Теплофизика и энергетика мирового уровня
в 2025 году получил субсидию на создание . Наряду с проведением большого объема ориентированных фундаментальных исследований, в его рамках запланировано создание опытных образцов оборудования для атомной, металлургической и двигателестроительной промышленности. В настоящий момент исследователи проводят предварительное экспериментальное и математическое моделирование, необходимые для этого.
«Когда мы подавали проект на конкурс, у нас уже было четкое понимание вектора развития Института и тех направлений, которые планируем развивать, — это теплогидравлика атомных энергетических установок — оптимизация теплообмена в сборках тепловыделяющих элементов, что существенно увеличит эффективность и повысит безопасность; процессы в камерах сгорания авиационных двигателей и газотурбинных энергетических установок с точки зрения повышения эффективности сжигания топлива и экологичности этого процесса; рудотермические технологии и инновационные методы обогащения титаномагнетитовых руд», — рассказывает директор ИТ СО РАН, академик РАН .
Теплогидравлика атомных энергетических установок
Одна из основных задач в рамках этого направления связана с эффективностью отвода тепла от тепловыделяющих сборок (ТВС) в активной зоне ядерного реактора с водяным теплоносителем. Это тепло затем передается во второй контур реактора, где на выходе уже образуется водяной пар, который служит для вращения турбины, и таким образом идет генерация электроэнергии. Тепловыделяющая сборка — это пучок тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов) — полых металлических вертикальных стержней длиной до четырех метров, внутри которых находится ядерное топливо.
Николай Прибатурин
«Внешний диаметр таких стержней около десяти миллиметров, а расстояние между их стенками всего несколько миллиметров, что делает каналы между соседними ТВЭЛами довольно узкими. В таких каналах течет теплоноситель, температура которого на выходе может достигать более 300 ℃. Эффективность отвода тепла от ТВС к теплоносителю первого контура реактора определяет гидродинамика течения, — поясняет заместитель руководителя НЦМУ, главный научный сотрудник ИТ СО РАН, член-корреспондент РАН . — Если изменить локальную структуру течения в каналах, то теплообмен между поверхностью ТВЭЛ и теплоносителя будет происходить более интенсивно». В частности, для этого предложили использовать «перемешивающие решетки», формирующие течение теплоносителя так, чтобы он из одного слишком «теплого» межтвэльного канала перераспределялся по соседним, менее «теплым» каналам. В ИТ СО РАН были протестированы около 18 типов подобных решеток и только несколько рекомендованы для применения.
Установка для исследования процессов в ТВС
«Еще одно технологическое направление, позволяющее сделать отвод тепла более эффективным, — создание сильно турбулизированной области течения за дистанционирующими решетками в ТВС реакторов типа ВВЭР (водо-водяной энергетический реактор, сейчас самый распространенный тип для АЭС. — Прим. ред.) и генерация вихревых течений теплоносителя в ТВС для реакторов малой мощности. Для того чтобы это сделать, необходимо изучить “тонкие” гидродинамические эффекты, изменяющие локальные параметры течения и теплообмена, — комментирует Николай Прибатурин, — что и является одной из задач программы развития НЦМУ».
В рамках НМЦУ создают специальные стенды — они позволят исследовать физические процессы, происходящие в сборках ТВС разной конфигурации. Работы будут вестись в сотрудничестве со специалистами ГК «Росатом». «Специалисты компании смогут использовать результаты нашей работы для разработки новых технических решений, увеличивающих мощность и надежность реакторных установок. Такие решения, основанные на локализации теплофизических эффектов, и будут моделироваться нами», — объясняет заведующий , доктор технических наук .
Павел Лобанов
Реактор, выходящий в эксплуатацию, должен быть безопасен в работе, эта безопасность обосновывается при помощи расчетных кодов, а они, в свою очередь, могут быть аттестованы и допущены для использования, только если результаты расчетов по кодам совпадают с экспериментальными данными. «Матрица верификации, которая необходима в этом случае, состоит из двух частей: первая часть — обоснование происходящих в ТВС теплофизических явлений, вторая — непосредственно сами экспериментальные данные», — уточняет Павел Лобанов.
