МНОГО НАСОСОВ — ХОРОШИХ И РАЗНЫХ

— Магнитная гидродинамика начала развиваться в Перми более полувека назад, с приездом в город академика Латвийской академии наук Игоря Михайловича Кирко. В последние двадцать лет лидер этого направления — заведующий лабораторией физической гидродинамики ИМСС УрО РАН, доктор физико-математических наук Петр Готлобович Фрик. Исследования течений электропроводной жидкости позволяют решать не только фундаментальные астрофизические задачи, но и разрабатывать магнитно-гидродинамические технологии. Изучение поведения жидких металлов под воздействием бегущих и вращающихся магнитных полей необходимо для того, чтобы управлять их потоками — перекачивать, перемешивать, очищать бесконтактным способом.

В лабораториях физической и технологической гидродинамики в последние годы существенно обновилась и расширилась экспериментальная база. Созданы гидравлические стенды для работы с низкотемпературными сплавами (например, галлиевыми), с цветными металлами (магнием и алюминием), с натрием. Освоены методики и приобретен уникальный опыт измерения характеристик течений жидкого металла с использованием ультразвуковых доплеровских анемометров. На основе численных и экспериментальных исследований тепломассопереноса в жидком металле под воздействием магнитных полей разработаны устройства для генерации и контроля потоков жидкого металла.

— Первый натриевый контур был создан в институте в 2013–2014 гг. для исследования течений жидкого натрия, который является теплоносителем в атомных реакторах на быстрых нейтронах, при сильных перепадах температуры. Нужно было изучить особенности свободной конвекции натрия, а также понять, что происходит в канале при смешивании потоков жидкого натрия с разной температурой и как это влияет на его стенки. Проблема в том, что сильные перепады температуры при длительной эксплуатации приводят к опасной термоциклической усталости материала стенок, в результате чего они могут разрушиться. Мы разработали собственные электромагнитные насосы, внутри которых перемещается магнитное поле — поэтому оно и называется бегущим. В электропроводной среде взаимодействие электрического тока и магнитного поля генерирует электромагнитную силу, а она в свою очередь приводит к возникновению течения в расплавленном металле. Помимо насосов созданы и собственные средства контроля потока жидкого металла — электромагнитные расходомеры. Лабораторная площадка для работы с жидким натрием, включающая системы хранения, заливки, измерения, контроля, пожаротушения, охлаждения, является уникальной в РАН и не уступает, а по некоторым параметрам и превосходит возможности зарубежных лабораторий. Также в лабораториях используется галлиевый сплав, который находится в жидком состоянии при комнатной температуре. На экспериментальных установках и стенде с жидким галлиевым сплавом в лаборатории технологической гидродинамики работают молодые специалисты и студенты.

— Первые электромагнитные насосы были запатентованы еще во времена Эйнштейна. В наших лабораториях давно разрабатываются кондукционные и индукционные насосы, которые используются в металлургической промышленности для разливки цветных металлов, в том числе на металлургических предприятиях Пермского края.

Наше преимущество заключается в том, что мы отработали методики расчетов электромагнитных насосов для различных металлов с различными характеристиками, а также создали инфраструктуру, позволяющую совершенствовать технологию сборки и проводить испытания насосов. Конструкцию насоса можно адаптировать под задачи конкретного участка производства, например, сделать его более защищенным для жестких условий металлургических предприятий, где жидкий металл, например, магний, имеет высокую температуру. Облегченный вариант подойдет для лабораторных или опытных участков, где металлы, допустим, натрий или ртуть, находятся при относительно невысоких температурах. Для конкретной задачи также можно сконструировать насос требуемой производительности, который подключается напрямую в трехфазную сеть без использования дополнительного источника регулирования питания. При необходимости может быть установлена принудительная система охлаждения с автоматической терморегулировкой. По сути, мы решаем задачи, которыми раньше занимались отраслевые НИИ.

— Раньше такие насосы разрабатывались без трехмерного математического моделирования магнитогидродинамических процессов, поэтому в предыдущих версиях трудно было обеспечить необходимую механическую прочность при высокой производительности. Между тем безопасность на АЭС требует абсолютно надежной техники. Заданные характеристики должны сохраняться в течение порядка 30 лет эксплуатации при высокой рабочей температуре. На атомной станции электромагнитные насосы используются в разных системах, поэтому требуются аппараты с различными характеристиками. Мы сотрудничаем с ООО «КБ АрмСпецМаш», которое не только взяло на себя изготовление промышленных насосов, но и финансировало создание испытательного стенда для натриевых насосов большой производительности, включающего и сертифицированный участок калибровки натриевых расходомеров. Важно отметить, что мы используем материалы отечественного производства, а большую часть вспомогательного оборудования мы делаем самостоятельно.

На созданной площадке мы конструируем, собираем и испытываем собственные электромагнитные насосы, а также можем проводить испытания изделий других производителей. В 2018–2019 годах выполнен цикл работ по заказу Белоярской АЭС на разработку, изготовление, испытание и поставку электромагнитных насосов для реактора на быстрых нейтронах. Отмечу, что в этой области Россия продвинулась существенно дальше других стран. Исследовательские реакторы на быстрых нейтронах существовали в США и во Франции, но исследовательские и промышленные работают сегодня только в России, в городе Заречном Свердловской области. И наши насосы здесь очень востребованы.