Руководитель научной группы

д.т.н. профессор Комов Александр Тимофеевич

Краткая информация

Направления исследований: Направление исследований: вопросы особенностей процессов теплообмена и гидродинамики, происходящих в конструктивных элементах ядерной энергетики и в области разработок управляемого термоядерного синтеза при высокой плотности энергии.

Ключевые слова: теплообмен, гидравлическое сопротивление, бланкет, первая стенка, дивертор, реактор, тепловыделяющая сборка, микротвэл, шаровая засыпка, диспергирован- ный поток, теплоноситель.

Установки: 1) теплофизический стенд с односторонним нагревом сканирующим с высокой частотой электронным пучком при плотности подводимой энергии порядка десятков МВт/м2; 2) стенд по исследованию тепловыделяющих сборок с микротвэлами с автоматизированными системами управления контуром циркуляции теплоносителя, сбора. хранения и обработки информации  и с рабочими параметрами, соответствующими реактору ВВЭР-1000; 3) экспериментальную установку  для исследования эффективности применения диспергированных потоков для рекуперации энергии, выделяющейся  в плоской пластине, имитирующей дивертор реактора ИТЭР; 4) экспериментальную установку  по исследованию теплообмена в лимитере термоядерной установки Т-11 с индукционным нагревом рабочего участка.

Достижения: К достижениям научной группы, имеющим научный и практический интерес можно назвать результаты многолетних исследований особенностей теплообмена в приемниках пучков системы дополнительного инжекционного нагрева плазмы термоядерных реакторов и экспериментальных установок. На рабочих участках, моделирующих реальные конструкции приемников, была достигнута рекордно высокая плотность отводимого теплового потока 78,3 МВт/м2 без разрушения рабочего участка. Кроме того, было показано, что в условиях одностороннего нагрева при охлаждении недогретым до температуры насыщения закрученным потоком кризис теплоотдачи при кипении имеет термодинамическую природу. Системные исследования теплообмена в лимитере Т-11 показали перспективность применения диспергированных потоков теплоносителя для рекуперации энергии в термоядерных установках и реакторах. Был получен значительный массив данных, на основе которого было разработано критериальное уравнение для расчета теплообмена при охлаждении лимитера дипергированным газожидкостным потоком. На стенде тепловыделяющих сборок с микротвэлами выполнен цикл исследований по теплообмену и гидродинамике трубчатых твэлов с использованием интенсификатора теплообмена, сочетающего осевой и закрученный потоки.

Партнёры: НИЦ «КИ», ТРИНИТИ, НИИ ЭФА, НИКИЭТ, ЭНИЦ.

Основные научные результаты

Научная группа «Теплофизические проблемы энергетики» создавалась в 80-е годы под решение научных, инженерно-технических вопросов, связанных с проблемами управляемого термоядерного синтеза, в связи с чем, собственно, и была образована кафедра «Физика-2». Задачей создаваемой научной группы являлось выполнение исследований процессов теплообмена и гидродинамики, которые имели место в приемниках пучков систем инжекционного нагрева плазмы. Основными особенностями этих процессов являются чрезвычайно высокая плотность энергии, достигающая 102 МВт\м2, и одностороннее воздействие плазмы. Для выполнения этих исследований был разработан и создан экспериментальный стенд с односторонним нагревом электронным пучком. Электронный пучок создавался сварочным электронно-лучевым агрегатом ЭЛА-60. С тем, чтобы использовать сварочную электронную пушку как источник нагрева была разработана система высокочастотного сканирования электронного пучка по поверхности рабочего участка. Для обеспечения теплосъема столь высокой плотности энергии использовался закрученный сильно недогретый до температуры насыщения теплоноситель. Принципиальная схема экспериментального стенда представлена на рис. 1.

