Logo holodilshchik
интернет-выпуск № 2(26), февральь, 2007 г.
ПЕРВАЯ В РОССИИ ИНТЕРНЕТ-ГАЗЕТА ПО ХОЛОДИЛЬНОЙ И БЛИЗКОЙ ЕЙ ТЕМАТИКЕ

КРИОГЕННАЯ ТЕХНИКА - рубрика на Холодильщик.RU...
Грамотно преподнести себя через рекламу - тоже искусство!
КРИОГЕННЫЕ СИСТЕМЫ
Н.В. Филин
КРИОГЕНИКА - ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ

    

Фото: Филин Николай Васильевич

На первом этапе основные проблемы развития криогенной техники были связаны с производством криогенных продуктов. К началу Великой Отечественной войны был накоплен значительный опыт по созданию малых, зачастую экспериментальных, установок, а также по исследованию процессов, характерных для криогеники. В 1942 г. изготовлена первая турбокислородная установка ТК-200 производительностью 200 кг/ч жидкого кислорода. Началось проектирование установки ТК-2000. Но в стране не было криогенного машиностроения. В 1943 г. Постановлением Государственного Комитета Обороны за подписью тов. Сталина И.В. было положено начало формирования кислородной промышленности. Все научно-техническое руководство создаваемой отрасли возлагалось на П.Л. Капицу. Он возглавил Главкислород, непосредственно подчиненный СНК СССР, а затем и вновь созданный им институт кислородного машиностроения (ВНИИКИМАШ), оставаясь директором института физических проблем. Нужны были кадры специалистов криогенщиков, способных решать весь комплекс задач, возникающих как при создании промышленных воздухоразделительных установок (ВРУ), так и проблем, возникающих у потребителя криогенных продуктов. П.Л. Капица возглавил кафедру в МИХМе - нашу кафедру. К чтению лекций были привлечены ведущие специалисты: Малков М.П., Данилов И.Б., Зельдович А.Г., Фрадков А.Б. Студенты проводят лабораторные работы в институте физических проблем. Полностью изменилась ориентация кафедры. Создавалась школа криогенщиков, способных впитывать в себя новейшие достижения смежных отраслей науки и техники, в свою очередь, обогащая их новыми возможностями криогенных технологий. Под руководством П.Л. Капицы были развернуты работы по созданию крупнотоннажных ВРУ по предложенному им циклу низкого давления с турбодетандером (цикл Капицы), нашедшего общее признание криогенщиков мира.

Выбор цикла - вопрос не тривиальный, поскольку цикл, прежде всего, определяет надежность и энергетику установки.

Основными потребителями криогенных продуктов являются металлургия и химия. Так, в металлургии кислородно-конверторный способ получения высококачественной стали является основным. Обогащение доменного дутья кислородом повышает температуру в горне, позволяет сократить время плавки и снизить расход дорогостоящего кокса. Надежность ВРУ должна быть не хуже, чем надежность конверторов или домен. Крупнейшая в мире домна объемом 5000 м3 комплектуется только одной установкой КТ-70, и прекращение подачи газообразного кислорода количеством 66000 м3/ч и азота, как защитной среды, в количестве 30000 м3/ч не допустимо. Цикл Капицы имеет ограниченные возможности по холодопроизводительности, но позволяет наиболее простым и дешевым способом извлекать из воздуха практически весь кислород. Его применение особенно целесообразно, если основная масса криопродукта используется в газообразном виде и, следовательно, затраты холода на их извлечение минимальны. Создание крупных ВРУ, работающих по циклу низкого давления, решило важнейшую народнохозяйственную проблему - обеспечение металлургии и химии кислородом.

В Советском Союзе до его распада производилось 40 млрд. м3 в год кислорода и 18 млрд. м3 в год азота, что соответственно в 2 и 1,5 раза больше их производства в США. При этом свыше 90% этих продуктов получали на крупнотоннажных ВРУ, работающих по циклу Капицы. Потребление электроэнергии криогеникой составило более 1,5% от всей электроэнергии, производимой в СССР.

