Раскрытие основ возбуждений в стержнях-кантиливерах при осевом двухфазном потоке

Почему колебания топливных стержней важны

Атомные электростанции тихо обеспечивают значительную долю мировой низкоуглеродной электроэнергии. Внутри их активных зон сотни тонких металлических трубок, называемых топливными стержнями, содержат уран, поддерживающий реакцию. Эти стержни расположены в плотной пучке, а вода стремительно обтекает их, отводя тепло. Однако этот поток может вызывать колебания стержней. Со временем повторяющееся трение в местах соприкосновения со стойками может изнашивать металл и приводить к дорогостоящим остановкам. В данном исследовании рассматривается особенно сложный случай: когда теплоноситель представляет собой смесь воды и газовых пузырьков, а стержни вибрируют вдоль направления потока. Авторы также предлагают новый способ «слушать» эти движения, не нарушая их.

Простая модель сложного реактора

Реальные активные зоны реакторов механически и геометрически сложны, что затрудняет их детальное изучение. Чтобы выявить основные физические механизмы, исследователи построили упрощённую, но тщательно масштабированную модель: один вертикальный металлический стержень, зажатый с одного конца и свободный с другого, внутри немного более широкой трубы, чтобы вода (или вода с воздухом) могла течь вдоль него. Изменяя форму наконечника стержня и меняя направление потока, они воссоздали условия, близкие к тем, что наблюдаются в современных водоохлаждаемых реакторах. Такое упрощённое устройство сохраняет важнейшие составляющие — сильный поток, плотное ограничение и реалистичную массу стержня — при этом позволяя точно контролировать скорость потока и содержание газа.

Слушая с помощью магнетизма вместо света

Измерять крошечные колебания в мутном двухфазном потоке непросто. Традиционные оптические методы терпят неудачу, так как пузыри закрывают обзор, а крепление обычных датчиков непосредственно на стержень может изменить его поведение. Команда обошла обе проблемы, используя эффект Холла, связывающий магнитные поля с электрическими сигналами. Они закрепили небольшие постоянные магниты на свободном конце стержня и разместили четыре датчика магнитного поля у внешней стороны прозрачного испытательного участка. По мере движения стержня магнитное поле у каждого датчика менялось, создавая напряжение, которое можно было преобразовать в точное смещение наконечника. Калибровочные испытания показали, что система разрешает движения меньше 40 микрометров, а сравнения с высокоскоростной съёмкой в прозрачной воде подтвердили, что новый метод точно фиксирует и амплитуду, и частоту колебаний.

Как пузыри изменяют поток

Имея этот инструмент, исследователи изучили, как добавление воздушных пузырей влияет как на поток, так и на реакцию стержня. При низком содержании газа мелкие пузыри равномерно распределены в воде и лишь слегка нарушают общий поток. Давление и касательные силы вдоль стержня похожи на таковые в чистой воде, с некоторой дополнительной случайностью от редких ударов пузырьков. По мере увеличения доли газа пузыри сталкиваются и сливаются в вытянутые полости и «каналы‑полости», которые могут занимать значительную часть зазора между стержнем и трубой. При низких скоростях потока эти полости остаются в целом целыми; при больших скоростях турбулентность разрывает их на более мелкие структуры. С помощью лазерной визуализации потока команда показала, что при увеличении содержания газа средняя скорость течения растёт (поскольку смесь становится легче) и значительно усиливаются флуктуации вихревости и скорости. Иными словами, поток становится более хаотичным и более эффективным в случайных толчках стержня.

Борьба между упорядоченными и случайными колебаниями

Ключевой вывод исследования состоит в том, что вибрации стержня возникают из-за конкуренции двух типов гидродинамических сил. С одной стороны — движение‑индуцированные, почти периодические силы: если стержень изгибается, обтекающая вода может ритмично подталкивать его дальше, приводя к большим, похожим на флаттер колебаниям. С другой стороны — стохастические силы: нерегулярные удары от турбулентных вихрей и столкновения с пузырями или газовыми полостями. В однофазной воде на высоких скоростях периодические силы могут доминировать, вызывая сильные регулярные вибрации, которые чувствительно зависят от формы наконечника и направления потока. Однако по мере добавления газа растущий беспорядок в потоке нарушает этот ритм. Периодическое возбуждение ослабевает, тогда как случайные толчки усиливаются, особенно когда газ формирует большие нестабильные структуры вокруг наконечника.

Порог, при котором случайность берёт верх

Путём систематического изменения скорости потока и доли газа авторы показали, как меняются амплитуда и частота колебаний. Они обнаружили поразительную закономерность: когда доля газа превышает примерно 0,2, амплитуды вибраций для очень разных форм наконечников и скоростей потока начинают сходиться к похожим значениям. Выше этого порога поведение в основном определяется двухфазовой случайностью, а не деталями геометрии или скоростью потока. Частоты остаются близкими к собственной частоте стержня, но движение становится более хаотичным, как показывают статистические характеристики сигналов смещения. Для конструкторов реакторов это означает следующее: стратегии, хорошо работающие в чистой воде — например, точная настройка формы наконечника для подавления периодических нестабильностей — становятся значительно менее эффективными при наличии значительного кипения или закачки газа. Вместо этого могут потребоваться конструкции, уменьшающие турбулентные флуктуации или разрушающие крупные газовые структуры, чтобы сдерживать изнашивающие вибрации. Новый магнитный метод измерений предоставляет мощный безвредный инструмент для испытания таких решений в реалистичных двухфазных условиях.

Цитирование: Li, H., Cioncolini, A., Iacovides, H. et al. Unveiling the fundamentals of two-phase axial-flow-induced vibrations of cantilever rods. Sci Rep 16, 5102 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35337-4

Ключевые слова: возбуждение потоком, двухфазный поток, топливные стержни атомных реакторов, динамика пузырьков, датчики эффекта Холла