Радиационного теплообмена

Явление радиационного распухания — зарождение и рост пор в неделящихся материалах под воздействием облучения высокоэнергетичными частицами за счет избытка вакансий, возникающего из-за неадекватности взаимодействия вакансий и межузельных атомов с полем напряжения краевых дислокаций, — теоретически было предсказано Фореманом и др. [1] в 1959 г. В 1966 г. при исследовании оболочек твэлов из стали 316, набравших в реакторе DFR дозу, превышающую 1022 н/см2 (Е > 0,1МэВ), их предположение подтвердилось экспериментально [2]. С открытием явления радиационного распухания возникли чрезвычайно сложные проблемы, нашедшие свое отражение в корректировке программ дальнейшего развития быстрых реакторов и других ядерных установок.

Практический интерес к явлению радиационного распухания обусловлен опасностью последствий радиационного распухания конструкционных материалов активной зоны быстрых реактороа и материалов первой стенки термоядерных реакторов: во-первых,. может уменьшиться проходное сечение каналов о теплоносителем, что изменит тепловой режим работы реактора; во-вторых, может произойти заклинивание пакетов с твэлами с вытекающими отсюда серьезными последствиями; в-третьих, развитие пористости может значительно ухудшить механические и физические свойства конст--рукционных материалов и ускорить процесс разгерметизации оболочек твэлов.

В данной главе рассмотрены основные закономерности развития радиационного распухания (температурная, дозная, дозно-скорост-ная зависимости радиационного распухания). Особое внимание уделено рассмотрению возможности получения экспресс-информации о проведении материала в условиях реакторного облучения из данных имитационных экспериментов (облучение на ускорителях и в высоковольтных электронных микроскопах); причин, препятствующих ускоренному воспроизводству процессов, происходящих при реакторном облучении, в имитационных экспериментах, а также методов управления скоростью процессов, происходящих в материале под воздействием облучения и последующего отжига, путем рационального легирования, термомеханической обработки и программированного изменения условий в течение облучения (выбор

В большинстве случаев проводится дилатометрия. [3], иммерсионное взвешивание [4, 5] и электронно-микроскопическое исследование [3, 6] контрольных (исходных) и облученных образцов. На них базируются основные представления о закономерностях развития радиационного распухания. Ионная микроскопия [7] и ядерно-физические методы исследования (позитронная аннигиляция [8], малоугловое рассеяние нейтронов [10] и рентгеновских лучей [9]) дополняют их: ионная микроскопия и позитронная аннигиляция позволяют проследить за образованием, зародышей пор, начиная с нескольких вакансий, а метод малоуглового рассеяния рентгеновских лучей — определить концентраций-пор и дислокационных петель при высоком уровне радиационного-повреждения.

Эксперименты по ионному облучению позволяют осуществлять более строгий контроль за величиной дозы облучения, температурой образца и другими параметрами по сравнению с экспериментами на реакторах; проводить эксперименты при циклических условиях облучения; предварительно, импульсно и непрерывно вводить гелий (или атомы других газов) в любом соотношении с числом смещенных атомов; набирать дозы, не достигаемые в действующих ядерных установках; проводить исследования по влиянию на радиационное распухание материалов скорости смещения атомов, изменяя ее в широких пределах, в связи с чем ионное облучение широко используется при исследовании закономерностей развития радиационного распухания материалов (построение дозной, дозно-скоростной, температурной зависимостей распухания), а также при изучении механизмов зарождения и роста пор, механизмов подавления или ускорения радиационного распухания металлов и сплавов примесными атомами.

Вследствие малого объема поврежденного слоя, что обусловлено малой глубиной проникновения ионов, действенными методами экспериментального определения величины радиационного распухания ионно-облученных образцов являются только два: электронно-микроскопическое исследование (проводимое на глубине, соответствующей максимуму повреждения) (рис. 51) и определение высоты ступеньки на границе облученной и защищенной областей [15]. Для изучения распределения радиационного повреждения по глубине проникновения ионов проводят стереоэлектронно-микроско-лическое[16], послойное электронно-микроскопическое исследования

При выборе эквивалента радиационного повреждения исходили из процессов взаимодействия падающей частицы с атомами вещества, не включающих процесс отжига возникающих при этом точечных дефектов, — в экспериментах по ионному и электронному облучению, как правило, имитируется доза, выраженная в числе смещений на атом. Из экспериментальных данных следует, что на развитие радиационного распухания существенно влияют структура первичных повреждений, наличие напряжений в облучаемом образце (под напряжением находятся оболочки твэлов, являющиеся основным объектом исследования реакторного повреждения, и распухающие слои в имитационных экспериментах) и зависимость от интенсивности облучения (т. е. от числа смещений / а • с) соотношения скорости создания точечных дефектов и скорости их исчезновения на стоках.

