От ИТЭР до СПГ
ТЕХНОЛОГИИ / #3_2021
Текст: Светлана ЗАЙЦЕВА / Фото: пресс-служба АО «НИИЭФА им. Д. В. Ефремова»
На фото: производство сверхпроводящей катушки магнитной системы ИТЭР
Петербургский НИИЭФА им. Д. В. Ефремова — главный конструктор и изготовитель ключевого оборудования ИТЭР: для этого международного проекта институт поставляет более половины российской продукции. «Атомный эксперт» узнал, почему НИИЭФА доверили изготовление важнейшей для реактора системы защитного вывода энергии и на чем институт планирует зарабатывать после выполнения заказа ИТЭР.
Выручка НИИЭФА по итогам 2020 года увеличилась на 25% и составила 4,5 млрд руб. Около 65% приходится на работы по проекту ИТЭР. «Мы поставляем в ИТЭР сверхпроводниковую катушку PF1 полоидального поля магнитной системы, 100% компонентов систем электропитания сверхпроводниковых обмоток (это свыше 3 тыс. тонн оборудования, расположенного в пяти зданиях на площади порядка 15 тыс. м2), З6 патрубков вакуумной камеры — „сердца“ токамака, а также энергонагруженные внутрикамерные компоненты, непосредственно контактирующие с плазмой», — перечисляет гендиректор НИИЭФА Евгений Сакадынец.
В апреле 2021 года НИИЭФА завершил коммутационные испытания прототипа системы быстрого (защитного) вывода энергии из сверхпроводящих обмоток тороидальной магнитной системы ИТЭР. Это одна из самых сложных и ответственных систем в рамках обязательств РФ по поставкам оборудования для международного проекта.
«Меня иногда спрашивают: почему России поручили изготовление важнейшей для реактора системы защитного вывода энергии? Отвечаю: потому что Россия не только родина слонов, но и родина токамаков, — улыбается заместитель гендиректора по термоядерным и магнитным технологиям — директор НТЦ „Синтез“ НИИЭФА Игорь Родин.— Первый токамак был построен в 1954 году в СССР, долгое время мы оставались мировым лидером в развитии этой тематики, но в перестройку сдали позиции. Тем не менее НИИЭФА участвовал почти во всех проектах токамаков в России и в ряде зарубежных проектов». В институте более полувека работают подразделения, занимающиеся этой темой. Удалось накопить огромный опыт. Знания передаются от старших сотрудников младшим: сейчас аппаратурой для ИТЭР занимается четвертое поколение специалистов НИИЭФА, им от 30 до 40 лет. «За рубежом подход другой — проектную команду создают под строящиеся установки, после выполнения работ команда распадается. В результате ни у кого в мире нет подобного длительного и непрерывного опыта разработки крупномасштабных электромагнитных систем, а также сильноточного и коммутационного оборудования, необходимого для его эксплуатации», — объясняет И. Родин.
В апреле 2021 года НИИЭФА завершил коммутационные испытания прототипа системы быстрого (защитного) вывода энергии из сверхпроводящих обмоток тороидальной магнитной системы ИТЭР. Это одна из самых сложных и ответственных систем в рамках обязательств РФ по поставкам оборудования для международного проекта.
«Меня иногда спрашивают: почему России поручили изготовление важнейшей для реактора системы защитного вывода энергии? Отвечаю: потому что Россия не только родина слонов, но и родина токамаков, — улыбается заместитель гендиректора по термоядерным и магнитным технологиям — директор НТЦ „Синтез“ НИИЭФА Игорь Родин.— Первый токамак был построен в 1954 году в СССР, долгое время мы оставались мировым лидером в развитии этой тематики, но в перестройку сдали позиции. Тем не менее НИИЭФА участвовал почти во всех проектах токамаков в России и в ряде зарубежных проектов». В институте более полувека работают подразделения, занимающиеся этой темой. Удалось накопить огромный опыт. Знания передаются от старших сотрудников младшим: сейчас аппаратурой для ИТЭР занимается четвертое поколение специалистов НИИЭФА, им от 30 до 40 лет. «За рубежом подход другой — проектную команду создают под строящиеся установки, после выполнения работ команда распадается. В результате ни у кого в мире нет подобного длительного и непрерывного опыта разработки крупномасштабных электромагнитных систем, а также сильноточного и коммутационного оборудования, необходимого для его эксплуатации», — объясняет И. Родин.
Справка
Система защитного вывода энергии из обмоток тороидального поля с суммарным запасом энергии 40 ГДж, разработанная в АО «НИИЭФА», состоит из девяти комплексных устройств, рассчитанных на длительное протекание постоянного тока 68 кА и развивающих при коммутации тока обмоток в энергопоглощающие резисторы суммарную мощность свыше 600 МВт.
Полномасштабный прототип такого устройства, прошедший полный комплекс типовых испытаний, включает два сильноточных размыкателя постоянного тока: двухступенчатый коммутатор, работающий совместно с импульсной системой противотока на базе емкостных накопителей, предназначенных для гашения дуги, и уникальный быстродействующий аппарат с пироприводом, используемый в качестве резервного выключателя. Испытания системы защитного вывода энергии проходили на одном из стендов НИИЭФА с 13 по 15 апреля 2021 года, они завершили начавшуюся в 2014 году многолетнюю серию типовых испытаний полномасштабных прототипов электротехнического оборудования.
