Технологии завтрашнего дня разрабатывают в НЦМУ«Теплофизика и энергетика».
Цель фундаментальных исследований - рассматривать проблему в комплексе, вытаскивая на белый свет невидимые обывателю причинно-следственные связи. В самом названии Института теплофизики СО РАН заложен глобальный подход. Но сибирские теплофизики всегда отличались умением превращать фундаментальные знания в конкретные технологии. Так, еще в 1969 году специалисты института впервые в мире запустили на Паратунской ГЭС бинарный цикл: использовали для генерации электричества от воды с температурой всего 80оC легкокипящие вещества - фреоны. Это стало новым словом в энергетике. Сегодня ИТ СО РАН продолжает традиции: выигран конкурс Миннауки РФ на создание Научного центра мирового уровня (НЦМУ) «Теплофизика и энергетика», а на Камчатке вновь планируется создание современных геотермальных технологий.
Эффект бабочки
Изменение климата - тема, вокруг которой не перестают ломать копья. Президент США Дональд Трамп, например, удостоил Парижское соглашение званием «афера тысячелетия».
– Между тем доказано, что именно антропогенный вклад в выбросы парниковых газов приводит к изменениям температуры, - рассказывает научный руководитель ИТ СО РАН, лауреат премии «Глобальная энергия» академик Сергей Алексеенко. - Выводы представлены Межправительственной группой экспертов по изменению климата (МГЭИК) на основе климатических моделей Земли. Ключевую роль здесь играют обратные связи: большие природные выбросы (например, извержения вулканов) природа нивелирует сама. Доля антропогенной эмиссии CO2 менее 5%. Такое незначительное добавление выбросов искусственного происхождения приводит к незначительному же росту температуры, но сопровождающемуся, в частности, заметным повышением влажности, что запускает сильнейший парниковый газ - водяной пар. Так энергетика вносит три четверти вклада в глобальное потепление.
Увеличение температуры на один-два градуса мы вряд ли заметим. Но оно сопровождается экстремальными климатическими явлениями. Их можно разделить на три уровня: локальные типа волн жары, переломные (tipping points) и катастрофические. Недавно высчитан вклад 180 крупнейших углеродных компаний (производителей и потребителей органического топлива и цемента) в возникновение 213 тепловых волн, зарегистрированных в 2000-2023 годах. К примеру, экстремальная жара 2022-го в Европе стала причиной 60 тысяч преждевременных смертей.
Еще опаснее переломные моменты, которые могут привести к необратимым изменениям климата: так, повышение температуры Земли на 4 градуса вызовет более ранний поворот Гольфстрима с последующим существенным похолоданием в Северной Европе и России. В предельных или специфических случаях, например, при сильной вариации солнечного излучения, возможно наступление катастрофических экстремальных явлений типа «снежного шара», когда вся Земля покроется льдом. Подобные сценарии были описаны еще в 1969 году в знаменитых работах советского академика Михаила Будыко и американца Уильяма Селлерса. Данные палеоклимата, зафиксировавшие подобные оледенения, доказывают реальность угрозы.
– Что же должны делать энергетики в условиях глобальных изменений? - резюмирует Сергей Владимирович. - Основной путь в решении климатических проблем - переход на низкоуглеродную энергетику, что регламентируется и в Климатической доктрине РФ. Здесь возможны четыре подхода. Во-первых, повышение эффективности энергетических установок: чем выше КПД сжигания органического топлива, тем меньше выбросы CO2. Основные направления в мире - применение парогазовых установок и угольных энергоблоков с супер-сверхкритическими параметрами пара. Наш институт давно работает над повышением энергоэффективности: это интенсификация процессов тепломассопереноса, вихревые технологии, водоугольное топливо и многое другое.
Во-вторых, полное секвестирование CO2. Наиболее известна технология, разработанная британцем Родни Алламом. Природный газ сжигается не в воздухе, а в чистом кислороде, тогда весь углекислый газ остается в установке, и он же является рабочим телом с очень высокими термодинамическими параметрами. Цикл Аллама применим и для угля, если предварительно его подвергнуть газификации. В России разработкой таких технологий сейчас занимаются в ОИВТ РАН, в МЭИ и в НГТУ с научным сопровождением ИТ СО РАН.
В-третьих, экологически чистая атомная энергетика, но ее многие опасаются.
В-четвертых, возобновляемые источники энергии. Предлагаемый ООН радикальный переход на энергию солнца и ветра для России неприемлем по двум причинам: у нас самая холодная страна в мире, и необходимо прежде всего тепло, которое за счет ветряков и фотоэлементов не получишь, к тому же Россия с большим отрывом лидирует по совокупным запасам природных ресурсов - угля, газа, нефти, древесины. Нам гораздо выгоднее разрабатывать новые технологии их сжигания и переработки.