Были развернуты работы по ожижению гелия. Продолжались исследования новых явлений и, прежде всего, сверхтекучести гелия. По совокупности выполненных работ в 1978 г. П.Л. Капице была присуждена Нобелевская премия "... за фундаментальные изобретения и открытия в области физики низких температур".

Совершенствование технологических процессов в металлургии связано с использованием большого количества сухого и чистого азота, применяемого при прокатке листа, его термообработке и для других целей, а затем и аргона - для продувки стали в процессе передела. Дальнейшее совершенствование ВРУ стало возможным только путем совершенствования всех узлов установки и потребовало создания комплекса уникальных стендов для их отработки.

До последнего времени криогенную технику определяли как технику создания и применения криогенных температур (от 120 К до абсолютного нуля). Такое определение не раскрывает всей сути криогеники, поскольку криогенная техника - это область науки и техники, которая наряду с получением и применением криогенных температур, связана с производством и технологией обращения с жидкими криогенными продуктами при их использовании в различных областях деятельности человека.

Диапазон криогенных температур определен как диапазон существования в жидком виде ряда веществ, имеющих промышленное применение - природный газ, продукты разделения воздуха, водород и гелий.

Исторически так сложилось, что применение жидких криопродуктов в больших масштабах впервые стало осуществляться в ракетно-космической технике. Использование кислорода в качестве окислителя, а затем водорода в качестве горючего позволило создавать конкурентноспособные ракетные двигатели с высокой удельной тягой и практически исключить загрязнение окружающей среды. Общие принципы технологии обращения с криогенными жидкостями и конструктивные особенности оборудования криогенных систем неразрывно связаны со специфическими свойствами криопродукта. Низкие температуры в сочетании с малыми значениями теплоты фазовых переходов приводят к непрерывному изменению параметров криопродукта и возможности фазового перехода.

Хранение в резервуарах сопровождается температурным расслоением - стратификацией криопродукта. При транспортировании по трубопроводу жидкость прогревается под воздействием внешнего теплопритока, падения давления и диссипативных потерь. Возникает задача оптимизации скорости потока. Особое значение приобретают неустановившиеся процессы на переходных режимах работы систем, которые отличают многообразием форм, а возникающие динамические нагрузки имеют высокую интенсивность. Так, повышение давления при гидроударах приводит к схлопыванию паровых полостей, образующихся в застойных зонах криогенных систем. Возникает вторичный гидроудар. Его величина более чем на порядок выше первоначального гидроудара и обычно составляет несколько сот атмосфер. Большие величины динамических нагрузок и, особенно, возникающие при комбинации процессов, приводят к пластической деформации элементов конструкции, а зачастую и к их разрушению, как при малоцикловой усталости, так и при одноразовом нагружении - дефекты, характерные для периода отработки системы. Разрушения, связанные с малоцикловой усталостью, периодически наблюдаются в процессе эксплуатации.

Первые крупные криогенные системы, обеспечивающие наземную отработку ЖРД, элементов ракеты и ракеты в целом были созданы в послевоенные пятилетки в НПО Энергия (г. Королев); КБ Энергомаш (г. Химки); НИИХИММАШ (г. Пересвет) и др.

Из созданных в 50...70 годы систем заправки ракетно-космических комплексов следует отметить следующие:

  • система заправки ракеты "Восток", которая в течение полувека успешно обеспечивает полеты космонавтов;

  • система заправки ракеты "Н-1", а затем "Н-1, Л-3" - в варианте высадки человека на Луну.

