Лаборатория моделирования теплогидравлических процессов в ЯЭУ с жидкометаллическими теплоносителями

Состав лаборатории

В составе лаборатории 38 человек. В том числе 4 доктора наук, 3 кандидата наук, а также высококвалифицированные научные сотрудники, молодые инженеры и рабочие. В лаборатории 12 специалистов моложе 35 лет.

Направления исследований

• Обоснование теплогидравлических характеристик активных зон, проточных частей и компонентов ядерных реакторов и ядерно-энергетических установок с жидкометаллическими теплоносителями.
• Обоснование безопасности ядерных реакторов и ядерно-энергетических установок с жидкометаллическими теплоносителями.
• Разработка и исследование элементов и систем безопасности АЭС с реакторами на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем (БН), проведение прикладных исследований технологии натриевого теплоносителя.
• Разработка и исследование характеристик инновационных устройств на основе испарительно-конденсационных систем (тепловые трубы) с жидкометаллическими теплоносителями, проведение исследований в их обоснование.
• Экспериментальное обоснование инновационных проектов парогенераторов, теплообменного и другого оборудования реакторных установок с щелочными (натрий, натрий-калий) и тяжелыми (свинец, свинец-висмут) теплоносителями.
• Теплогидравлические испытания моделей парогенераторов с жидкометаллическим обогревом, направленные на получение данных о теплообмене, кризисе теплоотдачи, гидравлических потерях, границах гидродинамической устойчивости во всех эксплуатационных режимах.
• Экспериментальное обоснование гидродинамических характеристик и оптимизация конструкции проточных частей ядерных реакторов, теплообменного и другого оборудования реакторных установок с различными жидкометаллическими теплоносителями.
• Исследование и разработка теплообменного оборудования с естественной циркуляцией жидкометаллического теплоносителя.
• Обоснование проточных частей конструкций реакторов любого типа для получения необходимых данных по полям скорости, давления и расхода теплоносителя, с использованием в качестве модельных теплоносителей воздуха и воды.
• Поддержание экспериментальной базы лаборатории (стенды, задействованные в выполнении НИОКР) в работоспособном состоянии.

Продукция и услуги

• кондукционных магнитогидродинамических устройств (насос, расходомер, насос-расходомер) для создания и измерения расхода жидких металлов.
• Разработка и изготовление тепловых труб с жидкометаллическими теплоносителями и устройств на их основе.
• Разработка и изготовление тепловых труб и термосифонов с различными теплоносителями.
• Теплогидравлические испытания элементов теплообменного оборудования в жидких металлах.

Результаты, полученные за период 2017-2021 гг.

Экспериментальные исследования и испытания элементов оборудования для реакторной установки БН-1200М

• разработана концепция встроенного в бак реактора пробкового индикатора примесей в натриевом теплоносителе;
• проведены испытания однотрубной модели парогенератора БН-1200М с дроссельным устройством;
• проведены испытания экспериментальных образцов насоса-расходомера и вентиля-шайбы для пробкового индикатора примеси в натрии;
• выполнены ресурсные испытания различных вариантов устройств пассивной аварийной защиты температурного действия (ПАЗ-Т);
• впервые проведены динамические испытания различных конструкций макетов устройства самосрабатывающего температурного действия (УС-Т).

Рабочий участок испытаний насоса-расходомера и вентиля-шайбы (схема и фото)

Испытания и расчетные исследования в обоснование элементов оборудования РУ БРЕСТ-ОД-300

• проведены испытания моделей парогенератора БРЕСТ-ОД-300;
• экспериментально установлено влияние концентрации кислорода в свинце на теплообмен, даны рекомендации;
• разработана методика и выполнен расчет гидравлики газлифтного зонда системы контроля герметичности оболочек твэлов БРЕСТ-ОД-300.

Разработка и испытания электромагнитных насосов и расходомеров

• разработан, изготовлен и испытан насос-расходомер сплава натрий-калий для мишенного комплекса производства ²²⁵Ас;
• разработан и изготовлен экспериментальный образец насоса-расходомера с повышенным напором насоса и повышенной чувствительностью расходомера для пробкового индикатора реактора БН-1200М. Проведены испытания, выполнена градуировка и определены технические характеристики экспериментального образца;
• разработана, теоретически обоснована и экспериментально проверена методика поверки насоса-расходомера пробкового индикатора, без демонтажа из корпуса реактора;
• разработан, изготовлен и испытан расходомер для измерения сверхмалых (от 10 см³/ч) расходов жидкого цезия.

Новые проекты

• предложена концепция ядерного энергоисточника с термофотоэлектрическим преобразованием тепловой энергии в электрическую с тепловыми трубами.

Ядерная медицина

• разработан и изготовлен теплогидравлический макет мишенного комплекса для производства ²²⁵Ас, проведены его успешные испытания;
• разработан и изготовлен прототип мишенного комплекса с нерадиоактивным аналогом радия. Проведены комплексные испытания прототипа на пучке электронного ускорителя на площадке АО «НИФХИ им. Л.Я. Карпова».


Прототип мишенного комплекса для производства ²²⁵Ас (слева) и его установка на ускорителе (справа)

Публикации и патенты

• более 60 статей в рецензируемых журналах;
• более 40 статей в различных сборниках;
• представлено более 30 докладов на конференциях, симпозиумах международных совещаниях; 
• получено 7 патентов РФ на изобретения.

