Лаборатория моделирования теплогидравлических процессов в ЯЭУ с жидкометаллическими теплоносителями

Состав лаборатории

В составе лаборатории 36 человек, в том числе 3 доктора наук, 2 кандидата наук, а также высококвалифицированные научные сотрудники, молодые инженеры и рабочие. В лаборатории 18 специалистов моложе 35 лет.

Направления исследований

• Обоснование теплогидравлических характеристик активных зон, проточных частей и компонентов ядерных реакторов и ядерных энергетических установок с жидкометаллическими теплоносителями.
• Обоснование безопасности ядерных реакторов и ядерных энергетических установок с жидкометаллическими теплоносителями.
• Разработка и исследование элементов и систем безопасности АЭС с реакторами на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем, проведение прикладных исследований технологии натриевого теплоносителя.
• Разработка и исследование характеристик инновационных устройств на основе испарительно-конденсационных систем (так называемые, 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
• 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 исследований) в работоспособном состоянии.

Продукция и услуги

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

Результаты, полученные за период 2017-2022 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;
• впервые проведены динамические испытания различных конструкций макетов устройства самосрабатывающего температурного действия;
• проведены испытания семитрубной модели парогенератора БН-1200М.

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, изготовлен и испытан экспериментальный образец насоса-расходомера для пробкового индикатора реактора БН-1200М;
• 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

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

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 (2015–2017), к.т.н. Рухляда Павел Николаевич (2017–2019), Низовцев Артём Александрович (2019–2021), к.т.н. Ульянов Владимир Владимирович (с 2021 по настоящее время).

За время существования в лаборатории получен ряд фундаментальных и практических результатов.

Разработаны оригинальные экспериментальные методы измерений, которые широко используются при работе с жидкими металлами.

Разработаны программы теплогидравлического расчета, которые заложены в основу обоснования работы и безопасности энергетических установок, охлаждаемых жидкими металлами.

Исследованы гидродинамика и теплообмен в однофазных и двухфазных потоках жидкометаллических теплоносителей.

Выполнены экспериментальные и расчетные теплогидравлические исследования применительно к активным зонам и узлам оборудования ядерных реакторов с жидкометаллическими теплоносителями (Na, Na-K, Pb, Pb-Bi) различного назначения.

Разработан комплекс программ МИФ, который 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.

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 д.т.н. П.Л. Кирилловым.

В лаборатории 21 была создана экспериментальная база для освоения натрия как теплоносителя ядерных энергетических установок. Результаты выполненных в лаборатории 21 исследований теплопередающих и физико-химических свойств натрия, имеющие фундаментальное значение, позволили разработать технологию натрия, обосновать и оптимизировать теплогидравлические режимы и параметры ядерных энергетических установок с натриевым теплоносителем.

С 1960 года в лаборатории 21 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.

Лаборатория 22 является также правопреемником опыта и достижений лаборатории 54, созданной в 1961 году под руководством д.т.н. Ивановского М.Н.

В лаборатории 54 была разработана технология лития как теплоносителя ядерных энергетических установок, 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 также добилась существенных успехов в области технологии тепловых труб, и занимала ведущую позицию в СССР в области тепловых труб с жидкометаллическим теплоносителем.