Но есть один вид ВИЭ, наиболее подходящий для России. Это геотермальная энергетика, основанная сегодня на использовании горячей воды или пара, а в будущем - глубинного тепла горячих сухих пород (петротермальная энергетика). Освоение петротермальных ресурсов позволило бы навсегда обеспечить человечество энергией, если бы не проблемы с бурением. Но совсем недавно в MIT предложили новые революционные технологии бурения, основанные на применении миллиметровых волн (принцип СВЧ), с целью добычи тепла супергорячих (450оC) пород с глубин от 3 до 10-25 километров. Так можно обеспечить 120 мегаватт на скважину и сделать этот вид энергетики конкурентоспособным. Миллиметровые волны генерируются гиротроном, а мировой лидер в производстве гиротронов - нижегородский Институт прикладной физики РАН (академик А.Г.Литвак).
В России, преимущественно в Сибири и на Дальнем Востоке, есть значительные ресурсы супергорячих пород, залегающих сравнительно неглубоко. Поэтому вместе с коллегами из ИПФ РАН мы начали заниматься разработкой подходов к их добыче. И, наконец, при поддержке Минобрнауки и компаний «Русгидро» и «Зарубежнефть» планируется создать на Камчатке полигон и центр компетенций по развитию отечественных геотермальных технологий.
Вывод таков: изменение климата надо рассматривать не как катастрофу, а как вызов, требующий объединения усилий всего мирового сообщества с преобладающей ролью науки.
Сгорать бесследно
В продолжение этого фундаментального подхода одним из основных направлений НЦМУ «Теплофизика и энергетика» стала разработка отсека-демонстратора малоэмиссионной камеры сгорания газотурбинного типа для топлива с пониженным содержанием углерода.
Компрессорная станция для исследования тепловых процессов в реакторных установках с газовым теплоносителем. Слева направо: к.ф.-м.н. М.С.Макаров, д.т.н. П.Д.Лобанов, к.ф.-м.н. О.В.Витовский, инж. К.С.Лебеда. Фото предоставлено А.Ефремовым
– Снижение углеродного следа - глобальный мировой тренд. Китай, например, к 2035 году собирается полностью отказаться от углеродсодержащего топлива на танкерах, - рассказывает руководитель направления профессор РАН Владимир Дулин. - Как можно снизить долю углерода в топливе? Добавив водород. Но транспортировка и хранение водорода связаны с массой проблем. Альтернатива - аммиак. Аммиаксодержащее топливо позволяет снизить долю углерода, процесс получения, хранения и транспортировки аммиака хорошо известен. Но одна из проблем применения аммиака в топливе - низкая скорость горения. Классическая схема «бедного сжигания» (с избытком воздуха) в этом случае вообще неприменима, поскольку выбросы оксидов азота возрастут колоссально.
Направление наших исследований - моделирование процессов в камерах сгорания газовых турбин при повышенных давлении и температуре поступающего воздуха. В рамках НЦМУ мы хотим расширить уже накопленный на модельных горелочных устройствах газотурбинного типа опыт и проверить их в условиях, близких к реальным, отработав технологии розжига и выйдя на необходимые параметры эффективного и экологически чистого сжигания.
Сейчас у нас есть стенды по обеспечению подачи 1 кг сжатого воздуха в секунду при температуре 300оC и давлении в 16 атмосфер. Планируем поставить систему высокотемпературных газгольдеров и выйти на подачу 2 кг в секунду при температуре 350-500 градусов и давлении свыше 20 атмосфер. Параллельно будем разрабатывать программные модули для численного моделирования процессов, происходящих в камере.
Наш ключевой индустриальный партнер - АО ОДК, работаем с Рыбинским государственным авиационным техническим университетом, Томским политехническим университетом и Институтом химической кинетики и горения СО РАН.
К 2030 году мы должны разработать отсек-демонстратор, показывающий сжигание низкоуглеродного топлива с незначительной эмиссией вредных веществ.
Безопасный атом
По результатам исследований специалистов ИТ СО РАН, сделавших бесконтактным методом измерения локальных теплогидравлических параметров в трехмерной постановке, атомщики разработали новые конструкции топливных сборок. За создание научных основ теплогидравлики реакторных установок нового поколения в 2024 году получена премия Правительства РФ, а на просторы северных морей вышли атомные ледоколы с компактными реакторами «Ритм-200Н». Сотрудничество ИТ СО РАН и ГК «Росатом» продолжается и в рамках НЦМУ «Теплофизика и энергетика».
– Мы разворачиваем работы по национальному проекту технологического лидерства «Новые атомные и энергетические технологии» с целью повышения энергоэффективности действующих атомных реакторов и создания принципиально новой техники, - комментирует руководитель направления член-корреспондент РАН Николай Прибатурин. - В отрасли сейчас происходят кардинальные перемены.
