НИКИЭТ и Институт проблем безопасного развития атомной энергетики РАН разрабатывают и тестируют расчетные коды нового поколения для нужд атомной энергетики. По техническим заданиям НИКИЭТ и ОИВТ РАН исследуют гидродинамику и теплообмен в проектах инновационных реакторов. Цикл работ охватывает вопросы теплообмена в каналах сложной формы, с закруткой потока, в средах с внутренним энерговыделением. Проводятся исследования полей температуры и пульсаций температуры при смешении разнотемпературных потоков жидкого свинца в камерах, изучается сложный перенос тепла в режиме термогравитационной свободной конвекции жидкого свинца.
Бесспорное лидерство России в атомной отрасли основано именно на научных результатах. И вклад этот признан. Государственная премия Российской Федерации в области науки и техники вручена в июне 2024 года за разработку замкнутого ядерного цикла и проект «Прорыв» члену-корреспонденту РАН Михаилу Ковальчуку и представителям Росатома докторам технических наук Евгению Адамову и Владимиру Асмолову. Премию Правительства Российской Федерации в области науки и техники «за создание и развитие научных основ теплогидравлики реакторных установок нового поколения» в конце 2024 года получил ряд сотрудников Института теплофизики им. С.С Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук: руководитель работ, директор ИТ СО РАН академик РАН , член-корреспондент РАН, доктор технических наук , ученый секретарь института кандидат физико-математических наук , доктор технических наук , доктор физико-математических наук . Среди лауреатов также ряд ведущих специалистов предприятий Госкорпорации Росатом и Нижегородского технического университета им. Р.Е. Алексеева. Теплофизики усовершенствовали гидродинамические тепловые процессы в тепловыделяющих сборках (ТВС) современных водо-водяных реакторов. Ученым удалось внести вклад в развитие эволюции тепловыделяющих сборок ВВЭР от ТВС-2 до ТВС АЭС-2006. В итоге эффективность реакторов возросла.
Институт теплофизики уже несколько десятков лет взаимодействует с атомной отраслью, выполнено много серьезных проектов. Есть интеграция и с другими профильными организациями, в том числе с академическими. В частности, с 2007 года в ИТ СО РАН работает филиал Института проблем безопасного развития атомной энергетики (ИБРАЭ) РАН. К сегодняшнему дню в Институте теплофизики создан комплекс экспериментальных лабораторных стендов для моделирования теплогидравлических процессов, происходящих при течении различных теплоносителей, в том числе жидкометаллических (ЖМТ) – свинца, свинца-висмута. Эти стенды позволяют осуществлять сбор данных для верификации интегрированных систем расчетных кодов нового поколения, предназначенных для обоснования безопасности атомных реакторов. Современные эффективные программы требуют детальной валидации, нужна обширная экспериментальная информация. Прогонять все возможные режимы течения на действующих реакторах долго, дорого и попросту опасно. Но можно создать лабораторные модели основных теплогидравлических явлений, характерных для реакторной установки. На комплексе малых стендов можно исследовать всю локальную гидродинамику и теплообмен, при необходимости создавая новый стенд под конкретную задачу.
«Нам удалось наладить конструктивный диалог и совместные исследования с таким мощным партнером, как Росатом, – рассказывает . – Россия ресурсами богата, от этого никуда не деться, и доминирует, конечно, тепловая энергетика. Но и атомная отрасль занимает достойное место в энергетическом балансе, государство это направление интенсивно поддерживает. На повестке дня и создание новых типов реакторов, и совершенствование существующих. Одно из стратегических направлений – двухкомпонентная ядерная энергетика на базе замкнутого ядерного топливного цикла, развиваемая в нашей стране в рамках проекта «Прорыв». И хотя у этого проекта есть критики, за ним будущее. Причина не только в том, что снимаются ограничения по урановому топливу: запасов урана-238 хватит на несколько сотен лет. Новое серьезное направление по созданию ядерных реакторов на быстрых нейтронах с использованием жидкометаллических теплоносителей выступает драйвером многих современных технологий, прежде всего в материаловедении. В работах по моделированию и оптимизации тепловых процессов в таких реакторах наш институт принимает активное участие. А правительственную премию мы получили за цикл работ, связанных с теплогидравликой традиционных атомных энергетических установок. Здесь теплофизические процессы играют ключевую роль, и на основе серьезных фундаментальных исследований мы смогли найти пути интенсификации процессов теплообмена. Эти «маленькие хитрости» привели к заметному повышению эффективности традиционных реакторов на ряде энергоблоков. Важной частью работы стали исследования, направленные на повышение безопасности атомных станций, верификацию теплогидравлических кодов на современной экспериментальной базе ИТ СО РАН.