После нескольких неудачных запусков работы были прекращены. Основными требованиями, определяющими конструктивные решения стартовых криогенных систем, являются длительное хранение больших количеств жидких криопродуктов, скоростная заправка, защищенность от ударной волны в случае аварийной ситуации на старте, а также стремление понизить температуру продукта ниже температуры насыщения, поскольку это упрощает технологию обращения с криопродуктом в ракете и улучшает ее весовые характеристики. Относительно низкие показатели оборудования криогенных систем первого поколения и недостаточная изученность процессов определили необходимость расположения хранилищ в непосредственной близости от старта. С целью защищенности от ударной волны хранилища создавались из горизонтальных резервуаров и их размещали в подземных сооружениях, что неоднократно приводило к критическим ситуациям.

Система заправки кислородом ракеты-носителя Н-1 включала хранилище, обеспечивающее накопление и хранение 2700 т жидкого кислорода в 12 горизонтальных резервуарах объемом 225 м3 каждый с годовыми потерями 35 %. Для охлаждения всего количества кислорода в период подготовки, снятия тепловой нагрузки в процессе заправки и возможной задержки до 10 суток применен блок воздушных эжекторов, вакуумирующий паровое пространство в резервуарах, с холодопроизводительностью 100 кВт на температурном уровне 70 К. Заправка баков ракеты осуществлялась двумя центробежными насосами, каждый из которых обеспечивает расход 660 м3/ч при напоре 2,4 МПа и потребляемой мощности 630 кВт. Циркуляционный контур, обеспечивающий поддержание заданной температуры в баках, содержит два центробежных насоса производительностью 130 м3/ч каждый и напором 1,5 МПа. Высокие требования и многообразие технологических операций по заправке глубоко охлажденным кислородом с последующим термостатированием баков ракеты привели к созданию сложной системы с разветвленной сетью криогенных магистралей диаметром от 50 до 300 мм с многочисленной запорной и регулирующей арматурой. Разветвленная сеть, большие массы транспортируемого криопродукта, а также многократные переключения арматуры обусловили проявление всего комплекса процессов, возникающих на переходных режимах. Анализ работы заправочных комплексов первого поколения показал, что технология обращения с жидкими криопродуктами имеет существенные особенности и находится на начальной стадии своего развития. Требуются глубокие исследования и создание основ гидродинамики жидких криогенных продуктов.

В связи с развертыванием работ по созданию ракетно-космической системы "Энергия-Буран" требовалось решить комплекс проблем по развитию криогенной и криовакуумной техники.

Предстояло создать:

  • крупнотоннажные производства жидких кислорода, азота и водорода, а также инфраструктуру, обеспечивающую обращение с большими объемами данных продуктов;

  • стендовые системы для наземной отработки жидкостных ракетных двигателей, элементов ракет и ракет в целом;

  • стартовые комплексы впервые в мировой практике, обеспечивающие, заправку системы "Энергия-Буран" охлажденными кислородом и водородом;

  • криовакуумные системы, для создания условий глубокого стерильного вакуума позволяющие произвести отработку в имитаторах космоса всю гамму аппаратов, включая космический корабль "Буран". Кроме того, предстояло создание крупных систем криостатирования сверхпроводящих магнитов термоядерных установок типа "Токамак", ускорителя элементарных частиц - УНК-3000, протяженностью кольца 21 км и рабочей температурой 4,4 К.

Необходимо было повысить конкурентную способность криогенного оборудования на внешнем рынке. Создаваемые ВРУ требовали существенного улучшения как по надежности, так и по параметрам извлекаемых продуктов.

Для решения указанных проблем Постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР от 13 марта 1967 г. был создан научно-промышленный комплекс "ВНИИКриогенмаш". В его состав были включены "ВНИИКИМАШ" с филиалом в г. Балашихе. Основной производственной базой стал Балашихинский машиностроительный завод им. 40-летия Октября, созданный на базе автогенного завода при активном участии Главного конструктора ракетно-космических систем С.П. Королева. Масштабы созданных при реконструкции корпусов, этого крупного машиностроительного завода, и весь набор оборудования позволили решать указанные проблемы.

