Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева (НГТУ) получил патент Российской Федерации № 2861667 на дискретный уровнемер динамический для измерения уровня высокотемпературных тяжёлых жидкометаллических теплоносителей. Прибор разработан коллективом университета и закрывает задачу, перед которой долгие годы пасовали существующие промышленные датчики: он непрерывно отслеживает уровень жидкого металла в герметичной ёмкости, разогретой до температур, при которых обычные уровнемеры не работают.
Как измеряли уровень раньше
Чтобы понять, что именно изменили нижегородские инженеры, представьте железную бочку, изнутри заполненную расплавленным свинцом или сплавом свинца с висмутом. Сверху — газовая подушка из инертного газа. Уровень металла в такой «бочке» постоянно меняется в процессе эксплуатации, и его нужно знать с точностью до миллиметров: от этого зависит и управление процессом, и безопасность.
До сих пор уровень в подобных установках на стендах вуза снимали буквально руками. Сверху в ёмкость заводили обычную металлическую шпильку, медленно опускали её, пока она не касалась расплава, — в этот момент замыкалась электрическая цепь и загоралась лампочка. Уровень фиксировали линейкой. Способ точный, но трудоёмкий и принципиально не позволяет получить данные в реальном времени: каждое измерение — это отдельная ручная операция.
Промышленных аналогов, способных решить ту же задачу автоматически, у нижегородских специалистов не было. Уровнемеры подобного принципа в России применяются давно, но только для воды, нефти, масел или бензина — для расплавленного металла при температурах в сотни градусов их раньше никто не делал.
Что предложили нижегородские инженеры
Запатентованный прибор работает в той же логике, что и обычные магнитные уровнемеры, но переработан для экстремальных условий. Внутри вертикальной немагнитной трубы плавает поплавок со встроенным кольцевым магнитом. Снаружи вдоль трубы перемещается чувствительный элемент — геркон (геркон — это простой переключатель, который замыкается, когда оказывается рядом с магнитом). По положению геркона в момент срабатывания микроконтроллер вычисляет уровень расплава и выводит его на цифровое табло; данные можно передавать дальше, например на компьютер оператора.
Перемещает геркон не трос с барабаном, как в более старых решениях, а компактная пара «зубчатое колесо — зубчатая рейка», которой управляет реверсивный двигатель. Деталей меньше, а точность позиционирования — выше.
Главная сложность была не в механике, а в физике. При нагреве до примерно 400°C обычные магниты начинают терять магнитные свойства — выходят за свою точку Кюри. У геркона при нагреве из-за теплового расширения раздвигаются контакты, и он перестаёт замыкаться в магнитном поле. Сам по себе геркон — несложный элемент: подобный продаётся в любом магазине радиодеталей. А вот заставить связку «магнит + геркон» уверенно работать в жидком металле — это и было основной задачей.
Авторы решили её с двух сторон одновременно:
- Высокотемпературный кольцевой магнит на поплавке. Подобран специально под температурный диапазон жидкометаллического теплоносителя — его магнитные свойства сохраняются там, где обычные магниты уже их теряют.
- Газовое охлаждение геркона. К чувствительному элементу подведена тонкая электропроводная немагнитная трубка, через которую от газодувки подаётся аргон — стандартный инертный газ для работы с жидкими металлами. Газ выходит через кольцевой зазор и снимает тепло, идущее от расплава. Геркон работает в комфортной для себя температуре.
Сам поиск рабочей комбинации магнита и геркона занял большую часть экспериментальной работы. «Спорный момент был как раз с магнитами. Мы пробовали разные — неодимовые, самарий-кобальтовые, никель-кобальтовые. У каждого магнита своя точка Кюри, своя температура, при которой он размагничивается, и у разных герконов тоже разные рабочие температуры и разная чувствительность к магнитному полю. Мы перебирали комбинации — и одна из них устояла при 250°C. Этого уже достаточно, чтобы уверенно работать со свинцово-висмутовым теплоносителем»,— Н.С. Волков, соавтор разработки, НГТУ им. Р.Е. Алексеева
Как прибор ведёт себя при работе
В штатном режиме уровнемер работает в постоянном «сканировании»: датчик движется вниз вдоль трубы, пока не «нащупает» магнит на поплавке, фиксирует уровень, чуть приподнимается и снова опускается. Получается небольшое колебательное движение у самой поверхности расплава — прибор постоянно держит руку на пульсе и сразу замечает любое изменение.
В отличие от используемых сегодня контактных сигнализаторов, которые лишь зажигают лампочку при достижении заранее заданной отметки, новый уровнемер показывает уровень непрерывно: например, что металл сейчас на отметке 1 метр от дна ёмкости, затем 1,10 м, затем 1,20 м — и так в реальном времени.