Процессы в камерах сгорания авиационных двигателей и газотурбинных энергетических установок
«Наш проект включает в себя создание малоэмиссионной высокоэффективной камеры сгорания, которая работала бы на синтез-газе (как правило, это в основном водород и монооксид углерода, получаемые в процессе газификации угля), аммиаксодержащем топливе, в том числе смеси водорода с аммиаком, или на жидком SAF-топливе (Sustainable Aviation Fuel —возобновляемое авиационное топливо), — говорит заведующий , доктор физико-математических наук, профессор РАН . — Кроме того, важный аспект — чтобы при этом были минимальные выбросы загрязняющих веществ».
В настоящее время рассматриваются разные виды топлива, например водородное с добавлением аммиака. Чистый водород как топливо характеризуется множеством сложностей из-за его высокой летучести: во-первых, жидкий водород необходимо хранить при очень низкой температуре либо использовать газообразный водород при очень большом давлении; во-вторых, водород делает металл хрупким, что сильно повышает риск аварий и взрывов. В качестве альтернативы решили рассмотреть аммиак, потому что существует сеть предприятий по его синтезу, а также налаженная инфраструктура хранения и транспортировки, развитая, в том числе из-за активного применения при создании удобрений.
Малоэмиссионное горелочное устройство газотурбинной установки
Однако при сжигании аммиака есть ряд проблем, которые необходимо решить. Самая актуальная из них — снизить количество выделяемых оксидов азота, которых в процессе сжигания выделяется на порядки больше, чем предполагают существующие стандарты, а это будет иметь весомые экологические и климатические последствия. «Получается, что нам надо выяснить, как правильно сжечь аммиак, — при какой температуре, давлении, соотношении “топливо—окислитель” и составе топливной смеси, чтобы достигнуть наименьшего объема выбросов оксидов азота», — поясняет Владимир Дулин.
Еще один перспективный вид топлива для будущего — SAF, оно представляет собой биотопливо для летательных аппаратов, полученное с помощью возобновляемого сырья, и чаще всего используется в смеси вместе с керосином.
«Предполагается, что мы отработаем полный цикл: от модельного лабораторного объекта до испытательного отсека, где будет до трех горелочных устройств, давление выше десяти атмосфер и температура выше 300 ℃, — то есть смоделированы условия в камерах сгорания реальных газовых турбин», — раскрывает подробности В. Дулин. Такие турбины могут применяться в энергетике, авиации и другом транспорте (например, морском). «В настоящий момент у нас есть стенд, который обеспечивает давление до 20 атмосфер, подогрев до 400 ℃, — этот опыт мы планируем расширить на большие тепловые мощности», — добавляет Владимир Михайлович.
В камере сгорания происходят различные физико-химические процессы, которые значительно влияют на скорость образования загрязняющих веществ и в целом на процесс горения. «Топливо инжектируется, диспергируется, смешивается с воздухом и не всегда горит оптимальным образом, — объясняет ученый, — могут возникать термоакустические пульсации в камере сгорания, что приводит к нестационарному процессу горения и может повредить или даже разрушить турбину». Поэтому важно разработать технические параметры такой камеры сгорания, так как даже качество изготовления отверстия форсунки может принципиально влиять на все эти процессы.
Изучение процессов горения в электрическом поле
По этому направлению ИТ СО РАН активно работает с партнерами: Рыбинским государственным авиационным техническим университетом им. П. А. Соловьёва, , Томским политехническим университетом и другими. Сейчас уже проведен целый комплекс мероприятий по модернизации системы обеспечения горячим воздухом, обеспечению материально-технической и математической базы.
Рудотермические технологии
Рудотермическая печь необходима для разделения руды, и, если говорить упрощенно, она представляет собой огромную теплоизолированную емкость, куда поступает подготовленное специальным образом исходное сырье. Подготовка может включать в себя дробление и сепарацию, например с помощью просеивания или магнитного разделения, затем от руды отделяется тот состав, который планируют переплавить, но и он также определенным образом обрабатывается: добавляется восстановитель и связующий элемент (допустим, глина), после чего вся эта смесь превращается в брикеты. Брикетирование нужно, чтобы в рудотермической печи можно было организовать газовый поток с требуемыми параметрами.
Брикеты, продвигаясь в рудотермической печи, последовательно проходят различные температурные зоны, соответствующие режимам восстановления и плавления. Металлы в расплавах способны расслаиваться за счет разной плотности, это происходит примерно так же, как расслаивается вода с маслом, если мы пытаемся их смешать. Соответственно, таким образом металлы можно разделить и «слить» в разные емкости. Исследователи предполагают работать с титаномагнетитовыми рудами, разделяя их на железо и оксид титана.
