Микроскопические капли воды помогут охлаждать атомные реакторы

11:13, 23 апреля 2021

Ученые разработали технологию для атомных станций жарких и засушливых стран

Интенсивность теплоотдачи ученые проверили на экспериментальной установке. Фото: кафедра атомных станций и возобновляемых источников энергии УрФУ.

Ученые Уральского федерального университета создали технологию, которая увеличивает эффективность систем охлаждения атомных реакторов. Она делает энергогенерацию производительнее и безопаснее, подходит для атомных станций жарких и засушливых стран Ближнего Востока и Северной Африки. Авторы изобретения — аспирант кафедры атомных электростанций и возобновляемых источников энергии УрФУ Акрам Хамзах Абед (Ирак), заведующий кафедрой Сергей Щеклеин и профессор кафедры Валерий Пахалуев.

Суть разработки — в потоке охлаждающего воздуха, который поступает к теплообменнику (отводит тепло от реактора), посредством мелкодисперсного ультразвукового распыления подают водный аэрозоль (размер капель 2–10 микрон). Ультразвуковой генератор аэрозоли, который использовали ученые УрФУ, отличается от аналогов экономичностью в потреблении энергии и тихим режимом работы.

При соприкосновении с теплообменником аэрозоль поглощает тепло нагретой поверхности, испаряется и вместе с воздухом выходит в атмосферу. Другая часть пара разрушает тепловой пограничный слой воздушного потока в непосредственной близости от трубок теплообменника и снижает сопротивление теплопередаче. Испарение одного килограмма воды приводит к поглощению и отведению 2,5 тыс. кДж тепловой энергии. Такой результат невозможен при использовании традиционных технологий.

«Для отведения тепла на АЭС в обычных условиях предназначены такие стандартные системы, как, например, градирни и теплообменники СПОТ. Их используют и в штатном режиме, при работе на номинальной мощности, и при плановой остановке реактора, и в аварийных ситуациях. Однако в климате африканских и ближневосточных стран такие системы малопродуктивны. Мы предлагаем систему, которая обеспечивает высокую производительность и надежность атомных электростанций в любой температурной обстановке», — поясняет Сергей Щеклеин.

Ученые опробовали технологию на экспериментальной установке. Подавали воздух с разной концентрацией воздушно-водяного «тумана» из аэрозоли, с разной скоростью и температурой. Установили, что по мере увеличения массы и скорости воздушно-водяного потока снижается температура поверхности теплообменника и, значит, возрастает интенсивность теплоотдачи.

«В эксперименте и с помощью составленной нами формулы мы рассчитали параметры влажности и скорости воздушно-водяного потока, которые обеспечивают наибольшую эффективность теплоотдачи. Для нормативного теплоотведения достаточно количества влаги, равного 0,05–0,1% от общего объема охлаждающей среды, и сравнительно небольшой скорости — 15–20 м/сек. То есть расход воды и, следовательно, необходимые запасы ее на АЭС незначительны», — описывает Сергей Щеклеин.

При этом системы отвода тепла могут стать компактнее и легче. При подаче максимального количества жидкости температура поверхности теплообменника падает наполовину, а теплоотдача и, соответственно, интенсивность отведения тепла увеличиваются втрое.

«До нас никто подобного результата не получал, увлажнение воздушных потоков приводило к повышению показателей лишь на 30–40%. Секрет — в размерах капель: крупные капли, размером от 1 мм, не испаряются целиком, а капли размером в несколько микрон испаряются мгновенно», — объясняет Акрам Хамзах Абед.

Ученые разработали вариант и для аварийных ситуаций. При отсутствии электроэнергии воздух будет циркулировать в системе благодаря разности температур и особой конструкции тягового участка.

По словам руководителя проекта Сергея Щеклеина, Египет, Турция, Сирия, Ирак, Иран и другие страны этого региона выражают готовность развивать атомную энергетику в сотрудничестве со специалистами российской госкорпорации «Росатом».

«С учетом уникальности и высокой эффективности созданной технологии научный коллектив во главе с Сергеем Щеклеиным получил патент на изобретение системы аварийного расхолаживания реактора АЭС. Специалисты атомной промышленности проявляют к работе повышенный интерес. Мы рассчитываем, что технология найдет широкое применение как в России, так и в странах-партнерах корпорации „Росатом“», — комментирует заместитель директора Центра по работе с предприятиями УрФУ Александр Черепанов.