Школе теплофизики ГНЦ РФ-ФЭИ 60 лет

Школе теплофизики ГНЦ РФ-ФЭИ 60 лет

Школе теплофизики ГНЦ РФ-ФЭИ 60 лет

Т.Н. Верещагина, А.П. Сорокин

Государственный научный центр Российской Федерации - Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского, Обнинск

Идея создания реакторов-размножителей на быстрых нейтронах, выдвинутая А.И. Лейпунским, предполагала использование в качестве теплоносителей жидких металлов. В то время не только в Лаборатории «В» (так назывался в то время Физико-энергетический институт), но и во всей стране не было экспериментальной базы, на которой можно было бы провести исследования свойств жидких металлов, получить опыт работы с ними. В мировой литературе по свойствам металлов, предлагавшихся в качестве теплоносителей, имелись лишь отрывочные данные. Поэтому одним из важнейших разделов программы исследований, необходимых для создания реакторов на быстрых нейтронах, являлось изучение теплопередающих свойств жидкометаллических теплоносителей, к которому приступили в институте в 1949-1950 годах [1].

В 1950 году в институт прибыла первая группа теплофизиков - выпускников кафедры И.И. Новикова МЭИ: Кириллов П.Л., Кузнецов В.А., Пупко В.Я. Они составили первые сводки физических величин различных металлов, рассчитали их теплофизические свойства, необходимые для начала работ. Несмотря на то, что к решению задачи освоения жидких металлов привлекался также ряд организаций, таких как МЭИ, ЭНИН, ВИАМ, в институте необходимо было создавать собственную экспериментальную базу для изучения теплофизических свойств жидких металлов, физико-химических процессов взаимодействия с ними реакторных материалов.

В 1951 году в институте был создан первый экспериментальный стенд с жидкометаллическим теплоносителем свинец-висмут, использовавшимся впоследствии в атомных подводных лодках (АПЛ).

Рис. 1. Первый циркуляционный жидкометаллический стенд со сплавом свинец-висмут. 1951 год

В этом же году была организована лаборатория №8 - первая теплофизическая лаборатория, которой последовательно руководили Кириллов П.Л., Шихов С.Б., Субботин В.И. В составе лаборатории работали молодые специалисты, ставшие впоследствии руководителями, известными учеными, такие как Кузнецов В.А., Пупко В.Я., Хачатуров Х.А., Громов Б.Ф., Ибрагимов М.Х., Ушаков П.А. [1].

Выбор 1952 году натрия в качестве теплоносителя для быстрых реакторов требовал проведения работ по изучению его теплопередающих свойств и по разработке технологии обращения с ним. В результате, уже в 1953 году был создан первый стенд с циркулирующим натрием.

Рис. 2. Первый стенд с натрием. 1953г

Необходимость тепловых испытаний твэлов для первой атомной электростанции привела к созданию водяных стендов. В 1952 году в институте начались работы по теплофизике водоохлаждаемых ректоров. Для тепловых испытаний опытных образцов твэл под руководством Б.А. Зенкевича был создан первый водяной стенд низкого давления мощностью 50 кВт, который после отработки методики испытаний был передан в НИИХИММАШ. В 1953 году было принято решение о создании водяного стенда высокого давления (100 атм) для испытаний твэл при номинальных проектных параметрах первого контура реактора АМ (Атом мирный) для Первой в Мире АЭС. Этот стенд был создан к началу 1954 года.

Таким образом, к 1954 году в ФЭИ начаты работы по изучению свойств и освоению технологии трех разных теплоносителей: натрия, сплава свинец-висмут и воды, а также работы по испытанию в них элементов создаваемых реакторов.