Рис.1. Принципиальная схема теплофизического стенда с односторонним нагревом электронным пучком: 1 – электронная пушка, 2 – блок питания, 3 – блок управления, 4 – рабочий участок, 5 – петля гидравлического контура, 6 – вакуумная камера, 7 – двухплунжерный насос, 8 – система сглаживания пульсаций давления, 9 – нагреватель, 10 – теплообменник, 11 – форвакуумный насос, 12 – диффузионный насос, 13 – коммутатор, 14 – преобразователь сигналов, 15 – компьютер, 16 – блок управления тепловыми процессами, 17 – высоковольтный блок управления, 18 – вакуумметр-магнитный блокировочный 

Сочетание закрученного потока с односторонним подводом энергии позволили при сохранении прочности рабочего участка достигнуть рекордно высокого уровня плотности отводимого теплового потока   q=78,3 МВт\м2. Важную научную ценность этих исследований представляет вывод о том, что в исследуемых условиях кризис теплоотдачи при кипении имеет термодинамическую природу. На рис. 2 представлены некоторые результаты этих исследований.

Рис. 2. Зависимость показаний термопар T1 – T5 от подводимой мощности для ρω = 1200 кг/(м2·с), k = 0,37, Твх = 20оС, рср = 1,0 МПа

К концу прошлого века стало очевидным, что для обеспечения экономической конкурентной способности атомной энергетики на фоне ужесточающихся требований по безопасности АЭС, необходим поиск альтернативных стержневым твэлам конструкций.

К этому времени академиками Н.Н. Пономаревым-Степным и Н.Е. Кухаркиным             с коллегами была выдвинута идея возможности использования сферических микротвэлов как естественное развитие шаровых твэлов, которые себя хорошо проявили в всокотемператур- ных газовых реакторах. Возможен ли переход от стержневых твэлов к микротвэлам?  По крупному при разработке реактора любой конструкции необходимо решение двух взаимосвязанных задач: нейтронно-физической и теплогидравлической. С целью исследования теплогидравлических параметров тепловыделяющих сборок с микротвэлами на кафедре ОФиЯС был разработан и создан экспериментальный стенд «Тепловыделяющая сборка с микротвэлами». Схема гидравлического контура стенда представлена на рис. 3. 

Рис. 3. Схема гидравлического контура стенда «Тепловыделяющая сборка с микротвэлами»

На этом стенде был выполнен цикл исследований по трубчатым твэлам, в которых в качестве интенсификаторатеплообмена использовалось сочетание аксиального и закрученного потоков.  Некоторые результаты этих исследований представлены на рис. 4.

Рис. 4. Зависимость Nu/А от параметра Ḣ для ребер (Re = 45000): 1 – t = 40 мм; 2 – t = 50 мм; 3 – t = 60 мм;  4 – t = 100 мм; 5 – гладкий кольцевой канал

В настоящее время на стенде проводятся гидравлические испытания с нагревом шаровой засыпки. Первые результаты этих исследований представлены на  рис.5.

Рис.5.  Зависимость гидравлического сопротивления шаровой засыпки от числа Рейнольдса при 3 и 6  Мпа, соответственно: ■, □ — ξ определен по формуле Богоявленского,
  ♦, ◊ — ξ определен из экспериментальных данных.

Надо сказать, что теплогидравлические исследования на моделях ТВС с микротвэлами связаны с определенными сложностями. Дело в том, что для обеспечения объемного нагрева стальных шариков-имитаторов микротвэлов требуется индукционный нагрев. При этом корпус рабочего участка-имитатора ТВС с микротвэлами должен быть радиопрозрачным. Был изготовлен корпус модели ТВС с микротвэлами на основе оригинальной технологии, разработанной в «…….». Однако испытания при высоких давлениях, соответствующих реактору ВВЭР-1000, показали, что эта конструкция «потеет» вследствие микропористой структуры. Сейчас в качестве материала корпуса используется алундовая керамика.