Постановлением предусматривалось увеличение численности Балашихинского отделения научно-исследовательских и конструкторских подразделений до 3-х тысяч. Это позволило в кратчайшие сроки создать головные конструкторские отделы и исследовательские лаборатории практически по всем направлениям криогенной и криовакуумной техники. Была создана мощная экспериментальная база и развернуты работы по исследованию и отработке создаваемого оборудования.

В Московском отделении "ВНИИКриогенмаш" развернулись работы по созданию гелиевого оборудования, масштабы которого соответствуют возможностям собственного производства.

Учитывая территориальные и административные неудобства, в соответствии с Постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР, в 1971 г. было образовано научно-производственное объединение гелиевого машиностроения - "Гелиймаш".

В 1972 г. Балашихинское отделение "ВНИИКриогенмаш" было преобразовано в НПО "Криогенмаш". Слияние конструкторских, научных и производственных подразделений, их целенаправленная работа позволили существенно повысить технический уровень наукоемкого криогенного оборудования, полностью обеспечить потребности страны и осуществлять крупные экспортные поставки. Учитывая важность криогенной техники и ее влияние на технический уровень целого ряда отраслей промышленности, Постановлением Совета Министров СССР была введена должность Генерального конструктора по криогенной технике. Первым Генеральным конструктором был назначен В.П. Беляков. В 1986 г. Постановлением Совета Министров СССР автор данной статьи назначен Генеральным конструктором по криогенному оборудованию и в 1988 г. Генеральным конструктором по криогенной технике.

Дальнейшее развитие ВРУ получили в результате целенаправленной работы многочисленных коллективов ученых, конструкторов и производственников. Усилия создателей были направлены на увеличение холодопроизводительности цикла Капицы и повышение надежности установок. Так, замена изоляционного материала в холодном блоке (минеральной ваты на перлитный песок) позволила автоматизировать его загрузку и выгрузку и, главное, уменьшить как, теплоприток из окружающей среды, так и теплопередачу между элементами конструкции, работающих при разных температурах. В результате детандерный поток на установке КААр-30 сократился на 15-20 % при прочих равных условиях. Появилась возможность получить с установки значительное количество сухого и чистого азота. Вместе с тем переход на перлитную изоляцию требует полной герметичности оборудования, расположенного в холодном блоке, В случае образования свища на выходе струи газа образуется вихрь, и приведенный в движение перлит, обладающий абразивными свойствами, в течение нескольких часов разрушает конструкцию. Надежная работа установки была получена только при цельносварной конструкции оборудования холодного блока. Потребовалась новая технология изготовления и новые конструкционные материалы. Полностью была исключена медь, поскольку сварные соединения меди характеризуют низкое качество, а конструкционные медные сплавы, типа латуни, склонны к растрескиванию при длительной эксплуатации. Широко использовался опыт создания изделий ракетно-космической техники. Компоновка аппаратов в холодном блоке должна исключать возможность зависания перлита и образования пустот. Если в процессе эксплуатации по какой-либо причине в изоляционной полости образовалась пустота, то в момент обрушения перлита возникает резкое повышение давления типа гидравлического удара, наблюдаемого при заполнении жидкостью паровых полостей. Процесс, как правило, завершается разрушением кожуха и трубопроводов.