Короткий пробег частиц. В результате образцы не подходят для изучения влияния облучения металлическими ионами на механические свойства; наблюдается пространственная неоднородность радиационного повреждения; на облученную часть действуют сжимающие напряжения со стороны необлученного материала; ограничены методы исследования радиационного распухания;

Поры. На современном этапе исследований радиационного распухания материалов в большинстве случаев экспериментальный

радиационного распухания материалов

Зарождению как дислокационных петель, так и пор в облучаемых материалах предшествует инкубационный период. При электронно-микроскопическом исследовании радиационного распухания поры фиксируются не в момент их зарождения, а по достижении некоторого размера. Доза, при которой появляются фиксируемые поры, называется порогом порообразования (Ф(0). Ввиду зависимости минимального размера и концентрации пор, которые могут быть зафиксированы и идентифицированы, от

Параметры и теплофизические характеристики воздуха подсчитывались по его средней температуре в рабочем участке"/ Температурный нагрев воздуха измерялся дифференциальной хромель-алюмелевой термопарой. С помощью тех же термопар измерялась разность температур между поверхностью оболочки и воздухом на расстоянии 10 мм от поверхности в четырех точках каждого шарового электрокалориметра. На III рабочем участке автором совместно с В. К. Ламба в 1963 г. была исследована теплоотдача от графитовых шаровых электрокалориметров при укладке их в трубе диаметром 100x5 мм с объемной пористостью т = 0,4. Графитовый шар диаметром 60 мм имел внутри цилиндрическую полость диаметром 25 и высотой 30 мм, в которой размещался электрический нагреватель мощностью 500 Вт. В рабочем участке собиралось шесть рядов (ячеек) шаровой укладки. Каждая ячейка состояла из целого шара, двух больших и шести малых шаровых долек. Число касаний целого шара равно десяти. Для ликвидации утечек тепла от графитовых электрокалориметров кондукцией в местах контакта с дольками в последних были сделанъ: выемки, заполненные гипсом. Для уменьшения радиационного теплообмена поверхности всех шаровых долек были отполированы и покрыты никелем, а температура поверхности электрокалориметров не поднималась выше 200° С. Опыты проводились на воздухе при давлении 0,12 МПа в диапазоне чисел Re = 7- 103— 2- 104. Методика определения среднего коэффициента теплоотдачи была такой же, как и в опытах на участках I и II. Для исследуемого диапазона изменения чисел Re = 7-103н-2-104 рекомендована следующая зависимость (в обработке через параметры внешней модели) :

Между тем, для оценки надежности работы металла экранных труб необходимо знать температуры газов и величину qn по высоте топки. Для этой цели используют позонный метод расчета. Сущность его состоит в следующем. Топку по высоте (около 4 м) разбивают на несколько зон (/ — IV). Отдельно выделяют зону максимального тепловыделения. Для каждой зоны составляют уравнение баланса энергии с учетом теплоты Qxp, выделенной при горении топлива, изменения /' энтальпии газов на входе и /" на выходе из зоны и теплоты Qa лучистого теплообмена. При расчете теплоты, переданной экранам, учитывается фактор радиационного теплообмена с зонами, расположенными рядом. -

объем газов, снижает адиабатную температуру горения, а следовательно, интенсивность радиационного теплообмена, тепловосприятие топки и повышает температуру газов на выходе из котла. Все это усиливает теплообмен в конвективных поверхностях и повышает температуру пара.

Между тем, для оценки надежности работы металла экранных труб необходимо знать температуры газов и величину дл по высоте топки. Для этой цели используют позонный метод расчета. Сущность его состоит в следующем. Топку по высоте (около 4 м) разбивают на несколько зон (/ — IV). Отдельно выделяют зону максимального тепловыделения. Для каждой зоны составляют уравнение баланса энергии с учетом теплоты Qxp, выделенной при горении топлива, изменения /' энтальпии газов на входе и /" на выходе из зоны и теплоты Qn лучистого теплообмена. При расчете теплоты, переданной экранам, учитывается фактор радиационного теплообмена с зонами, расположенными рядом.

объем газов, снижает адиабатную температуру горения, а следовательно, интенсивность радиационного теплообмена, тепловосприятие топки и повышает температуру газов на выходе из котла. Все это усиливает теплообмен в конвективных поверхностях и повышает температуру пара.

Следовательно, теплоотдача будет определяться также системой безразмерных величин, входящих в зависимость (18-72). Некоторые критерии комбинированного и радиационного теплообмена дополнительно рассматриваются ниже.

Число Старка является аналогом числа Био и характеризует связь между температурным полем в твердом теле и условиями радиационного теплообмена на поверхности тела.

Радиационный (лучистый) тепловой поток — мера интенсивности (плотности) радиационного теплообмена на поверхности тела, обтекаемого высокотемпературным потоком газа. Радиационный тепловой поток дополняет (а в некоторых случаях и превосходит) конвективный тепловой поток по мере того, как возрастают температура и плотность излучающего газового объема. В отличие от конвективного теплообмена интенсивность радиационного воздействия возрастает при увеличении размеров обтекаемого тела, экранирующее действие вдуваемых паров очень слабо зависит от их расхода (см. гл. 10).

10-17. Андрианов В. Н. О роли рассеяния в процессах радиационного теплообмена. — В кн.: Теплообмен, гидродинамика и теплофизические свойства веществ. М., «Наука», 1968, с. 139—145. 384 10-18. Карасев А. Б., Кондранин Т. В. Лучистый теплооб-

В книге изложены теоретические основы и методы экспериментального исследования процессов радиационного и сложного теплообмена. Рассмотрены различные методы расчета теплообмена излучением. Проведен анализ подобия процессов радиационного теплообмена и изложены методы его экспериментального исследования. Даны методы теоретического и экспериментального исследования сложного теплообмена. Приведены решения ряда задач радиационного и сложного теплообмена и некоторые экспериментальные результаты.

1 Сложным или комбинированным теплообменом называется процесс радиационного теплообмена, протекающий в совокупности с другими видами переноса энергии (теплопроводность и конвективный теплообмен). В настоящей книге используется термин «сложный теплообмен», хотя оба термина являются равноценными.