Экспериментальная база

• Жидкометаллический стенд «6Б».
• Высокотемпературный жидкометаллический стенд для исследования аварийных режимов работы реакторов на быстрых нейтронах.
• Многопетлевой жидкометаллический стенд СПРУТ.
• Крупномасштабный гидродинамический стенд СГДИ.
• Двухконтурный гидравлический стенд СГИ.
• Комплексный литиевый исследовательский стенд ЛИС-М.

Патенты и свидетельства

Историческая справка

Лаборатория моделирования теплогидравлических процессов в ЯЭУ с жидкометаллическими теплоносителями (лаборатория 22) была создана в 1956 году для проведения экспериментальных, теоретических и расчетных исследований гидродинамики и теплообмена в активных зонах и в теплообменном оборудовании ядерных установок различного назначения, охлаждаемых жидкими металлами.

Основатель лаборатории и первый ее руководитель (1956–1972) – д.т.н., профессор Ушаков Павел Анатольевич. Затем начальниками лаборатории были: д.т.н., профессор Жуков Альберт Владимирович (1973–1992), д.т.н. Сорокин Александр Павлович (1993–2010), к.т.н. Привезенцев Виталий Владимирович (2010–2015), к.т.н, доцент Кузина Юлия Альбертовна (с 2015 по 2017).

За время существования в лаборатории получен ряд фундаментальных и практических результатов. В настоящее время лаборатория обладает уникальной экспериментальной базой. Разработаны оригинальные экспериментальные методы измерений, которые широко используются при работе с жидкими металлами.

В лаборатории разработаны также программы теплогидравлического расчета, которые заложены в основу обоснования работы и безопасности энергетических установок, охлаждаемых жидкими металлами.

За время существования в лаборатории получен ряд фундаментальных и практических результатов. В лаборатории разработаны программы теплогидравлического расчета, которые заложены в основу обоснования работы и безопасности энергетических установок, охлаждаемых жидкими металлами.

В лаборатории получены важные результаты в области гидродинамики и теплообмена в однофазных и двухфазных потоках жидкометаллических теплоносителей.

Выполнен ряд прикладных экспериментальных и расчетных теплогидравлических исследований применительно к активным зонам и узлам оборудования ядерных реакторов с жидкометаллическими теплоносителями (Na, Na-K, Pb, Pb-Bi) различного назначения.

Разработанный в лаборатории комплекс программ МИФ является базовым в Госкорпорации «Росатом» для расчетного обоснования теплогидравлических характеристик активной зоны реакторов на быстрых нейтронах. Разработана версия программы МИФ-СКП для теплогидравлического анализа активных ядерных реакторов, охлаждаемых водой при сверхкритических параметрах.

Разработаны научно-технические основы создания высокоэффективных устройств пассивной аварийной защиты ядерных реакторов на основе лиофобных капиллярно-пористых систем.

Выполнено экспериментальное обоснование теплообмена в мишени ускорительно управляемой системы с охлаждением сплавом Pb-Bi.

В 2017 году произошло объединение лаборатории 22 с лабораторией 21, созданной в 1954 году в составе теплофизического отдела во главе с П.Л. Кирилловым.

В лаборатории 21 была создана экспериментальная база для освоения натрия как теплоносителя ЯЭУ. В первую очередь были разработаны: правила работы, техника измерений, спецодежда, стойкая к действию щелочных металлов. Были изучены теплопередающие свойства натрия. Разработаны рекомендации по технологии сплава натрий-калий. Получены надежные данные по коэффициентам теплоотдачи в щелочных металлах.

Результаты выполненных в лаборатории исследований теплопередающих и физико-химических свойств натрия, имеющие фундаментальное значение, позволили разработать технологию натрия, обосновать и оптимизировать теплогидравлические режимы и параметры ЯЭУ с натриевым теплоносителем.

С 1960 года в лаборатории начаты работы по кипению калия, а затем и цезия, при циркуляции. Проведены исследования динамики вскипания, измерены коэффициенты теплоотдачи при движении парожидкостной смеси, исследованы процессы теплообмена в моделях топливных сборок реакторов в момент вскипания при аварийных ситуациях.

В 1965 году коллектив лаборатории сосредоточился на решении вопросов, связанных с обоснованием работы парогенераторов с жидкими металлами, а натриевая группа выделилась в самостоятельную лабораторию  67 под руководством Ф.А. Козлова.

Лаборатория 21 является также правопреемником опыта и достижений лаборатории 54, созданной в 1961 году под руководством д.т.н. Ивановского М.Н. Начальниками лаборатории 54 были д.т.н. Арнольдов М.Н. (1977-1978), д.т.н. Логинов Н.И. (1979-2010), Михеев А.С. (2010-2017).

В лаборатории 54 была разработана технология лития как теплоносителя ЯЭУ, проведен широкий круг исследований теплоотдачи при конденсации паров металлов, изучены процессы пленочной и капельной конденсации металлов. Разработана и экспериментально проверена технология глубокой очистки натрия от кислорода. Технология очистки сплава натрий-калий внедрена при подготовке контура и заполнения теплоносителем установок «БУК» и «ТОПАЗ».

Лаборатория 54 добилась существенных успехов в области технологии тепловых труб, и занимала ведущую позицию в СССР в области тепловых труб с жидкометаллическим теплоносителем.

В лаборатории 54 проведены исследования физико-химических и теплофизических свойств и способов приготовления сплавов жидких металлов (NaPb, PbК, PbLi) как возможных теплоносителей ядерных и термоядерных установок. В частности, установлено, что кислород может существовать в натрии не только в виде двуокиси Na₂O, но и в форме сложного оксида NaCrO₂.