Получение высококачественных сталей на современном этапе связано с продувкой аргоном. Количество аргона, получаемого с установки, стало одним из основных показателей в конкурентной борьбе фирм за рынки сбыта. Так, повышение выхода аргона с 300 кг/ч до 600 кг/ч на серийной установке КААр-15 позволило выиграть "тендер" и осуществить поставку в Китай партии установок. Установка, предложенная Японией, обеспечивала получение 500 кг/ч аргона. Существенное увеличение производства аргона в жидком виде, прежде всего, связано с соответствующим увеличением холодопроизводительности. Проведенное обследование работы ВРУ на металлургических комбинатах показало, что фактические значения КПД турбодетандеров в условиях длительной эксплуатации существенно отличаются от их значений, полученных в стендовых условиях. На величину КПД оказывают влияние повышенные утечки через уплотнения и температурные деформации корпуса и других элементов детандера. Фактическое значение КПД обычно не превышает 0,70. Для получения 600 кг/ч жидкого аргона на установке КААр-15 необходимо иметь реальный КПД детандера не ниже 0,85. В результате выполненных исследований было создано новое осевое самоприрабатывающееся уплотнение и разработан принципиально новый направляющий аппарат канального типа, позволяющий увеличить высоту лопаток рабочего колеса. Значение КПД достигло 0,88, возросла его стабильность в процессе длительной эксплуатации.

Дальнейшее совершенствование цикла Капицы связано с повышением давления детандерного потока на 30...50 % за счет использования мощности детандера для привода компрессорного колеса, находящегося на одном валу с детандером. Такое решение стало эффективным, когда возросли фактические значения КПД детандера и компрессора и существенно уменьшились утечки через уплотнения данных узлов. Охлаждение газа после дожимающего компрессора до температуры 120-140 К вызывает большие трудности в установках с регенераторами и легко реализуется при использовании блока комплексной очистки и нереверсивных пластинчато-ребристых теплообменников. Таким образом, воплощается в полном объеме идея П.Л.Капицы перейти от возвратно-поступательного движения к вращательному в компрессорах и детандерах и непрерывный процесс разделения воздуха при использовании блока комплексной очистки и нереверсивных пластинчато-ребристых теплообменников. Известны случаи, когда основная установка черной металлургии КААр-30 работала без отогрева в течение 8 лет.

Опыт создания и эксплуатации стартовых заправочных комплексов первого поколения, большой объем проведенных теоретических и экспериментальных исследований, выполненных на вновь созданных в НПО "Криогенмаш" стендовых установках, позволили по-новому подойти к разработке стартового комплекса ракетно-космической системы "Энергия-Буран".

Криогенные системы нового поколения имели следующие особенности:

  • увеличенные размеры основного оборудования, более эффективная тепловая защита и повышенная устойчивость к воздействию внешних ударных волн;

  • при заданной величине прогрева продукта его транспортировка по магистралям может осуществляться на большее расстояние;

  • комплекс конструктивных и технологических мероприятий исключает возможность появления динамических нагрузок, превышающих расчетные.

Все это позволило вынести хранилище в зону допустимых значений внешних ударных волн, исключить защитные сооружения, упростить разводку криогенных магистралей и сократить количество запорно-регулирующей арматуры.

Криогенные системы стартового комплекса заправки ракеты-носителя "Энергия" и орбитального корабля "Буран" содержит три самостоятельные системы: водорода, кислорода и азота. Накопление продуктов и их длительное хранение обеспечивается применением сферических резервуаров объемом 1400 м3 каждый с рабочим давлением 1,0 МПа и годовыми потерями 10-15 % кислорода и азота, и 60 % водорода. Хранилища расположены на расстоянии 1000 м от пусковых устройств и компонуются четырьмя резервуарами для жидкого водорода, тремя для кислорода и тремя для азота. Объем хранилищ и размер резервуаров были определены таким образом, чтобы выход из строя одного резервуара или некондиционность продукта в объеме одного резервуара не привели к срыву заправки изделия.

Система заправки водородом обеспечивает заправку охлажденным до 16,5 К продуктом и последующее термостатирование. Заправка осуществляется методом вытеснения кипящего при атмосферном давлении водорода. Его охлаждение происходит в потоке жидкости, за счет теплообмена с водородом, кипящим в ванне охладителя под вакуумом, создаваемым эжекторами, работающими на газообразном азоте. Такой способ охлаждения исключает подсос воздуха в водород, поступающий в основную систему. Что касается теплообменника-охладителя, то принимаются специальные меры по обеспечению безопасности его эксплуатации. Для термостатирования водорода в баках ракеты предусматривается циркуляционный контур с расходом до 30 кг/с. В качестве побудителя расхода используется жидкостной эжектор.