Во-первых, существенно увеличивается интенсивность процессов теплообмена в тепловыделяющих сборках (ТВС) действующих реакторных установок.
Во-вторых, создается линейка наземных станций малой мощности - реакторы «Шельф-М». Малые габариты таких реакторов и особенности конструкции ТВС требуют учета локальных теплогидравлических процессов, происходящих в каналах ТВС.
Основная наша задача - научиться извлекать максимальную пользу из этих нестационарных процессов, дать рекомендации инженерам и разработчикам по достижению высоких тепловых потоков, обеспечению запасов до кризиса кипения для условий существенной неравномерности тепловыделения инновационных ТВС.
Экспериментальные исследования течений на интегральных и крупномасштабных стендах не дают в полном объеме информацию о таких локальных параметрах, как турбулентные пульсации скорости, пульсации температуры теплоносителя в зонах смешения, распределения паровой фазы по сечению, длине каналов и т. д. Поэтому важно моделировать локальные тепловые и гидродинамические процессы на стендах меньшего масштаба, воспроизводящих в деталях гидродинамику и теплообмен при течении теплоносителя в реальных условиях. Их можно оснастить новейшими системами измерения именно локальных (распределенных в пространстве) параметров потока.
Такое моделирование позволяет не только вникнуть в понимание особенностей физических процессов, но предложить и обосновать новые проектные решения. Для этого используем всю мощь нашей измерительной аппаратуры, уникальных экспериментальных стендов, в том числе и создаваемых в рамках НЦМУ для моделирования течения теплоносителя в ТВС и элементах реакторных установок.
Параллельно разрабатываем новейшие системы диагностики одно- и двухфазных течений: совместно с Институтом гидродинамики СО РАН развиваем рентгеновские методы измерения параметров течения теплоносителя при высоких давлениях, а с Институтом автоматики и электрометрии СО РАН создаем новую технологию измерения температуры поверхности твэлов ТВС на основе использования оптоволокна. К 2030 году планируем провести демонстрацию предложенных концептуальных решений моделей ТВС в условиях, близких к эксплуатационным.
Конструкторы плазмотронов
На научную школу, созданную в ИТ СО РАН и Институте теоретической и прикладной механики СО РАН академиком Михаилом Жуковым, опирается третье направление НЦМУ. В свое время Михаил Федорович сконструировал первые в мире промышленные плазмотроны. Сейчас пришла пора наращивать компетенции: у плазмотронов хорошие перспективы использования в металлургических процессах, в том числе для реализации новых технологий плазменной переработки руд.
– Если руда многокомпонентная, ее можно разделять по составу, и гибкий температурный режим плазмотронов здесь вне конкуренции - классические рудотермические печи обладают высокой тепловой инерцией, что накладывает ограничения на режимные параметры процессов. Более точный и гибкий контроль температуры в металлургических процессах позволяет реализовывать новые технологические режимы обработки, например, можно более эффективно разделять компоненты по температуре плавления, - поясняет руководитель направления доктор физико-математических наук Дмитрий Смовж. - Стратегически важное сырье для страны - титан. Но практически все наши месторождения - титаномагнетитовые, то есть содержат оксид железа.
Отечественная металлургия не работает на этих рудах. Наша задача - создать эффективную плазменную печь для разделения такой руды на железную фракцию и титановую. Мы активно сотрудничаем с нашими партнерами из ИТПМ СО РАН, белорусского Института тепло- и массообмена им. А.В.Лыкова, компании «ЭПОС-Инжиниринг» - в настоящий момент разрабатываем и строим экспериментальный комплекс, в центре которого шахтная печь с тремя плазмотронами.
Совместно с индустриальными партнерами, такими как ТВЭЛ и Росхим, развиваем технологии плазменной конверсии и пиролиза углеводородов, с получением синтез-газа и углеродного материала с заданными характеристиками, для применения в литий-ионных аккумуляторах. Еще одно исторически сложившиеся направление - переработка мусора, в частности, специфических отходов - токсичных либо радиоактивных. Плазмотроны уже прошли экспериментальную апробацию для таких задач и могут внедряться в существующие производства.
– Наш НЦМУ - научно-инжиниринговый. Институт теплофизики - мультидисциплинарный, исторически сложилось так, что есть ряд направлений, имеющих перспективу достаточно скорой реализации, - резюмирует директор ИТ СО РАН академик Дмитрий Маркович. - Мы понимаем, что революционных перемен в финансировании научных исследований ожидать трудно, поэтому единственный выход сохранить значимый научный институт - зарабатывать средства на решении наукоемких задач промышленности и пускать их на развитие. Пока нам это удается.
Ольга КОЛЕСОВА
Обложка: установка для оптических исследований распыла топлива в камерах сгорания при повышенном давлении. Фото предоставлено пресс-службой ИТ СО РАН