Для нагрева и последующего разделения руды обычно применяются технологии доменной плавки и традиционные рудотермические печи с графитовыми электродами, однако специалисты ИТ СО РАН предполагают, что наиболее эффективным может быть применение плазмотронов — устройств, где при протекании электрического тока между электродами образуется плазма, которая и воздействует на объект.
Дмитрий Смовж
«Как правило, под плазмотроном понимают систему прямого либо косвенного действия: то есть либо когда электрическая дуга направлена непосредственно на расплавляемый материал, либо плазма может формироваться внутри плазмотрона и выноситься за счет магнитного поля или потока газа на объект, который мы уже непосредственно обрабатываем, — рассказывает заведующий , доктор физико-математических наук . — Традиционная рудотермическая печь — это, условно, такой большой казан, куда помещаются графитовые электроды, а руда, как плов вокруг ложки, находится вокруг них и плавится. Электрод довольно большой: один-два метра в диаметре, нагрев вокруг него может быть неравномерным». Главная проблема заключается в том, что традиционные рудотермические печи не способны обеспечить эффективные режимы разделения титаномагнетитовых руд.
Ученые ИТ СО РАН видят свою задачу в создании системы, где источник тепла будет локализован лучше, и при этом он будет обеспечивать аналогичный тепловой поток, а зона с максимумом выделения тепла — отделена от электрода. В отличие от больших электродов такие будет проще регулировать: при необходимости их можно быстрее нагреть или остудить за счет низкой тепловой инерции. «Меняя напряжение, мы можем резко изменять тепловой поток в нашей системе», — поясняет Дмитрий Смовж. Кроме того, в такой системе можно получать более высокие температуры, а сами электроды будут изнашиваться медленней, что выйдет гораздо экономнее для металлургии.
«Сейчас мы занимаемся как раз проработкой того, какие электроды наиболее эффективны, развиваем расчетную группу, которая определяет, какие параметры подойдут, формулируем технические требования, изучаем имеющиеся системы и подходы, — рассказывает исследователь, — смотрим и рассчитываем показатели теплообмена, горения дуги, ее воздействия на электроды и многое другое. Нам необходимо знать объем тепловых потерь, так как от него зависит выделяемая на электродах энергия, что, в свою очередь, влияет на срок их службы: чем сильнее греются электроды, тем чаще их нужно менять и больше тратить воды на охлаждение при работе».
Графитовый плазмотрон для получения углеродных наноструктур
По словам Дмитрия Смовжа, ресурс электродов в этой технологии — один из самых сложных вопросов. На сегодняшний день он составляет 500—1 000 часов, для металлургии это может быть приемлемо только в том случае, если работает батарея устройств: 10—15 штук, которые по очереди обслуживаются без остановки агрегата. Это также позволяет получить и необходимую мощность для промышленного применения в 50—200 мегаватт. Другой подход — поиск иного материала или технологии для электродов, которые бы помогали им служить дольше. «В качестве перспективы рассматриваются графитовые электроды, кроме того, развиваются системы самовосстанавливающихся электродов: в газовую смесь можно добавить углеводороды, которые формируют защитное покрытие», — поясняет Дмитрий Смовж.
Совместно с промышленными партнерами ученые планируют изготовить исследовательский стенд — рудотермическую печь мощностью до одного мегаватта для будущих испытаний плазмотронов. Это будет опытный образец для отработки технологии на основе проб с разных рудных месторождений России.
«Помимо перечисленного, мы решаем вопрос рециркуляции используемых газов, которые формируются при добыче и переработке руды», — комментирует Дмитрий Смовж. Ученые предполагают, что в подобном цикле выхлопные газы, содержащие CO2, можно будет смешивать с метаном и пропускать через плазмотрон, получая синтез-газ (смесь водорода с CO), что позволит реализовать зеленую технологию переработки руды.
Реализация проекта НЦМУ предполагает технологические решения довольно высокого уровня готовности: должен появиться прототип установки, проведены испытания в моделируемых условиях эксплуатации и отработан процесс масштабирования (уровень технологической готовности — TRL6). В Сибири реализуется два таких проекта: в ИТ СО РАН и в Томском государственном университете.
Наука в Сибири. Юлия Позднякова
Фото автора