Полномасштабный прототип такого устройства, прошедший полный комплекс типовых испытаний, включает два сильноточных размыкателя постоянного тока: двухступенчатый коммутатор, работающий совместно с импульсной системой противотока на базе емкостных накопителей, предназначенных для гашения дуги, и уникальный быстродействующий аппарат с пироприводом, используемый в качестве резервного выключателя. Испытания системы защитного вывода энергии проходили на одном из стендов НИИЭФА с 13 по 15 апреля 2021 года, они завершили начавшуюся в 2014 году многолетнюю серию типовых испытаний полномасштабных прототипов электротехнического оборудования.
Пропитать катушку
В марте 2021 года была пройдена еще одна важная веха: на территории Средне-Невского судостроительного завода завершилась вакуумно-нагнетательная пропитка обмотки катушки полоидального поля PF1, изготовленной НИИЭФА для ИТЭР. Эта пропитка необходима для получения электрической изоляции с крайне высокой диэлектрической и механической прочностью. «Главная сложность при пропитке состояла в том, что это необратимая операция, переделать что-либо в случае неудачи было бы невозможно. Иными словами, мы просто не имели права на ошибку. Но мы ничуть не сомневались в успехе, потому что над изготовлением катушки работает по-настоящему высококлассный коллектив», — комментирует директор российского Агентства ИТЭР Анатолий Красильников.
Девятиметровая катушка PF1 весит 161 тонну; она совместно с пятью другими катушками, которые изготавливаются во Франции и Китае, обеспечивает контроль положения и формы плазменного шнура. Катушка PF1 — очень сложное изделие, собираемое из восьми сверхпроводниковых двухслойных двухзаходных галет. Итоговая сборка изделия и отправка на площадку сооружения реактора ИТЭР запланирована на весну 2022 года.
В марте 2021 года была пройдена еще одна важная веха: на территории Средне-Невского судостроительного завода завершилась вакуумно-нагнетательная пропитка обмотки катушки полоидального поля PF1, изготовленной НИИЭФА для ИТЭР. Эта пропитка необходима для получения электрической изоляции с крайне высокой диэлектрической и механической прочностью. «Главная сложность при пропитке состояла в том, что это необратимая операция, переделать что-либо в случае неудачи было бы невозможно. Иными словами, мы просто не имели права на ошибку. Но мы ничуть не сомневались в успехе, потому что над изготовлением катушки работает по-настоящему высококлассный коллектив», — комментирует директор российского Агентства ИТЭР Анатолий Красильников.
Девятиметровая катушка PF1 весит 161 тонну; она совместно с пятью другими катушками, которые изготавливаются во Франции и Китае, обеспечивает контроль положения и формы плазменного шнура. Катушка PF1 — очень сложное изделие, собираемое из восьми сверхпроводниковых двухслойных двухзаходных галет. Итоговая сборка изделия и отправка на площадку сооружения реактора ИТЭР запланирована на весну 2022 года.
Хорошая реклама
Старожилы НИИЭФА вспоминают, что в 2001 году, когда был закончен технический проект ИТЭР, никто не представлял, насколько сложной, трудоемкой и дорогой будет эта работа. «Первичные оценки стоимости сооружения ИТЭР, которые были проведены в 1990-х годах, оказались в три-пять раз ниже его реальной стоимости. Во время работы над оборудованием для этого реактора появились новые технологии, существование которых невозможно было себе представить еще 20 лет назад», — рассказывает И. Родин. Он уверен, что специалисты, прошедшие школу проекта ИТЭР, будут определять образ нашей науки в ближайшие 10−15 лет.
Физический пуск реактора запланирован на 2025 год. «По значимости это событие можно сравнить с запуском первого космического спутника на орбиту. Некоторые критики заявляют, что ИТЭР — установка без будущего, но это полная ерунда. Сейчас никто не может предсказать, какие научно-технические возможности появятся с запуском этого реактора. Скорее всего, на базе результатов его работы будет создан ряд установок нового класса», — рассуждает И. Родин.
Одной из таких установок станет российский токамак реакторных технологий (ТРТ), проектирование которого ведется в рамках комплексной программы «Развитие техники, технологий и научных исследований в области использования атомной энергии на период до 2024 года». На площадке ТРИНИТИ в Троицке (Новая Москва) предполагается к 2030 году завершить сооружение этого реактора. «Как и при создании предыдущих установок, НИИЭФА выполняет роль главного конструктора, обеспечивая расчетные и конструкторские работы систем токамака», — говорит И. Родин.
Работа на ИТЭР стала для НИИЭФА хорошей рекламой. «К нам теперь постоянно обращаются немцы и чехи — заказывают электромагниты для своих токамаков. Недавно поступило предложение о сотрудничестве в проекте американского токамака SPARC, который планируется разместить на северо-востоке штата Массачусетс. Нас просят изготовить для него такую же сильноточную и высоковольтную коммутационную аппаратуру, как для ИТЭР, — рассказывает Е. Сакадынец.— Если договоримся, то получим многомиллиардный заказ. Но о цифрах говорить пока рано».
Старожилы НИИЭФА вспоминают, что в 2001 году, когда был закончен технический проект ИТЭР, никто не представлял, насколько сложной, трудоемкой и дорогой будет эта работа. «Первичные оценки стоимости сооружения ИТЭР, которые были проведены в 1990-х годах, оказались в три-пять раз ниже его реальной стоимости. Во время работы над оборудованием для этого реактора появились новые технологии, существование которых невозможно было себе представить еще 20 лет назад», — рассказывает И. Родин. Он уверен, что специалисты, прошедшие школу проекта ИТЭР, будут определять образ нашей науки в ближайшие 10−15 лет.
