Ядро в миниатюре
Газета «Энерговектор» уже рассказывала о так называемом атмосферном динамо, вызывающем электрические токи в воздушной оболочке Земли. По некоторым гипотезам, аналогичные процессы протекают в земном ядре, где происходит перенос веществ, который формирует магнитное поле нашей планеты. Недавно в Исследовательском центре им. Гельмгольца на окраине Дрездена (Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, HZDR) было построено новое здание для проведения масштабных экспериментов с жидким натрием (DREsden Sodium facility for DYNamo and thermohydraulic studies, DRESDYN). В этих экспериментах учёные надеются не только пролить свет на некоторые пока неясные вопросы гео- и астрофизики, но и ускорить исследования по ряду энергетических технологий, в том числе в различных аспектах контроля работы (In-Service-Inspection, ISI) реакторов на быстрых нейтронах с натриевым охлаждением, обеспечения стабильности аккумуляторов на жидких металлах и gр.
Амбициозный проект
DRESDYN - это масштабный эксперимент по прецессии, который организуется в продолжение экспериментов меньшего масштаба, проводившихся в Риге, Карлсруэ, Кадараше и других городах. Их цель - исследовать явления гомогенного динамо в жидком металле, находящемся одновременно во вращении и прецессии. Учёные надеются прояснить один из ключевых вопросов гео- и астрофизической магнитогидродинамики: откуда берётся энергия для работы различных космических динамо? По основной версии, источником энергии служат явления термической и композитной плавучести в планетарном ядре. Считается, что прецессия также могла дать заметный энергетический вклад, особенно на ранней стадии эволюции Земли - до формирования твёрдого ядра (само наличие такого ядра - пока вопрос спорный).
Определённое воздействие вариаций орбитальных параметров Земли на её магнитное поле можно вывести из палеомагнитных измерений. Они, в частности, показывают влияние стотысячелетнего цикла изменения эксцентриситета орбиты Земли (цикла Миланковича) на статистику переполюсовки геомагнитного поля. В последнее время астрофизики обсуждают гипотезу о том, что прецессия служит источником лунного магнитного поля и динамо астероидов. Какие именно параметры прецессии могут создавать динамо, пока не совсем понятно.
Со страшной силой
Главная экспериментальная установка DRESDYN состоит из цилиндрического сосуда диаметром и высотой 2 м со стенками толщиной 3 см, который должен вращаться в наклонном положении со скоростью до 600 об./мин. (частотой 10 Гц) вокруг своей оси и одновременно до 60 об./мин. (1 Гц) - вокруг вертикальной оси (см. рис.). Требования к механике и системе безопасности очень серьёзные. Достаточно сказать, что при таком вращении большой массы жидкого натрия возникает огромный гироскопический момент силы (до 8 МНм), для удержания которого построен массивный железобетонный фундамент, скрепляющий семь колонн, которые уходят в скальный грунт на глубину 22 м.
Также запланированы эксперименты с течениями Куэтта-Тейлора в жидком натрии, связанные с гео- и астрофизическими задачами. Учёные надеются продолжить и уточнить ранние опыты со спиральной и азимутальной версиями магниторотационных вихрей (MRI) и вихрей Тейлора (TI). Для этого строится заполненная жидким натрием ячейка Куэтта-Тейлора из двух цилиндров высотой 2 м, вставленных один в другой. Зазор между ними составляет 0,2 м. Внутренний цилиндр будет вращаться со скоростью до 1200 об./мин. (20 Гц). Установку оснастят системой катушек, создающих аксиальное магнитное поле силой до 120 мТ и наводящих два различных аксиальных тока в жидком натрии. Эксперимент нацелен на изучение различных вариантов MRI и их комбинаций с TI, которые могут играть важную роль в планетарной синхронизации солнечного динамо.
Вихри Тейлора также будут играть центральную роль в третьем эксперименте, в котором учёные планируют изучать различные эффекты в жидкометаллических аккумуляторах (ЖМА). Такой аккумулятор состоит из трёх самоорганизующихся (за счёт различной плотности) жидких слоёв: щелочной или щелочноземельный металл (натрий, магний), электролит (расплав соли) и металл или металлоид (висмут, сурьма). Чтобы конкурировать по удельной стоимости с обычными аккумуляторами, ЖМА должны быть довольно большими, поэтому зарядные и разрядные токи у них могут достигать нескольких килоампер. В таких условиях приходится тщательно избегать вихревых электрических токов и нестабильностей на границах раздела слоёв.
Конструктивное геодинамо
Новое лабораторное здание включает центральный зал для экспериментов площадью около 500 м2 с главной установкой. На рисунке ниже показаны дополнительные экспериментальные установки, которые также будут размещены в зале. Это (слева направо) крупный аппарат, создающий течения Куэтта-Тейлора, макет реактора для работ по ISI и натриевый циркуляционный контур. По горизонтальным фермам к экспериментальным установкам будут подведены хладагенты, электроэнергия и кабели систем контроля и управления.
Дополнительные экспериментальные установки
Кроме этого в здании имеются химическая лаборатория, мастерская, аппаратная с хранилищем жидкого натрия, вмещающим 12 т металла. Электропринимающее устройство, построенное неподалёку, рассчитано на мощность 2,4 МВт. Предусмотрены система пожаротушения на основе жидкого аргона с его хранилищем на 15 т. В отдельном здании располагается станция очистки оборудования, загрязнённого натрием.
С прицелом на измерения
Натриевый циркуляционный контур (стандартный для АЭС на быстрых нейтронах) имеет горизонтальную и вертикальную тестовые секции. 30-киловаттный электромагнитный насос обеспечивает скорость потока 56 м3/ч. Обе секции оборудуются различными фланцами с измерительными приборами и позволяют приложить магнитные поля для изучения возможных магнитогидродинамических явлений. Вертикальная секция используется для изучения двухфазных потоков натрия и аргона, в частности, с помощью взаимоиндукционной томографии.
Ещё один стенд предназначен для экспериментов по ISI и тестирования методик измерений. В их число входят ультразвуковое доплеровское измерение скорости потока и различные индуктивные методы, такие как датчик фазового сдвига и измеритель переходных вихревых токов. Последний не только не требует калибровки, но и отличается отсутствием каких-либо магнитных материалов, благодаря чему хорошо подходит для высоких температур, характерных для ядерных реакторов на быстрых нейтронах. Кроме этих точечных методов исследования предполагается для построения полных скоростных полей использовать метод бесконтактной индуктивной потоковой томографии. Он основывается на том, что приложенное внешнее магнитное поле испытывает возмущения от проходящего сквозь него потока магнитного материала. Изменения магнитного поля регистрируются вне жидкого металла с помощью массива датчиков поля. Используя этот метод, можно вычислить полные двумерные или трёхмерные скоростные поля.
Авторы проекта DRESDYN не хотели бы ограничиваться упомянутыми экспериментами, а потому готовы принять предложения о других исследованиях с жидким натрием. Это может быть, в частности, масштабный эксперимент по методике Рэлея-Бенара (изучение структур и динамики течений, возникающих при тепловой конвекции в плоском горизонтальном слое жидкости, подогреваемом снизу), возможно, с вращением установки и приложением к ней магнитного поля.
