Ученые МИФИ научились предсказывать перегрев реакторов и чипов

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.

Физический процесс кипения, знакомый каждому, кто ставил чайник, до сих пор остается одной из сложнейших загадок для науки. Как рассказал «Известиям» доцент кафедры теплофизики НИЯУ МИФИ, руководитель лаборатории теплогидравлики и физики кипения Кирилл Куценко, общепризнанной модели кипения до сих пор не существует. Однако для атомной энергетики понимание этого процесса критически важно: в реакторах типа ВВЭР объемное кипение недопустимо, так как оно может привести к опасному явлению — кризису теплоотдачи.

Что такое кризис теплоотдачи

«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 ученый.

Физическая природа явления 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.

Как предотвратить аварию

Сегодня на реальных АЭС подобные инциденты не происходят благодаря коэффициенту запаса: реакторы работают не на пределе своих возможностей. Однако это означает, что станции недогружены. По словам Куценко, повышение мощности даже на несколько процентов принесло бы большую прибыль, 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 разработчик.

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 всегда. Ученые ищут корреляции между этими параметрами и температурой, чтобы создать универсальный инструмент диагностики.

От реакторов до ускорителей и чипов

Хотя методика создавалась для атомной энергетики, она может найти применение и в других сферах. В проекте «Прорыв» Росатома используются жидкометаллические теплоносители (натрий, свинец, висмут), которые не должны закипать. Тем не менее, теория МИФИ применима к любым жидкостям, включая те, что используются для охлаждения сверхпроводящих магнитов в больших ускорителях.

Кроме того, разработка актуальна для микроэлектроники. «Важным направлением также является охлаждение специальными жидкостями чипов в микроэлектронике для повышения их производительности», — подчеркнул Куценко. При больших токах и высоких нагрузках возникает риск неконтролируемого роста тепловой мощности, и здесь также важно диагностировать наступление кризиса.

«Советчик» для оператора

Конечная цель разработок 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 искусственного интеллекта. Сейчас идет этап моделирования и набора экспериментальных данных, в том числе на базе партнеров — НИКИЭТ и «Гидропресса», где есть стенды с более высоким давлением.

Разработка уже прошла проверку на различных теплоносителях, включая жидкий азот и воду. В планах — создание быстродействующего софта и специального прибора, который позволит вывести безопасность и экономическую эффективность энергонапряженного оборудования на новый уровень.

Источник: Минобрнауки России
Изображение на обложке: разработано Magnific