Необходимость проведения широкого фронта работ в области теплофизики была признана руководством института и министерства. В результате, в 1954 году, 60 лет назад, в структуре ФЭИ, утвержденной Министром среднего машиностроения, 24 мая 1954 года, появился теплотехнический отдел № 7 (до 16 июля 1956 г. - отдел № 4). Начальником отдела приказом от 24 июля того же года был назначен В.И. Субботин. В отдел входили три лаборатории: №19 (до 1956 года №9) во главе с Зенкевичем Б.А. (теплофизика водоохлаждаемых реакторов), №20 (до 1956 года №10) во главе с Хачатуровым Х.А. (свинцово-висмутовая) и №21 (до 1956 года №11) во главе с Кирилловым П.Л. (натриевая) [1]. Кадровый состав отдела: 43 инженерно-технических работника, и 59 рабочих. Среди первых научных сотрудников отдела - Ушаков П.А., Ибрагимов М.Х-Г. Кротов В.И., Капырин Е.Н., младшие научные сотрудники - Песков О.Л., Судницын О.А., Номофилов Е.В., Турчин Н.М., Кузнецов В.Ф., Гущин Г.И., среди инженеров - Габрианович Б.Н., Троянов М.Ф., Сергеев Н.Д., Минашин В.Е. и др.

Сегодня можно считать, что создание теплотехнического отдела в 1954 году - это не только результат признания теплофизических исследований в качестве одной из приоритетных задач атомной энергетики, но и рождение в ФЭИ научной школы теплофизики ЯЭУ.

Основные этапы деятельности научной школы теплофизики

На рисунке 3 можно увидеть, как рос коллектив теплотехнического отдела и теплофизического сектора ФЭИ. Однако достижения Школы определяются не количеством сотрудников, а полученными результатами.

Рис. 3 Численность сотрудников теплотехнического отдела и теплофизического сектора

Первый этап формирования научной Школы (1949 - 1956).

В этот период проводилось расчетно-теоретическое обоснование использования жидких металлов как теплоносителей ЯЭУ. Создавалась экспериментальная база для освоения жидкометаллических теплоносителей и для теплофизических исследований воды как теплоносителя ЯЭУ. Приобретался опыт работы с жидкими металлами, создавалось оборудование и средства измерения. Определялись требования к конструкции элементов стендов, разрабатывались правила работы, техники измерений, технология приготовления металла для загрузки стендов. Решались задачи уничтожения отходов и промывки оборудования от остатков щелочных металлов. Разработана спецодежда, стойкая к действию щелочных металлов. Получены результаты первых измерений теплопередающих свойств сплава свинец-висмут, натрия. На водяном стенде проведены испытания твэлов реактора Первой в Мире АЭС при проектных параметрах первого контура.

Второй этап (1957 - 1968) характеризуется проведением широких исследований в обоснование теплогидравлических, физико-химических и массообменных процессов, позволяющих оптимизировать параметры и технологические режимы всех компонент создаваемых ЯЭУ.

На этом этапе проводятся работы по научно-техническому обоснованию теплогидравлических режимов, физхимии и технологии натрия, сплава натрий-калий, лития, по проектированию и сооружению ЯЭУ с реакторами на быстрых нейтронах, атомных подводных лодок (АПЛ), космических аппаратов. Вводятся в эксплуатацию и эксплуатируются БР-5, 27/ВТ и АПЛ проекта 645.

Разработаны рекомендации по технологии натрия и сплава натрий-калий [5].

Начаты работы по освоению литиевого теплоносителя (1958 год). Это потребовало новых методических подходов. Их развитие обеспечивалось разработанными в теплофизическом коллективе технологиями: изготовления термопар, электромагнитных методов измерения расхода жидких металлов, методов контроля примесей.

Сохранено и развивается направление теплофизических исследований на воде. Уже первые опыты по определению критических тепловых потоков на моделях ТВС показали сильное отличие результатов от традиционных оценок для круглых труб и необходимость создания новых методик исследований, учитывающих условия, характерные для ЯЭУ. Дальнейшие исследования по теплогидравлическому обоснованию ЯЭУ с теплоносителем вода стали возможны только благодаря письму академика Курчатова И.В. Славскому Е.П. и Красину А.К. от 29 января 1957 года «...о сохранении в лаборатории тов. Субботина В.И. вопросов теплообмена с водой и кризиса теплоотдачи ...».