За всеми этими значимыми практическими результатами стоит серьезная наука – статьи, монографии, патенты. Оценив преимущества сотрудничества с ИТ СО РАН, Росатом стал одним из ключевых индустриальных партнеров Научного центра мирового уровня «Теплофизика и энергетика» (НЦМУ), создающегося в институте. Одно из направлений работы центра – повышение мощности и надежности работающих атомных станций с реакторами водо-водяного типа и создание принципиально новых ректоров малой и средней мощности для широкого спектра приложений. Основная ниша для наших работ в рамках научного центра мирового уровня, относящихся к направлению совершенствования теплогидравлики ядерных энергетических установок – «мезомасштабное» моделирование. Для нас это новый этап развития. Это еще не крупные испытательные стенды, которых немало построено в базовых организациях Росатома (испытания на них являются обязательным этапом для окончательного подтверждения параметров строящихся и модернизируемых АЭС), но уже и не лабораторные установки, большой комплекс которых сегодня имеется у нас в институте. На своих мезомасштабных стендах мы сможем использовать имеющиеся у нас в арсенале, а также активно разрабатываемые диагностические системы для определения локальных характеристик процессов с параметрами, близкими к реальным, что крайне необходимо для нахождения путей интенсификации и оптимизации теплогидравлики и детальной валидации расчетных кодов. К слову сказать, серьезный потенциал в нашем НЦМУ мы имеем и в части возможностей для построения «цифровых двойников» изучаемых объектов: несколько квалифицированных групп специалистов, хорошие вычислительные мощности, отечественные расчетные коды «ЛОГОС», Flow Vision – у нас плотные контакты с их разработчиками – а также коды собcтвенной разработки Sigma Flow, отлично себя зарекомендовавшие для различных приложений. Среди основных, задача НЦМУ «Теплофизика и энергетика» – научное сопровождение и поиск новых технических решений для перспективных реакторных установок с водой при сверхкритических параметрах в качестве теплоносителя, реакторов малой и средней мощности, крайне необходимых для энергообеспечения удаленных районов, особенно в Арктической зоне, а также реакторов для плавучих электростанций и ледокольного флота. Разумеется, на повестке дня остаются работы, связанные с проектом «Прорыв». Отдельное крайне важное направление – совершенствование так называемого второго контура атомной электростанции. Это комплекс систем, обеспечивающих преобразование получаемой в реакторе тепловой энергии в электрическую, и серьезной задачей является повышение их эффективности, оптимизация капитальных и эксплутационных затрат. Сюда входят работы по совершенствованию конструкций паровых турбин, нахождению новых современных решений для теплообменного оборудования, в целом направление по повышению параметров термодинамических циклов для увеличения КПД. Все эти задачи мы планируем решать совместно с нашим стратегическим партнером Росатомом, привлекая и другие организации энергетической и машиностроительной отраслей».
Благодарим за помощь и предоставленные материалы Архив РАН и пресс-службу РАН.
Еженедельная газета научного сообщества «Поиск». Ольга КОЛЕСОВА
Фото из архива ИТ СО РАН. На фото: член-корреспондент РАН Николай Алексеевич Прибатурин.