Физический пуск реактора запланирован на 2025 год. «По значимости это событие можно сравнить с запуском первого космического спутника на орбиту. Некоторые критики заявляют, что ИТЭР — установка без будущего, но это полная ерунда. Сейчас никто не может предсказать, какие научно-технические возможности появятся с запуском этого реактора. Скорее всего, на базе результатов его работы будет создан ряд установок нового класса», — рассуждает И. Родин.
Одной из таких установок станет российский токамак реакторных технологий (ТРТ), проектирование которого ведется в рамках комплексной программы «Развитие техники, технологий и научных исследований в области использования атомной энергии на период до 2024 года». На площадке ТРИНИТИ в Троицке (Новая Москва) предполагается к 2030 году завершить сооружение этого реактора. «Как и при создании предыдущих установок, НИИЭФА выполняет роль главного конструктора, обеспечивая расчетные и конструкторские работы систем токамака», — говорит И. Родин.
Работа на ИТЭР стала для НИИЭФА хорошей рекламой. «К нам теперь постоянно обращаются немцы и чехи — заказывают электромагниты для своих токамаков. Недавно поступило предложение о сотрудничестве в проекте американского токамака SPARC, который планируется разместить на северо-востоке штата Массачусетс. Нас просят изготовить для него такую же сильноточную и высоковольтную коммутационную аппаратуру, как для ИТЭР, — рассказывает Е. Сакадынец.— Если договоримся, то получим многомиллиардный заказ. Но о цифрах говорить пока рано».
Комментарии экспертов
Игорь Родин
Заместитель гендиректора по термоядерным и магнитным технологиям — директор НТЦ «Синтез» НИИЭФА
— Наша система защитного вывода энергии обеспечивает безопасную работу установки ИТЭР и в случае технического сбоя сможет быстро и безопасно вывести накопленную энергию из обмоток магнитной системы токамака, защитив их от воздействия температуры и высокого напряжения. Напомню, что плазма в токамаке удерживается магнитным полем. Это поле обеспечивается разнообразными электромагнитными катушками, в обмотках которых используется сверхпроводник, обладающий нулевым электросопротивлением при криогенных температурах. Это позволяет пропускать по проводнику ток огромной величины — 70 кА — и создавать магнитные поля, достаточные для удержания плазмы. Но есть риск: в случае технического сбоя обмотка магнитной системы ИТЭР может перейти из сверхпроводящего состояния в нормальное резистивное. И тогда сотни тонн сверхпроводника получат огромную тепловую нагрузку и могут «сгореть», а реакторная установка — разрушиться. Для предотвращения такого исхода и была разработана система защитного вывода энергии.
Магнитная система токамака, состоящая из 39 сверхпроводниковых катушек (18 тороидальных, шесть полоидальных, шесть катушек индуктора и девять корректирующих), питается от 22 независимых систем электропитания. Системы электропитания всех сверхпроводниковых обмоток, кроме корректирующих, содержат системы защитного вывода энергии, при этом в цепи питания обмоток тороидального поля содержится сразу девять таких систем. Управление и координация работы систем будут осуществляться в автоматическом режиме. При необходимости все системы защитного вывода энергии могут сработать одновременно. Эффект исчезновения сверхпроводимости в обмотках по определенным критериям будет обнаруживаться системой диагностики. Процесс обнаружения дефекта займет десятки миллисекунд, процесс инициации вывода энергии — полсекунды, а собственно процесс вывода энергии — менее минуты. Срок службы системы защитного вывода энергии рассчитан на все время эксплуатации ИТЭР — 30 лет. Однако если реактор все это время будет работать нормально, то включения системы защитного вывода энергии не потребуется.
Магнитная система токамака, состоящая из 39 сверхпроводниковых катушек (18 тороидальных, шесть полоидальных, шесть катушек индуктора и девять корректирующих), питается от 22 независимых систем электропитания. Системы электропитания всех сверхпроводниковых обмоток, кроме корректирующих, содержат системы защитного вывода энергии, при этом в цепи питания обмоток тороидального поля содержится сразу девять таких систем. Управление и координация работы систем будут осуществляться в автоматическом режиме. При необходимости все системы защитного вывода энергии могут сработать одновременно. Эффект исчезновения сверхпроводимости в обмотках по определенным критериям будет обнаруживаться системой диагностики. Процесс обнаружения дефекта займет десятки миллисекунд, процесс инициации вывода энергии — полсекунды, а собственно процесс вывода энергии — менее минуты. Срок службы системы защитного вывода энергии рассчитан на все время эксплуатации ИТЭР — 30 лет. Однако если реактор все это время будет работать нормально, то включения системы защитного вывода энергии не потребуется.
Максим Манзук
Начальник отдела сильноточной коммутационной аппаратуры НИИЭФА
— НИИЭФА — головной исполнитель работ по изготовлению электротехнического оборудования для систем питания обмоток магнитной системы ИТЭР. Это три группы оборудования, плюс системы управления и диагностики. Первая группа — коммутационная аппаратура, предназначенная для системы защитного вывода энергии, — о ней уже говорилось выше, а также для системы оперативной коммутации тока, отвечающей за инициирование разряда, формирующего плазму токамака в начале каждого цикла его работы.