Охлаждение кислорода, поступающего на заправку баков ракеты-носителя и последующее термостатирование, осуществляется в теплообменниках-охладителях. В качестве хладагента используется жидкий азот, кипящий при атмосферном давлении.

Глубокое охлаждение кислорода, поступающего на заправку орбитального корабля "Буран", до температуры 56 К осуществляется путем теплообмена с холодными парами водорода. Для обеспечения безопасности используется промежуточное рабочее тело - гелий при давлении, превышающем давление кислорода и водорода.

Применение глубоко охлажденных компонентов топлива позволило улучшить параметры ракетно-космической системы "Энергия-Буран" и увеличить полезную нагрузку на 7 т. Вместе с тем это требует непрерывной циркуляции водорода и кислорода вплоть до старта ракеты, т.е. осуществления принципа динамической заправки. При этих условиях непосредственно в цикле заправки практически участвует все оборудование систем, и отказ любого узла приводит к ее срыву. Это требует высокой надежности оборудования, строгой регламентации процессов и ограничения нагрузок, особенно в переходных режимах. В процессе проведения пусконаладочных работ на стартовом комплексе запуска ракеты "Энергия" и ракетно-космической системы "Энергия-Буран" отсутствовали аварийные ситуации, и все системы заправки полностью обеспечили выполнение требуемых параметров.

В настоящее время, как в нашей стране, так и за рубежом разрабатывается большое количество спутниковых систем на околоземные орбиты - от 200 до 3000 км. Это глобальные системы, включающие десятки и сотни космических аппаратов различного назначения. Создаваемые космические аппараты, включая орбитальный корабль "Буран" проходят полную отработку в камерах, имитирующих в земных условиях космическое пространство.

Для имитации космоса необходимо моделировать:

  • глубокий стерильный вакуум;

  • черное, холодное космическое пространство, исключающее возврат молекул к элементам аппарата;

  • излучение Солнца и других планет.

Система вакуумирования имитаторов космоса содержит комплекс оборудования. Для форвакуумной откачки от 0,1 МПа до 10 Па, применяют вакуумные агрегаты, с жидкостно-кольцевыми насосами и сверхзвуковыми воздушными эжекторами. Основной проблемой при создании имитаторов является безмасляное вакуумирование на переходном режиме (10... 10-1 Па) и поддержание рабочего вакуума (10-3...10-4 Па). Широко применяемые в мировой практике масляные диффузионные насосы со сложной системой улавливания масла не обеспечивают получение стерильного вакуума. Малые количества масла мигрируют в барокамеру, а большие количества выбрасываются в окружающую среду. Так, на первом этапе проведения пусконаладочных работ на имитаторе, предназначенном для испытаний космического корабля "Буран", получение рабочего вакуума осуществлялось масляными насосами. При их длительной работе вся округа покрывалась голубым туманом масляных паров. Стало очевидным, что получить стерильный вакуум в данных условиях невозможно. Оптимальное решение было получено путем применения криосорбционных насосов, охлаждаемых жидким азотом. Использование в корпусе насоса плоских криосорбционных кассет из пористого материала, заполненных цеолитом СаЕН-4В, обладающим высокой адсорбционной способностью, позволило получить стерильный вакуум и высокую производительность насоса.

Имитация "черного" холодного космоса обеспечивается криоконденсационным насосом, панели которого полностью закрывают внутреннюю поверхность камеры. По каналам насоса циркулирует гелий при температуре 10 К. По защитным экранам циркулирует жидкий азот, воспринимая основную тепловую нагрузку. Шевронный экран со стороны изделия обеспечивает свободный проход откачиваемых газов к гелиевым панелям и одновременно осуществляет их защиту от радиационного потока имитатора Солнца.