В 1959 году защищены первые докторские диссертации по теплофизике: Субботиным В.И «Жидкометаллические теплоносители», Кирилловым П.Л. «Теплообмен жидких металлов в круглых трубах». Защищена кандидатская диссертация Ивановским М.Н. «Скоростной метод измерения среднего коэффициента теплоотдачи в трубе». В 1955 году в Обнинске проведена Первая «Всесоюзная научно-техническая конференция по использованию жидких металлов в качестве теплоносителей».

Третий этап (1969 - 1993) - выпуск руководящих материалов и регламентов поддержания качества теплоносителей.

Учёт опыта эксплуатации действующих ЯЭУ включая аварии на АПЛ проекта 645 и на Чернобыльской АЭС, создание новых промышленных ЯЭУ различного назначения требовали получения новых фундаментальных знаний о физико-химических и теплогидравлических процессах в ЯЭУ как с жидкометаллическим теплоносителем, так и с водой.

Теплофизиками ФЭИ детально изучаются поля температур и скоростей теплоносителей в активных зонах, обоснованы теплогидавлические режимы работы активных зон, промежуточных теплообменников, парогенераторов.

Изучаются особенности саморазвития течи в парогенераторах натрий-вода, определены требования к системам обнаружения течей, разработан индикатор водорода в натрии. Предложен и обоснован эффективный метод регенерации холодных ловушек для натриевых реакторов.

Выполнен комплекс работ по научно-техническому обоснованию технологии теплоносителя свинец-висмут: кислородная пассивация конструкционных материалов, очистка контуров и теплоносителя от примесей, контроль термодинамической активности кислорода.

Проводятся теоретические и экспериментальные исследования вибрации элементов ЯЭУ в жидких теплоносителях.

При работах, связанных с рафинированием галлия, впервые обнаружена возможность получения аэрогелей.

Проведены теплогидравлические и физико-химические исследования в обоснование космических аппаратов ТОПАЗ, БУК [5].

Выпущены следующие руководящие материалы:

Технологический регламент поддержания требуемого качества теплоносителя свинец-висмут и технологические операции, гарантирующие его (1980 год).

Натрий - теплоноситель ядерных энергетических установок с реакторами на быстрых нейтронах (1984 год).

Эвтектический сплав натрий-калий - теплоноситель ЯЭУ (1984 год).

Проводятся работы по систематизации теплофизических данных и по разработке методик и программ расчетов.

Четвертый этап (1994 - 2009) можно охарактеризовать как сохранение научной школы в условиях перестройки и застоя атомной отрасли.

Разработанные проекты реакторов БН-800, СВБР-75/100, ВВЭР-640 не были реализованы. Однако, продолжалась эксплуатация АЭС с РУ БН-600, ВВЭР, РБМК, АПЛ с водяным теплоносителем.

В этих условиях основные усилия были направлены на обоснование повышения безопасности действующих и перспективных ЯЭУ и продления их ресурса. Проводятся фундаментальные и поисковые исследования при поддержке Миннауки и международных грантов. ФЭИ участвует в разработке инновационных проектов ускорительно-управляемых систем, ВВЭР со сверхкритическими параметрами.

Осуществлялось широкое международное научно-техническое сотрудничество, выполнены многочисленные работы по международным проектам и контрактам с организациями и фирмами из США, Германии, Японии, Италии, Франции, Швеции, Республики Корея, Аргентины, Китая, с международными организациями - МАГАТЭ и т.д.

Проведены обширные экспериментальные и теоретические исследования гидродинамики и теплообмена на моделях каналов ядерных энергетических установок. Накоплены значительные массивы данных по теплогидравлике и по теплофизическим свойствам теплоносителей. Разработаны основы моделирования теплогидравлических процессов в контурах и камерах смешения с жидкометаллическим теплоносителем с использованием воды. Показана возможность устойчивого охлаждения ТВС активной зоны быстрых реакторов при возникновении кипения в режимах аварийного расхолаживания. Проведены исследования процесса разрушения ТВС при термическом взаимодействии урансодержащих имитаторов топлива с натрием. Разработаны конструкции пассивных устройств аварийной защиты, работающих на новых принципах. Выполнен ряд теплогидравлических, физико-химических и технологических исследований в обоснование АЭС с РУ БРЕСТ ОД-300. Исследованы теплогидравлические процессы в ТВС, происходящие при повторном заливе реакторных установок ВВЭР и PFR. С использованием кода КУПОЛ проведено обоснование контейнментов ВВЭР.