Вторая группа — энергопоглощающие резисторы — пассивные изделия для рассеивания энергии, запасенной в магнитном поле обмоток токамака в виде тепла. В общей сложности мы должны поставить 29 резисторов для оперативного и защитного вывода энергии. Суммарный вес резисторов — 1300 тонн, они займут целое здание площадью 3 тыс. м2 и смогут рассеять свыше 50 ГДж энергии. Это огромная величина. Специалисты сравнили ее с кинетической энергией самого крупного в мире транспортного самолета Ан‑225 «Мрия», разогнанного до скорости 1400 км/час при максимальной взлетной массе (640 тонн). И вот эту энергию наши резисторы за 30 секунд могут рассеять в виде тепла, нагреваясь до температуры 300 °C. Тем самым спасая обмотки от разрушения в случае аварии, так как в противном случае вся эта энергия выделится в них. Система принудительного воздушного охлаждения резисторов обеспечивает охлаждение до исходного состояния в течение часа.
Третья группа электротехнического оборудования — мощные сильноточные токоведущие шины, необходимые для подведения электропитания к сверхпроводящим катушкам магнитной системы ИТЭР, — самая дорогая часть нашего соглашения о поставке. Их суммарная длина превышает 5 км, а вес (вместе с опорами) — 900 тонн. Шины состоят из массивных алюминиевых проводников, собранных в компактную бифилярную конфигурацию с низким уровнем рассеянных электромагнитных полей, что обеспечивает высокую добротность контура питания. Шины имеют водяное охлаждение и рассчитаны на длительный режим работы при постоянных токах в десятки тысяч ампер.
Некоторые шины будут располагаться на опорах высотой 2−2,5 метра, другие подвешены к потолку. По проводникам протекает огромный ток, поэтому избежать теплового расширения металла шинопровода невозможно. Для того чтобы это расширение оставалось в приемлемом диапазоне, максимальная длина участков шинопроводов была ограничена 12 метрами, а между соседними участками расположены узлы компенсации тепловых расширений, то есть гибкие вставки. Вставки имеют Ω‑образную форму и позволяют шинам свободно удлиняться либо сжиматься на несколько миллиметров — в зависимости от их теплового состояния.
Поставки электротехнического оборудования для систем электропитания начались в 2015 году. К сегодняшнему дню НИИЭФА отгрузил больше 100 трейлеров. Без этого оборудования невозможно получить первую плазму, поэтому все поставки должны быть завершены до 2025 года.
Вторая группа — энергопоглощающие резисторы — пассивные изделия для рассеивания энергии, запасенной в магнитном поле обмоток токамака в виде тепла. В общей сложности мы должны поставить 29 резисторов для оперативного и защитного вывода энергии. Суммарный вес резисторов — 1300 тонн, они займут целое здание площадью 3 тыс. м2 и смогут рассеять свыше 50 ГДж энергии. Это огромная величина. Специалисты сравнили ее с кинетической энергией самого крупного в мире транспортного самолета Ан‑225 «Мрия», разогнанного до скорости 1400 км/час при максимальной взлетной массе (640 тонн). И вот эту энергию наши резисторы за 30 секунд могут рассеять в виде тепла, нагреваясь до температуры 300 °C. Тем самым спасая обмотки от разрушения в случае аварии, так как в противном случае вся эта энергия выделится в них. Система принудительного воздушного охлаждения резисторов обеспечивает охлаждение до исходного состояния в течение часа.
Третья группа электротехнического оборудования — мощные сильноточные токоведущие шины, необходимые для подведения электропитания к сверхпроводящим катушкам магнитной системы ИТЭР, — самая дорогая часть нашего соглашения о поставке. Их суммарная длина превышает 5 км, а вес (вместе с опорами) — 900 тонн. Шины состоят из массивных алюминиевых проводников, собранных в компактную бифилярную конфигурацию с низким уровнем рассеянных электромагнитных полей, что обеспечивает высокую добротность контура питания. Шины имеют водяное охлаждение и рассчитаны на длительный режим работы при постоянных токах в десятки тысяч ампер.
Некоторые шины будут располагаться на опорах высотой 2−2,5 метра, другие подвешены к потолку. По проводникам протекает огромный ток, поэтому избежать теплового расширения металла шинопровода невозможно. Для того чтобы это расширение оставалось в приемлемом диапазоне, максимальная длина участков шинопроводов была ограничена 12 метрами, а между соседними участками расположены узлы компенсации тепловых расширений, то есть гибкие вставки. Вставки имеют Ω‑образную форму и позволяют шинам свободно удлиняться либо сжиматься на несколько миллиметров — в зависимости от их теплового состояния.
Поставки электротехнического оборудования для систем электропитания начались в 2015 году. К сегодняшнему дню НИИЭФА отгрузил больше 100 трейлеров. Без этого оборудования невозможно получить первую плазму, поэтому все поставки должны быть завершены до 2025 года.
