и точности алгоритма VоF рассмотрены режимы конденсации неподвижного пара, а также режимы опускного течения пара с небольшой скоростью. Выполнено сравнение полученных результатов с известными теоретическими и эмпирической зависимостями. Для обоснования работоспособности металлогидридной системы хранения водорода было выполнено численное моделирование данной системы с пассивной воздушной системой охлаждения. Проведена верификация модели свободной конвекции на доступных литературных данных. Получены результаты для времен зарядки неоребренной системы для различных значений давления и температуры. Подобран оптимальный шаг ребер для двух значений коэффициента оребрения.

Образование и переподготовка кадров:

• Подготовлены и защищены 1 докторская и 8 кандидатских диссертаций.

• Подготовлены и проведены III международная конференция «СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ТЕПЛОФИЗИКИ И ЭНЕРГЕТИКИ» (19-23 октября 2020 г., г. Москва), 8-я конференция «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках» (18-21 октября 2021 г., г. Москва).

• Под редакцией ведущего учёного П.Г. Фрика и сотрудника лаборатории В.Г. Свиридова подготовлено и издано учебное пособие «Основы автоматизации теплофизического эксперимента» (М.: Издательский дом МЭИ, 2019,- 336 с.).

• Ведущим учёным для магистров прочитан цикл лекций в рамках лекционного курса «Основы статистической  теории  турбулентности» (2019 г.).

Сотрудничество:

С 2019 г. по апрель 2022 г. осуществлялась работа в рамках экспертной группы (руководство группой «Task #1») по оценке целостности корпусов ядерных реакторов при тяжелых запроектных авариях «Working Group on Analysis and Management of Accidents (WGAMA)»- «The Reactor Pressure Vessel Integrity Assessment for in-vessel retention» (в рамках деятельности OECD/NEA https://www.oecd-nea.org/jcms/pl_23462/working-group-on-analysis-and-management-of-accidents-wgama).