Специалисты НИЯУ МИФИ разработали методику ранней диагностики кризиса теплоотдачи, которая позволит повысить безопасность и экономическую эффективность атомных станций, а также предотвратить выход из строя электроники.
Физическое понимание процесса кипения критически важно для атомной энергетики. В реакторах типа ВВЭР объемное кипение недопустимо, так как оно может привести к опасному явлению — кризису теплоотдачи. Его физическая природа заключается в том, что при большом количестве центров парообразования на поверхности образуется паровая пленка. Она работает как теплоизолятор, не давая теплоносителю контактировать с нагревателем. В результате тепловыделяющий элемент (ТВЭЛ) может перегреться и разрушиться.
«Это очень опасное явление, когда в активных зонах атомных реакторов происходит резкое ухудшение теплоотдачи за счет запаривания тепловыделяющего элемента. Температура нагревателя будет резко расти вплоть до его расплавления», — пояснил один из авторов исследования, доцент кафедры теплофизики НИЯУ МИФИ, руководитель лаборатории теплогидравлики и физики кипения Кирилл Куценко.
Сегодня на реальных АЭС риск подобных инцидентов исключен благодаря применению коэффициента запаса: реакторы работают не на пределе своих возможностей. Однако это означает, что станции недогружены. По словам ученых, повышение мощности даже на несколько процентов существенно повысило бы эффективность, но для этого нужны надежные инструменты контроля.
Ученые МИФИ предложили методику, основанную на анализе флуктуаций температуры теплоотдающей поверхности.
«Эти флуктуации несут очень полезную информацию о режимах теплообмена и позволяют определять не только режимы течения теплоносителя, но и его закипание, и наступление кризиса теплоотдачи в реальном времени», — отметил Кирилл Куценко.
Ключевая особенность метода — возможность прогнозировать опасные явления до их возникновения. В отличие от температуры поверхности ТВЭЛ, которую измеряют только на исследовательских сборках, давление и расход теплоносителя измеряются постоянно. Ученые ищут корреляции между этими параметрами и температурой, чтобы создать универсальный инструмент диагностики.
Хотя методика создавалась для атомной энергетики, авторы отмечают, что она может найти применение и в других сферах. Так, в проекте «Прорыв» Росатома используются жидкометаллические теплоносители (натрий, свинец, висмут), которые не должны закипать. Предложенный подход применим к любым жидкостям, включая те, что используются для охлаждения сверхпроводящих магнитов в больших ускорителях. Кроме того, разработка актуальна для микроэлектроники, где применяется охлаждение чипов специальными жидкостями для повышения их производительности.
Разработка уже прошла проверку на различных теплоносителях, включая жидкий азот и воду. Конечная цель ученых МИФИ — создание программно-аппаратного комплекса, который станет «советчиком» для оператора АЭС. Система должна работать в режиме реального времени, предупреждая о рисках закипания. В перспективе ученые планируют использовать для этого технологии искусственный интеллект.