Испытательная петля
С 2024 года доля работ НИИЭФА на ИТЭР сокращается, к 2028 году основная часть заказа будет выполнена. Институт ищет и находит новые направления развития. Например, строительство СПГ‑стендов. Эта история началась еще в 2018 году, когда ОКБМ им. И. И. Африкантова в рамках импортозамещения изготовило первый малотоннажный криогенный электронасос для перекачки СПГ. Стендов для испытаний такого насоса в России не существовало. НИИЭФА, имеющий опыт испытаний различного оборудования, решил взяться за новую работу. За шесть месяцев специалисты института разработали и соорудили стенд комплексных испытаний криогенных электронасосов, СКИКЭ. Если описывать его простыми словами, то это две криогенные емкости объемом по 25 м3, закольцованные трубопроводом. Специалисты называют эту установку петлей: насос опускается в одну из емкостей и гоняет жидкий азот внутри системы. Испытания длятся неделю. За это время измеряют ряд параметров: уровень шума и вибрации, расход и напор, потребляемую мощность. В 2019 году на СКИКЭ испытали три насоса исходной серии, формируются планы загрузки стенда.
Осенью 2019 года НИИЭФА получил новый заказ на строительство стендового комплекса для испытаний оборудования в средне- и крупнотоннажном производстве СПГ. Это первый подобный комплекс в Евразии и третий в мире, он строится в рамках поручения Президента Р Ф по локализации в стране критически важных технологий для производства, хранения, транспортировки и использования СПГ.
Кстати, на заказ по строительству стендового комплекса помимо Росатома претендовали Роскосмос, Ростех и ЦИАМ им. П. И. Баранова. Но НИИЭФА предложил самые выгодные условия реализации проекта, поэтому получил заказ. В общей сложности строительство обошлось в 1,35 млрд руб. Эти средства выделяют из бюджета, и еще 150 млн вкладывает Росатом.
На новом стендовом комплексе можно будет испытывать насосы, детандеры (машины для расширения газа) и компрессоры. Принцип работы тот же, что и у СКИКЭ: будет построено три петли для испытаний каждого вида оборудования. А вот масштаб гораздо больше. Общий объем емкостей каждой петли составит 300−400 м3. Испытания будут проводиться на жидком азоте и СПГ. Стендовый комплекс займет площадь 20 тыс. м2 на территории НИИЭФА.
9 апреля 2021 года НИИЭФА посетил гендиректор Росатома Алексей Лихачев. Его интересовал строящийся стендовый комплекс. «Машиностроительный завод „Криогенмаш“ поставил нам оборудование, идут монтажные и наладочные работы. Стенд построим к 31 июля 2021 года, в декабре испытаем первые насосы, — обещает Е. Сакадынец.— Планируем испытывать и сертифицировать на стенде также изоляционные материалы, используемые при строительстве СПГ‑танкеров. Сейчас эти материалы закупаются за рубежом, но уже есть производители, желающие заняться их изготовлением в России».
С 2024 года доля работ НИИЭФА на ИТЭР сокращается, к 2028 году основная часть заказа будет выполнена. Институт ищет и находит новые направления развития. Например, строительство СПГ‑стендов. Эта история началась еще в 2018 году, когда ОКБМ им. И. И. Африкантова в рамках импортозамещения изготовило первый малотоннажный криогенный электронасос для перекачки СПГ. Стендов для испытаний такого насоса в России не существовало. НИИЭФА, имеющий опыт испытаний различного оборудования, решил взяться за новую работу. За шесть месяцев специалисты института разработали и соорудили стенд комплексных испытаний криогенных электронасосов, СКИКЭ. Если описывать его простыми словами, то это две криогенные емкости объемом по 25 м3, закольцованные трубопроводом. Специалисты называют эту установку петлей: насос опускается в одну из емкостей и гоняет жидкий азот внутри системы. Испытания длятся неделю. За это время измеряют ряд параметров: уровень шума и вибрации, расход и напор, потребляемую мощность. В 2019 году на СКИКЭ испытали три насоса исходной серии, формируются планы загрузки стенда.
Осенью 2019 года НИИЭФА получил новый заказ на строительство стендового комплекса для испытаний оборудования в средне- и крупнотоннажном производстве СПГ. Это первый подобный комплекс в Евразии и третий в мире, он строится в рамках поручения Президента Р Ф по локализации в стране критически важных технологий для производства, хранения, транспортировки и использования СПГ.
Кстати, на заказ по строительству стендового комплекса помимо Росатома претендовали Роскосмос, Ростех и ЦИАМ им. П. И. Баранова. Но НИИЭФА предложил самые выгодные условия реализации проекта, поэтому получил заказ. В общей сложности строительство обошлось в 1,35 млрд руб. Эти средства выделяют из бюджета, и еще 150 млн вкладывает Росатом.
На новом стендовом комплексе можно будет испытывать насосы, детандеры (машины для расширения газа) и компрессоры. Принцип работы тот же, что и у СКИКЭ: будет построено три петли для испытаний каждого вида оборудования. А вот масштаб гораздо больше. Общий объем емкостей каждой петли составит 300−400 м3. Испытания будут проводиться на жидком азоте и СПГ. Стендовый комплекс займет площадь 20 тыс. м2 на территории НИИЭФА.
9 апреля 2021 года НИИЭФА посетил гендиректор Росатома Алексей Лихачев. Его интересовал строящийся стендовый комплекс. «Машиностроительный завод „Криогенмаш“ поставил нам оборудование, идут монтажные и наладочные работы. Стенд построим к 31 июля 2021 года, в декабре испытаем первые насосы, — обещает Е. Сакадынец.— Планируем испытывать и сертифицировать на стенде также изоляционные материалы, используемые при строительстве СПГ‑танкеров. Сейчас эти материалы закупаются за рубежом, но уже есть производители, желающие заняться их изготовлением в России».