Методом рассеяния медленных нейтронов обнаружены микровключения (К2О)n в расплаве калия, структура которых была предсказана в численных экспериментах методами молекулярной динамики и статистической геометрии. Обнаружено новое физическое явление - низкочастотная резонансная дисперсия звука в газожидкостных средах.

Разработана технология переработки радиоактивных отходов с использованием сорбционных материалов. Выполнен комплекс расчетно-теоретических и экспериментальных работ по фильтрации жидкостей и газов. Разработаны фильтры и фильтрующие станции для АЭС. Разработан комплекс расчетных кодов для моделирования процессов тепломассопереноса в ЯЭУ.

Развивалась конверсионная деятельность, предпринимались попытки внедрения разработанных технологий в различные отрасли народного хозяйства. Обоснована технология получения ультрадисперсных наноматериалов из расплавов галлия, свинца и свинца-висмута. Созданы метрологические термостаты на основе тепловых труб с неизотермичностью 0,01 и 0,1 градуса. Разработаны экспериментальные установки для низкотемпературной пастеризации молока. Разработано опытное оборудование для производства термостатированных с помощью тепловых труб пресс-форм, позволившее резко снизить количество брака при производстве изделий из стекла. Создана универсальная система подвода тепла для двигателя Стирлинга, позволяющая использовать различные источники энергии (органическое топливо, ядерный реактор, солнечное излучение) и стенд для ее испытаний.

Пятый этап (2010 год - по настоящее время) характеризуется реализацией ФЦП «Ядерные энерготехнологии нового поколения на период 2010-2015 годов и на перспективу до 2020 года» (ФЦП «ЯЭНП»), которая ознаменовала новый этап развития атомной энергетики на основе быстрых реакторов с замыканием ядерного топливного цикла. В ФЭИ проводится большой объем НИОКР в обоснование проектных решений пассивной безопасности, технических решений и устройств водородной безопасности, повышения технико-экономических характеристик ядерного топлива для действующих, строящихся и перспективных атомных электростанций с РУ ВВЭР (АЭС-2006, ВВЭР-1200, ВВЭР-ТОИ), инновационных проектов реакторных установок.

В рамках ФЦП «ЯЭНП» проводится большой объем экспериментальных и расчетных исследований в обоснование проектных решений и безопасности по проектам АЭС с

РУ БН-1200 с натриевым теплоносителем,

РУ БРЕСТ-ОД-300 со свинцовым теплоносителем,

СВБР-100 со свинцово-висмутовым сплавом,

исследовательского реактора МБИР.

Проведена модернизация 18 теплофизических стендов, введен в эксплуатацию ряд новых стендов.

Выполнены НИОКР в обоснование

инновационных проектов ВВЭР-СКД,

концепции электроядерного подкритического бланкета активной зоны с жидкосолевыми расплавами делящихся материалов,

теплогидравлики, массопереноса и разработки комбинированной системы очистки в обоснование высокотемпературной реакторной установки БН-ВТ с температурой натрия ~ 9000С для производства водорода и т.д.

В настоящее время в теплофизических лабораториях ГНЦ РФ - ФЭИ работает около 350 сотрудников, из них - 20 докторов и 45 кандидатов наук. Два член-корреспондента Академии наук получивших это звание во время работы в ФЭИ - В.И. Субботин и В.И. Рачков - теплофизики.

С 1976 года практически ежегодно проводятся теплофизические конференции. На сегодняшний день по различным проблемам теплофизики ЯЭУ проведено 37 конференций, в том числе, международных.

Результаты деятельности Школы обобщены в 34 монографиях, 15 справочниках и руководящих технических материалах, 37 учебниках и учебных пособиях, написанных членами научной школы и при их участии. Список публикаций членов Школы насчитывает более тысячи позиций.

Сотрудниками коллектива Школы теплофизики защищены 28 докторских и более 100 кандидатских диссертаций.