Имитатор, в котором был проведен весь комплекс испытаний космического корабля "Буран", имеет следующие основные характеристики: объем камеры 10000 м3, рабочий объем 8000 м3, диаметр цилиндра камеры 18 м, диаметр загрузочного люка 13 м.

Для охлаждения азотных экранов используется контур естественной циркуляции, когда имитатор солнечного излучения нагревает азот в экранах, и происходит его естественный подъем. Для исключения вибраций экранов зона кипения азота вынесена из камеры и предусмотрен тяговый участок. В результате питающий резервуар, объемом 250 м3 расположен на отметке +85 м. Количество циркулирующего азота составляет 800 т в час. Таким образом, широкое применение криогенных технологий позволяет осуществить наиболее полную имитацию космического пространства в земных условиях.

Если рассматривать водород как универсальное топливо на далекую перспективу, а также как альтернативу углеводородному топливу, которое добывается и потребляется в огромных количествах, то очевидно, что для этого потребуется большое количество электроэнергии, используемой для разложения воды. Ее производство сможет обеспечить, прежде всего, атомная энергетика.

Предстоит более эффективно использовать следующие возможности:

  • ночные провалы в потреблении электроэнергии;

  • создание различных циклов, позволяющих более эффективно вырабатывать водород, используя тепло атомных реакторов и многое другое.

Однако совершить такой скачок в объемах производства электроэнергии, для возможной замены в будущем нефти и природного газа, возможно только путем освоения нового источника энергии, который одновременно был бы более экологичен или вообще не загрязнял окружающую среду. Таким источником является управляемая термоядерная реакция.

Академиками А.Д. Сахаровым и И.Е. Таммом предложено использовать для удержания плазмы с температурой миллионы градусов тороидальную камеру, в которой плазма удерживается тороидальным магнитным полем и полем тока, текущего по плазме вдоль оси тора.

Сочетание слов "ток", "тор", "магнит" и легло в основу слова "Токамак". Это русское слово, известное во всем мире также, как слово "Спутник".

Проведенные исследования показали:

  • удержать термоядерную плазму магнитным полем, создаваемым обычными или "теплыми" магнитами невозможно;

  • если использовать явление сверхпроводимости, что позволяет на порядок повысить интенсивность магнитного поля, то принципиальная возможность имеется.

Первый в мире Токамак со сверхпроводящими катушками основного магнитного поля Т-7 был создан в институте им. Курчатова. Решение проблем, связанных с криогеникой, а также разработка чертежей и изготовление Токамака были выполнены в НПО "Криогенмаш". Нагрев и удержание плазмы в Т-7 осуществляется в рабочей камере тороидальной формы, объемом 3 м. Криогенные температуры неразрывно связаны со всеми узлами установки: 3,6 К - катушки основного поля; 4,2 К - тоководов; 80 К - защитных экранов (жидкий азот).

Очередным этапом в решении проблемы управляемого термоядерного синтеза было создание установки Т-15 с объемом рабочей камеры 32 м3. Это сложнейшая установка, содержащая 4 криогенные системы, работающие на разных температурных уровнях от 3,6 К до 80 К.

Работы, проведенные на установке Т-15, а также на аналогичных установках JET (Англия), TORE-SUPRA (Франция) и TRJAM-IM (Япония), завершили этап исследований на опытных установках. Полученные результаты позволили перейти к созданию опытно-промышленного реактора. По сложности, стоимости и, безусловно, значимости - это проблема, для решения которой требуется привлечение научно-технического и экономического потенциала ведущих стран мира. Была создана международная комиссия. Разработали облик опытно-промышленной установки JTER. Это сложнейшее устройство, по существу, является экспериментальной установкой. Однако промышленный энергопроизводящий реактор будет иметь такие же размеры и большинство принципиальных решений сохранится. Рабочая камера объемом 4000 м3 имеет форм крутого тора. Величина магнитного поля на обмотке сверхпроводящей магнитной системы составляет 12 Тл. Проведенные проработки выявили целый ряд сложнейших инженерно-технических проблем.