В помощь медикам
Программа апрельского визита главы Росатома в НИИЭФА включала и совещание, посвященное вопросам стратегии развития института. Участники обсудили приоритетные технологические направления, реализуемые на предприятии. Помимо развития стендов и уникальных исследовательских установок НИИЭФА разрабатывает и изготавливает изделия медицинского назначения. Так, в 2019 году институт изготовил циклотронный комплекс с энергией протонов 30 МэВ для Института ядерных технологий Королевства Таиланд. Комплекс производит широкий спектр изотопов для позитронно-эмиссионной томографии, гамма-томографии, а также ряд изотопов для развития новых направлений диагностических исследований: это прежде всего 89Zr, 64Cu, 201Tl и 67Ga — для диагностики и терапии онкологических и сердечно-сосудистых заболеваний.
В 2020 году НИИЭФА выполнил работы по модернизации ряда циклотронов, ранее поставленных в клинические центры РФ.
Программа апрельского визита главы Росатома в НИИЭФА включала и совещание, посвященное вопросам стратегии развития института. Участники обсудили приоритетные технологические направления, реализуемые на предприятии. Помимо развития стендов и уникальных исследовательских установок НИИЭФА разрабатывает и изготавливает изделия медицинского назначения. Так, в 2019 году институт изготовил циклотронный комплекс с энергией протонов 30 МэВ для Института ядерных технологий Королевства Таиланд. Комплекс производит широкий спектр изотопов для позитронно-эмиссионной томографии, гамма-томографии, а также ряд изотопов для развития новых направлений диагностических исследований: это прежде всего 89Zr, 64Cu, 201Tl и 67Ga — для диагностики и терапии онкологических и сердечно-сосудистых заболеваний.
В 2020 году НИИЭФА выполнил работы по модернизации ряда циклотронов, ранее поставленных в клинические центры РФ.
К магнитной подушке
Одно из самых необычных направлений работы НИИЭФА — создание электромагнитов и систем управления для поезда на магнито-левитационной подушке. Такой поезд при движении не касается поверхности рельса, поддерживается лишь силой электромагнитного поля. Благодаря этому поезд МАГЛЕВ (от англ. magnetic levitation — магнитная левитация) сможет развивать скорость до 600 км/ч. Сотрудники института создали экспериментальные образцы подвесов, держащих состав на весу. Вместо рельсов — две металлические полосы, зазор между ними и составом — 4−12 мм. Специалисты НИИЭФА разработали быстродействующий алгоритм, сохраняющий этот зазор, вне зависимости от подъемов, спусков и поворотов, на всем пути следования поезда. В России этим проектом занимается инженерный кластер «Российский МАГЛЕВ», возглавляемый экс-министром путей сообщения Анатолием Зайцевым; в этот кластер входит и НИИЭФА.
8 декабря 2020 года НИИЭФА посетили представители администрации Ленинградской области. На встрече обсуждались возможности сотрудничества в сфере развития транспортной системы региона. Гостям были продемонстрированы масштабный действующий макет магнито-левитационного транспортного модуля, а также инновационные элементы системы электромагнитного подвеса. По итогам встречи подписали протокол о намерениях сотрудничества в разработке пилотного проекта магнито-левитационной пассажирской магистрали на территории Ленинградской области.
Одно из самых необычных направлений работы НИИЭФА — создание электромагнитов и систем управления для поезда на магнито-левитационной подушке. Такой поезд при движении не касается поверхности рельса, поддерживается лишь силой электромагнитного поля. Благодаря этому поезд МАГЛЕВ (от англ. magnetic levitation — магнитная левитация) сможет развивать скорость до 600 км/ч. Сотрудники института создали экспериментальные образцы подвесов, держащих состав на весу. Вместо рельсов — две металлические полосы, зазор между ними и составом — 4−12 мм. Специалисты НИИЭФА разработали быстродействующий алгоритм, сохраняющий этот зазор, вне зависимости от подъемов, спусков и поворотов, на всем пути следования поезда. В России этим проектом занимается инженерный кластер «Российский МАГЛЕВ», возглавляемый экс-министром путей сообщения Анатолием Зайцевым; в этот кластер входит и НИИЭФА.
8 декабря 2020 года НИИЭФА посетили представители администрации Ленинградской области. На встрече обсуждались возможности сотрудничества в сфере развития транспортной системы региона. Гостям были продемонстрированы масштабный действующий макет магнито-левитационного транспортного модуля, а также инновационные элементы системы электромагнитного подвеса. По итогам встречи подписали протокол о намерениях сотрудничества в разработке пилотного проекта магнито-левитационной пассажирской магистрали на территории Ленинградской области.
Макет электромагнитного подвеса левитационной транспортной системы с пониженным энергопотреблением — элемент стенда для детального моделирования и исследования левитационных систем
Перспективный водород
Занимается НИИЭФА и водородной энергетикой. Так, в августе 2019 года ученые института запатентовали новый способ производства и хранения водорода, который обеспечит энергетические установки и водородные двигатели качественным и доступным топливом.
В промышленности водород получают в основном из доступного и дешевого сырья — природного газа, который более чем на 90% состоит из метана. Природное углеводородное сырье разлагают при высоких температурах и давлениях на водород и легкие углеводороды (паровой риформинг). Для извлечения водорода из полученных газовых смесей используются фракционированная конденсация или диффузия через пористые мембраны, после чего водород хранится в газообразном или жидком виде. Получение и хранение водорода таким способом требуют больших затрат и сложного технологического оборудования. Кроме того, эта технология не является экологически чистой, так как сопровождается выбросами углекислого газа.
