СНОВА ТУРБУЛЕНТНОСТЬ, ТЕПЕРЬ — В НАТРИИ

В Институте механики сплошных сред (г. Пермь) действует уникальная лабораторная площадка для работы с жидким натрием — большой натриевый контур. О том, какие исследования проводятся на этой принципиально новой экспериментальной установке и какие прикладные задачи можно решать на их основе, мы поговорили с заведующим лабораторией физической гидродинамики ИМСС, доктором физико-математических наук Петром Готлобовичем Фриком.

— Этот металл плавится при относительно низкой температуре (98º С) и обладает в жидком состоянии уникальной комбинацией теплофизических и динамических свойств: у него высокая электропроводность, гораздо выше, чем у ртути или низкотемпературных сплавов галлия, очень низкая плотность (все помнят со школы, что натрий плавает в воде). И динамически он ведет себя, как вода, позволяя получать развитые турбулентные потоки в лабораторных условиях. Однако жидкий натрий — опасное вещество, он легко воспламеняется и взрывается, поэтому требует осторожного обращения.

В нашем институте ведутся магнитогидродинамические исследования с использованием различных жидких металлов. Натрий мы применяем в экспериментах по изучению процессов генерации магнитных полей потоками проводящей жидкости.

— Благодаря своим свойствам жидкий натрий используется в качестве теплоносителя в ряде атомных реакторов. При проектировании таких реакторов нужно решать задачи по расчету теплопереноса при вынужденной и свободной конвекции, а также тепловых нагрузок при смешении разнотемпературных турбулентных потоков натриевого теплоносителя. Дело в том, что при таком смешении возникают пульсации температуры, которые создают дополнительные термоциклические нагрузки на оборудование и могут существенно снижать ресурс конструкций. Для обеспечения надежности расчетов требуется верификация вычислительных пакетов на экспериментальные данных, полученных при значениях управляющих параметров, близких к натурным.

Именно за экспериментальной базой для верификации программ обратились к нам несколько лет назад специалисты Опытного конструкторского бюро машиностроения им. И.И. Африкантова, по заказу которого мы начали исследования турбулентного теплопереноса при свободноконвективных течениях натрия в цилиндрических сосудах. Удалось выяснить зависимость характеристик теплообмена, тепломассопереноса и турбулентности от внешних параметров. Чтобы расширить экспериментальную базу для работы с жидким натрием, в ИМСС УрО РАН был создан большой натриевый контур, который введен в эксплуатацию в 2013 году, тогда еще при финансовой поддержке УрО РАН.

— Натриевых контуров в мире вообще немного, они строятся по индивидуальным заказам с определенными целями. Наш натриевый контур — это, точнее, стенд с двумя контурами, в каждом из которых создается контролируемый поток натрия с фиксированной температурой: в одном — горячий, в другом — холодный. В контуре имеется система электрического нагрева и воздушного охлаждения жидкого натрия. Течение металла генерируется электромагнитными насосами бегущего поля, а его интенсивность измеряется электромагнитными расходомерами. Турбулентное смешение разнотемпературных потоков натрия происходит в рабочей зоне, куда устанавливаются тестируемые элементы конструкций. Рабочая температура жидкого металла — от 150 до 300 градусов.

По существу, молодые сотрудники нашей лаборатории создали установку своими руками, в мастерских института: разработали систему охлаждения, спроектировали и собрали электромагнитные насосы, всю измерительную часть, расходомеры для жидкого натрия. В команду входили кандидаты физико-математических наук Александр Шестаков (на фото слева), Илья Колесниченко, Руслан Халилов (на фото вверху), Андрей Васильев, а также Андрей Мамыкин и Александр Павлинов — на тот момент аспиранты, которые теперь уже представили диссертации по результатам исследований потоков жидкого натрия.