Коллектив научной школы - один из примеров научного сообщества. Сохранение информации о достижениях школы, о ее лидерах и учениках - важная часть деятельности любой научной школы. Необходимо доносить эту информацию до молодого поколения с целью воспитания, сохранения знаний, опыта и традиций Школы, стимулирования желания подражать лучшим. Сохранение духа стремления к научным свершениям, желания творить в науке - это и есть главная задача научной Школы.

Хорошим поводом для реализации указанных целей является празднование юбилеев, когда можно осмыслить совершенное, обратиться к истории, подвести итоги.

июля 2914 года состоялось торжественное заседание НТС, посвященное 60-летию образования теплотехнического отдела ФЭИ. На заседание были приглашены работники ФЭИ, ветераны-теплофизики, коллеги из смежных организаций. Вниманию участников были представлены обзорные доклады.

Об истории создания и основных этапах деятельности коллектива теплофизиков ГНЦ РФ - ФЭИ рассказал А.П. Сорокин. В своем сообщении он отметил основные достижения научной школы теплофизики ФЭИ в области теплогидравлики ЯЭУ.

Ф.А. Козлов сделал доклад о работах в области физической химии и технологии щелочных жидкометаллических теплоносителей.

Доклад «ГНЦ РФ ФЭИ - родина тяжелых теплоносителей Pb и Pb-Bi» представил Ю.И. Орлов.

Заслушанные сообщения позволили участникам заседания еще раз прикоснуться к истории Школы, вспомнить не только достижения и результаты, но и проблемы, которые приходилось преодолевать. Безусловно, охватить всю тематику работ научной Школы в рамках одного дня невозможно, поэтому к празднованию юбилея были подготовлены и изданы сборники, как в виде книг, так и на компакт-дисках. Выпущен сборник материалов по истории работ в области теплофизики в Физико-энергетическом институте [1]. Подготовлен и издан (на компакт-диске) сборник обзорных научных статей [2], обобщающих результаты теоретических, экспериментальных и расчетных исследований школы теплофизики ФЭИ. Подготовлен и издан сборник «Теплофизическая стендовая база по атомной энергетике ГНЦ РФ-ФЭИ»[3]. Все участники заседания получили комплект изданий.

Рис. 4. Изданные к юбилею материалы

Атмосферу праздника создавали выпуски стенной газеты «Теплофизик» 70-х - 80-х годов, выставленные в зале заседания. Участники с большим интересом рассматривали старые фотографии, читали статьи о себе и о своих коллегах. Неформальной изюминкой праздника явилась также презентация мультимедийного сборника «Творчество теплофизиков» [4], в котором представлены творческие способности участников Школы: стихи, прочитанные авторами, фотографии замечательных картин, рисунков, поделок, созданных участниками Школы, а также обзор сохранившихся выпусков стенгазеты «Теплофизик».

Рис. 5. После заседания

Таким образом, в рамках подготовки и проведения торжественного заседания НТС, посвященного 60-летию образования теплотехнического отдела, был реализован крупный проект, направленный на сохранение знаний научной Школы теплофизики ГНЦ РФ-ФЭИ.

Список литературы

Материалы к истории работ по теплофизике в Физико-энергетическом институте / составители: Т.Н. Верещагина, А.П. Сорокин, Ю.В. Фролов, Ю.А. Левченко. - Обнинск, ГНЦ РФ - ФЭИ, 2014. - 176 с.

Исследования в области теплофизики ядерных энергетических установок [текст] электрон. опт. диск (CD-ROM) : (17 Мб). Научно-технический сборник. Обнинск, ГНЦ РФ - ФЭИ, 2014. - 365 с. ISBN 978-5-906512-51-2

Творчество теплофизиков [мультимедиа] электрон. опт. диск (CD-ROM) : (63,8 Мб). Составитель Т.Н. Верещагина : Обнинск, ГНЦ РФ - ФЭИ, 2014.

Жидкие металлы: от первого теплофизического стенда к крупномасштабной атомной энергетике. Сб. статей / под ред. А.Д. Ефанова, Ф.А. Козлова. - Обнинск, ГНЦ РФ - ФЭИ, 2001. - 130 с.