Ученые НИИЭФА предложили плазменный способ разложения (конверсии) природного газа на водород и другие составляющие при помощи СВЧ или дуговых источников плазмы. Выделение водорода из продуктов такого разложения осуществляется путем его связывания в гидридах через плазменное осаждение на носитель гидридообразующих металлов. Это возможно, так как гидридообразующие металлы активно реагируют с водородом (с образованием гидридов) и не вступают в реакцию с углеводородами. Здесь же, в металлогидридах, осуществляется и хранение водорода, причем плотность упаковки его атомов выше плотности атомов в жидком водороде. Чтобы подать водород потребителю из такой системы хранения, ее достаточно просто нагреть. «В результате реализации изобретения могут достигаться 90−100% разложения природного газа при локальном его разогреве до 1200−1600 °C, 90−95% селективное выделение водорода из продуктов разложения при плазменном синтезе металлогидридов, безопасное хранение водорода в синтезированных гидридах и подача его потребителю при нагреве 100−200 °C, в зависимости от используемого металла», — рассказывают авторы патента. Производимый таким способом водород «зеленый», так как он производится без участия кислорода и не сопровождается вредными выбросами. Пока эта работа на стадии лабораторных исследований и поиска инвесторов.
Еще один интересный проект ученых НИИЭФА — производство метано-водородных смесей и водорода радиолизом — путем обработки природного газа электронным пучком. Чтобы реализовать такое производство, достаточно на трубу с природным газом установить ускоритель производства НИИЭФА. На входе в трубу будет подаваться природный газ, а на выходе — метано-водородная смесь или водород, в зависимости от нужд потребителя. Технологический процесс безотходный и бескислородный, он сопровождается получением двух ценных продуктов: высокооктанового бензина и широкой фракции легких углеводородов. Эта технология была в свое время успешно опробована на газоперерабатывающем заводе в одной из союзных республик СССР, но для производства не водорода, а высокооктанового бензина. Водородом в то время мало интересовались, и он, как ненужный побочный продукт, выбрасывался в атмосферу.
Занимается НИИЭФА и водородной энергетикой. Так, в августе 2019 года ученые института запатентовали новый способ производства и хранения водорода, который обеспечит энергетические установки и водородные двигатели качественным и доступным топливом.
В промышленности водород получают в основном из доступного и дешевого сырья — природного газа, который более чем на 90% состоит из метана. Природное углеводородное сырье разлагают при высоких температурах и давлениях на водород и легкие углеводороды (паровой риформинг). Для извлечения водорода из полученных газовых смесей используются фракционированная конденсация или диффузия через пористые мембраны, после чего водород хранится в газообразном или жидком виде. Получение и хранение водорода таким способом требуют больших затрат и сложного технологического оборудования. Кроме того, эта технология не является экологически чистой, так как сопровождается выбросами углекислого газа.
Ученые НИИЭФА предложили плазменный способ разложения (конверсии) природного газа на водород и другие составляющие при помощи СВЧ или дуговых источников плазмы. Выделение водорода из продуктов такого разложения осуществляется путем его связывания в гидридах через плазменное осаждение на носитель гидридообразующих металлов. Это возможно, так как гидридообразующие металлы активно реагируют с водородом (с образованием гидридов) и не вступают в реакцию с углеводородами. Здесь же, в металлогидридах, осуществляется и хранение водорода, причем плотность упаковки его атомов выше плотности атомов в жидком водороде. Чтобы подать водород потребителю из такой системы хранения, ее достаточно просто нагреть. «В результате реализации изобретения могут достигаться 90−100% разложения природного газа при локальном его разогреве до 1200−1600 °C, 90−95% селективное выделение водорода из продуктов разложения при плазменном синтезе металлогидридов, безопасное хранение водорода в синтезированных гидридах и подача его потребителю при нагреве 100−200 °C, в зависимости от используемого металла», — рассказывают авторы патента. Производимый таким способом водород «зеленый», так как он производится без участия кислорода и не сопровождается вредными выбросами. Пока эта работа на стадии лабораторных исследований и поиска инвесторов.
Еще один интересный проект ученых НИИЭФА — производство метано-водородных смесей и водорода радиолизом — путем обработки природного газа электронным пучком. Чтобы реализовать такое производство, достаточно на трубу с природным газом установить ускоритель производства НИИЭФА. На входе в трубу будет подаваться природный газ, а на выходе — метано-водородная смесь или водород, в зависимости от нужд потребителя. Технологический процесс безотходный и бескислородный, он сопровождается получением двух ценных продуктов: высокооктанового бензина и широкой фракции легких углеводородов. Эта технология была в свое время успешно опробована на газоперерабатывающем заводе в одной из союзных республик СССР, но для производства не водорода, а высокооктанового бензина. Водородом в то время мало интересовались, и он, как ненужный побочный продукт, выбрасывался в атмосферу.
Испытания циклотрона в НИИЭФА им. Д. В. Ефремова, Санкт-Петербург
Электродвигатели и графит
На этом список перспективных направлений развития НИИЭФА не заканчивается. «Мы разрабатываем элементы системы электродвижения для подводного флота, собираемся создать свой электродвигатель. Возможно, будем использовать его „на гражданке“», — рассказывает директор института. Правда, элементы системы электродвижения не будут использованы при строительстве атомных ледоколов. «Потому что эти ледоколы уже спроектированы. Мы планируем использовать наши технические решения при создании исследовательских судов, проектирование которых еще не завершено», — объясняет Е. Сакадынец.