Установлено, что термоядерный реактор должен работать на пределе технических возможностей по целому ряду параметров:

  • по величине магнитного поля и эффективности его использования для удержания и термоизоляции плазмы;

  • по параметрам тепло- и массообменных процессов в диапазоне температур от 1,6 К (сверхтекучий гелий) до температуры плазмы;

  • по механическим и радиационным свойствам конструкционных материалов, включая материал первой стенки.

В настоящее время прорабатывается соглашение о создании международной установки типа JTER во Франции. Ее стоимость оценивается в 13 млрд. долларов США. Предполагается, что доля участия России составит 10 %. Срок создания установки 2040 год. Имеется график (интернет) со сроком получения плазмы в 2016 г.

Освоение в перспективе термоядерной энергетики в перспективе сейчас рассматривается как единственный способ обеспечения человечества энергией. Исходным сырьем реакции является дейтерий, получаемый из воды. Разложение 1 м воды в электролизере позволяет получить 88 кг газообразного водорода. Лучшие водощелочные электролизеры обеспечивают удельный расход 45-50 кВт·ч/кг.

При последующем ожижении водорода можно выделить 13 г дейтерия. Затраты на ожижение водорода составляют 11,3 кВт·ч/кг. Получаемый жидкий водород является универсальным топливом для транспортных средств. Теплота сгорания водорода втрое больше, чем у нефтепродуктов и составляет 33,37 кВт·ч/кг. Его применение существенно сокращает или полностью исключает загрязнение окружающей среды.

Низкая температура жидкого водорода и его малая плотность приводит к большим потерям продукта. Так, при стендовых испытаниях ракетных двигателей эти потери достигают 80%. Если предположить, что в результате тщательной отработки технологических процессов потери сократятся в четыре раза и не будут превышать 20%, затраты энергии составят около 70 кВт·ч/кг. Эффективность использования теплоты сгорания обычно не превышает 50% и для водорода составляет 16,7 кВт·ч/кг. Следовательно, при использовании жидкого водорода в транспортных средствах на 1кВт·ч полезной энергии необходимо затратить 4 кВт·ч первичной энергии. Это и является основным препятствием широкого применения водорода в транспортных средствах.

---

Опубликовано: Труды кафедры "Холодильная и криогенная техника" МГУИЭ
/Сборник научных статей под ред. профессора И.М. Калниня/ М.: 2006





Приглашаем ученых и инженеров, аспирантов и студентов, а также,
заинтересованные институты, фирмы, организации и частных лиц, принять участие в размещении
информации в интернет-газете, посвященной холодильной и близкой ей тематике.

Учредитель и издатель интернет-газеты: ООО "АВИСАНКО" (Москва).
Адрес редакции: Россия, 115551, Москва, Шипиловский проезд, д.47/1, офис 67-А.
Тел./факс: +7 (495) 343-43-71, тел.: +7 (495) 343-43-48, 223-60-50 доб. 132.

Головной сайт: www.avisanco.ru.

E-mail: info@holodilshchik.ru

Первый выпуск первой в России интернет-газеты по холодильной и
близкой ей тематике - "Холодильщик.RU" - вышел в свет в январе 2005 г.
Руководитель проекта и Главный редактор: Маргарян С.М. (АВИСАНКО, ООО)
За содержание рекламных материалов редакция ответственности не несет.
При перепечатке статей, ссылки на их авторов и интернет-газету обязательны.
Разместите на своем сайте нашу кнопку... Rambler's Top100 Многоязыковая поисковая система...


Авторские права © 2005-2017 // MARGARY@N

Партнеры:
[an error occurred while processing this directive]