Стадия готовности и испытания
На сегодняшний день изготовлен и испытан лабораторный образец прибора. На сами эксперименты с датчиком ушло около полугода работы коллектива; ещё примерно столько же заняли обработка данных, публикации в научных журналах и оформление патента.
Испытания проходят на стенде университета. В штатном режиме при температурах около 250°C сигнал устойчив. В лаборатории прибор доводили и до 450°C — на такой температуре магнит частично теряет магнитные свойства, контакты геркона расходятся от теплового расширения, сигнал пропадает. Важно: при снижении температуры работоспособность полностью восстанавливается. Это значит, что кратковременный перегрев не выводит прибор из строя — он возвращается в рабочее состояние сам, как только условия нормализуются. Разработка велась в рамках завершённого трёхлетнего государственного задания, в составе коллектива — кандидаты технических наук, соискатели, аспиранты и студенты.
Какую роль прибор играет в системе безопасности
В реальных реакторных установках уровень теплоносителя контролируют сразу несколькими типами датчиков с многократным резервированием. Обычная схема — три одинаковых датчика (логика «2 из 3»), а ещё лучше — датчики разных типов, дублирующие друг друга.
Запатентованный нижегородский уровнемер — это штатный прибор для непрерывного измерения в нормальном режиме работы. Простые контактные сигнализаторы (электроды, замыкающиеся при достижении критической отметки) при этом никуда не уходят: они остаются в установке как аварийные. Если основной уровнемер по какой-то причине перестанет работать, контактный электрод гарантированно сработает при подходе теплоносителя к опасной отметке. Сами авторы и сейчас применяют такие контактные датчики на своих стендах именно для аварийных ситуаций.
Для каких реакторов это разрабатывалось
Работа напрямую связана с программой отечественных реакторов на тяжёлых жидкометаллических теплоносителях. Авторы называют три проекта, где такой прибор концептуально применим:
- БРЕСТ-ОД-300 — опытно-демонстрационный реактор на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем.
- СВБР-100 — реактор со свинцово-висмутовым теплоносителем.
- БР-1200 — перспективный коммерческий проект следующего поколения.
Авторы подчёркивают: для применения непосредственно в энергетических реакторах конструкцию ещё предстоит модернизировать, в первую очередь — усилить систему охлаждения. Но именно подход, заложенный в патент, в этих проектах востребован — аналогичных решений именно под жидкие металлы при анализе мирового рынка обнаружить не удалось.
Где ещё это может пригодиться
Хотя задача ставилась под атомную энергетику, потенциальная сфера применения шире. Прибор подходит любому производству, где есть высокотемпературные жидкие контуры и где классические уровнемеры — для воды, нефти или масел — работать не будут.
«Это может быть даже совсем неядерное применение. Металлургия — да, химические производства — например, контуры со свинцом-висмутом для съёма тепла при наработке аммиака. Возможны применения в фармацевтике, в сельском хозяйстве — везде, где используются высокотемпературные жидкие контуры. По сути, прибор нужен любому производству, где требуется измерять уровень жидкости при таких температурах, при которых обычные методы измерения уже не работают», — Р.В. Сумин, соавтор разработки, НГТУ им. Р.Е. Алексеева
Будет ли разработка внедряться в промышленности, теперь зависит от заинтересованности отрасли: университет, как поясняют авторы, выступает разработчиком интеллектуального продукта, а серийное производство и установка на конкретных объектах — задача индустриальных партнёров.
Что дальше
Ближайшая инженерная задача коллектива — расширить рабочий температурный диапазон прибора за счёт более совершенной системы охлаждения. Это, как ни странно, отдельная и непростая задача со своим парадоксом: магнит нужно охлаждать сильнее, но при этом стенка трубы, которую омывает расплав, не должна переохлаждаться — иначе на ней начнёт замерзать сам жидкий металл (свинец затвердевает уже при 327°C). Решение требует дополнительных экспериментов.
Отдельная перспективная тема — введение пассивных систем охлаждения, которые продолжали бы работать даже в случае отключения электроснабжения. Это сделает прибор пригодным для применения в реакторных установках с самыми жёсткими требованиями к надёжности.
О патенте
Патент Российской Федерации № 2861667 «Дискретный уровнемер динамический для измерения высокотемпературных тяжёлых жидкометаллических теплоносителей» зарегистрирован в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 7 мая 2026 года. Заявка № 2025122269 подана 12 августа 2025 года. Срок действия исключительного права — до 12 августа 2045 года. Патентообладатель — ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева».
Авторы изобретения: Т.А. Бокова, Н.С. Волков, А.Р. Маров, М.Д. Погорелов, Р.В. Сумин, Т.К. Зырянова.
Источник: Минобрнауки России