Еще одно интересное направление — выделение радиоактивного изотопа (14С) из графитовых кладок, оставшихся от проектов РБМК. Сейчас их нельзя утилизировать из-за слишком долгого периода полураспада 14С — 5 700 лет. «Никто не знает, что делать с этим наследием. Мы предлагаем выделить из десятков тысяч тонн накопленного графита несколько десятков тысяч килограмм 14С, а графит использовать дальше. Мы нарабатываем соответствующую технологию, совместно с Радиевым институтом создаем исследовательскую установку. Работу завершим за пару лет. Согласитесь, получится неплохой вклад в экологическую работу Росатома», — говорит гендиректор НИИЭФА.
На этом список перспективных направлений развития НИИЭФА не заканчивается. «Мы разрабатываем элементы системы электродвижения для подводного флота, собираемся создать свой электродвигатель. Возможно, будем использовать его „на гражданке“», — рассказывает директор института. Правда, элементы системы электродвижения не будут использованы при строительстве атомных ледоколов. «Потому что эти ледоколы уже спроектированы. Мы планируем использовать наши технические решения при создании исследовательских судов, проектирование которых еще не завершено», — объясняет Е. Сакадынец.
Еще одно интересное направление — выделение радиоактивного изотопа (14С) из графитовых кладок, оставшихся от проектов РБМК. Сейчас их нельзя утилизировать из-за слишком долгого периода полураспада 14С — 5 700 лет. «Никто не знает, что делать с этим наследием. Мы предлагаем выделить из десятков тысяч тонн накопленного графита несколько десятков тысяч килограмм 14С, а графит использовать дальше. Мы нарабатываем соответствующую технологию, совместно с Радиевым институтом создаем исследовательскую установку. Работу завершим за пару лет. Согласитесь, получится неплохой вклад в экологическую работу Росатома», — говорит гендиректор НИИЭФА.
Инструктаж таиландской делегации по работе циклотрона. Март 2020 г.
Верность традициям
Не забывает НИИЭФА и о традиционном направлении деятельности — разработке и изготовлении магнитооптического оборудования и электромагнитов для ускорителей высоких энергий. «Сегодня в рамках международного проекта мы разрабатываем серию электромагнитов для нового проекта PETRA IV, создаваемого в исследовательском центре DESY в Германии, — говорит Е. Сакадынец.— Источник синхротронного рентгеновского излучения PETRA IV — гигантский рентгеновский микроскоп, он позволит изучать различные химические и физические процессы. Например, можно будет рассмотреть структурные компоненты живых клеток, исследовать различные процессы на молекулярном уровне, что востребовано в различных областях — и в медицине, и в технике. По планам германских коллег, комплекс PETRA IV должен заработать в 2026 году».
Еще НИИЭФА совместно с ИЯФ им. Г. И. Будкера СО РАН и ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» участвует в создании синхротронного ускорительного комплекса. Кроме того, в рамках Федеральной научно-технической программы развития синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры на 2019−2027 годы совместно с Курчатовским институтом планирует разработку и серийный выпуск электромагнитов-ускорителей заряженных частиц для проекта «СИЛА» — принципиально нового синхротрона, который позволит получать уникальные данные о структуре и свойствах веществ на уровне отдельных атомов. Ввод в эксплуатацию этих двух ускорительных комплексов нового поколения с параметрами, превосходящими ныне действующие в мире аналогичные установки (ESRF — во Франции, APS — в США и SPring‑8 — в Японии), планируется в 2027 году. В результате российские ученые получат новые мощные инструменты и приоритетные возможности для проведения различных исследований.
Не забывает НИИЭФА и о традиционном направлении деятельности — разработке и изготовлении магнитооптического оборудования и электромагнитов для ускорителей высоких энергий. «Сегодня в рамках международного проекта мы разрабатываем серию электромагнитов для нового проекта PETRA IV, создаваемого в исследовательском центре DESY в Германии, — говорит Е. Сакадынец.— Источник синхротронного рентгеновского излучения PETRA IV — гигантский рентгеновский микроскоп, он позволит изучать различные химические и физические процессы. Например, можно будет рассмотреть структурные компоненты живых клеток, исследовать различные процессы на молекулярном уровне, что востребовано в различных областях — и в медицине, и в технике. По планам германских коллег, комплекс PETRA IV должен заработать в 2026 году».
Еще НИИЭФА совместно с ИЯФ им. Г. И. Будкера СО РАН и ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» участвует в создании синхротронного ускорительного комплекса. Кроме того, в рамках Федеральной научно-технической программы развития синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры на 2019−2027 годы совместно с Курчатовским институтом планирует разработку и серийный выпуск электромагнитов-ускорителей заряженных частиц для проекта «СИЛА» — принципиально нового синхротрона, который позволит получать уникальные данные о структуре и свойствах веществ на уровне отдельных атомов. Ввод в эксплуатацию этих двух ускорительных комплексов нового поколения с параметрами, превосходящими ныне действующие в мире аналогичные установки (ESRF — во Франции, APS — в США и SPring‑8 — в Японии), планируется в 2027 году. В результате российские ученые получат новые мощные инструменты и приоритетные возможности для проведения различных исследований.
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ #3_2021