С 2015 года на кафедре выполняются исследования возможности применения диспергированных жидкостных и газожидкостных потоков для обеспечения теплоотвода от таких конструкций термоядерных реакторов и установок как лимитер и дивертор. В настоящее время в основном выполнены работы по применению этого метода в лимитере ТЯУ Т-11. Эксперименты проводятся на теплофизическом стенде с электронным нагревом.Результаты этих исследований позволяют рассматривать этот метод теплосъема как весьма перспективный. Достоинством этого метода теплосъема является существенное снижение давления теплоносителя, что для обеспечения безопасности ТЯР является очень важным параметром. Отдельные результаты охлаждения лимитера ТЯУ Т-11 представлены на рис. 6.

Рис.6. Зависимость коэффициента теплоотдачи от расходного массового газосодержания:  1 – Gж=0.033 кг/c; 2 – Gж=0.042 кг/c; 3 – Gж=0.05 кг/с

На основе полученного массива экспериментальных данных получено критериальное уравнение для расчета теплоотдачи к диспергированному газожидкостному потоку в зависимости от  его режимных параметров:

Научная группа продолжает исследования в этом направлении применительно к дивертору. Разработана и создана экспериментальная установка  с индукционным нагревом, выполняются эксперименты по выбору типа форсунки, параметрам теплоносителя, устанавливаются характеристики теплообмена. Принципиальная схема установки представлена на рис.7.

Рис. 7. Принципиальная схема установки для охлаждения дивертора диспергированным потоком теплоносителя: 1-….

В научной группе проводятся эксперименты по характеристикам теплообмена на вертикально ориентированном лимитере. Принципиальная схема гидравлического контура представлена на рис. 8. Первые экспериментальные данные по нагреву рабочего участка представлены на рис. 9. 

Рис. 8. Принципиальная схема гидравлического контура охлаждения рабочего участка

Рис. 9. Зависимость изменения показаний стеночных термопар на рабочем участке от времени при расходе воды Gводы =  200 л/час и расходе воздуха Gвозд =  7,0 м3/час

Предварительные темы для научной работы студентов

  1. Разработка и оптимизация параметров раздаточного и сборного коллекторов  ТВС с микротвэлами.
  2. Теплообмен и гидродинамика шаровых засыпок с индукционным нагревом.
  3. Параметры, особенности теплообмена ТВС с микротвэлами.
  4. Экспериментальное исследование теплоотдачи от плоской поверхности к диспергированному  потокутеплоносителя.
  5. Экспериментальное исследование теплообмена на модели лимитера.
  6. Разработка расчетной модели теплообмена охлаждаемой поверхности с высокой температурой с диспергированным потоком теплоносителя.
  7. Разработка модели взаимодействия диспергированного потока с парогазовой средой.
  8. Анализ взаимодействия  отдельных капель,  диспергированного потока с охлаждаемой поверхностью.

Список основных публикаций

  1. Дедов А.В. Обзор современных методов интенсификации теплообмена при пузырьковом кипении, Thermal Engineering, 2019, № 12. С. 18-54.
  2. Vertkov A.V., Komov A.T., Lyublinski I.E., Mirnov S.V., Varava A.N., Dedov A.V., Zaharenkov A.V., Frick P.G. The use of dispersed gas-liquid flow for cooling of the tokamak t-10 liquid metal limiter (2018) Problems of Atomic Science and Technology, Series Thermonuclear Fusion, 41 (1), pp. 57-64 
  3. Komov, A.T., Varava, A.N., Dedov, A.V., Zakharenkov A.V., Boltenko E.A., Agishev, B.Y., Smorchkova, Y.V. Investigation into the efficiency of a fin and wound wire intensifier, Thermal Engineering, 2017, Volume 64, Issue 8, Pages 604-609
  4. Беляев А.В., Варава А.Н., Дедов А.В., Комов А.Т. (Belyaev, A.V., Varava, A.N., Dedov, A.V., Komov, A.T.) An experimental study of flow boiling in minichannels at high reduced pressure International Journal of Heat and Mass Transfer (2017 г.)
  5. Люблинский И.Е., Вертков А.В., Жарков М.Ю., Мирнов С.В., Вершков В.А., Глазьюк Ю.В., Ноткин Г.Е., ГрашинС.А., Кислов А.Ю., Комов А.Т. (Lyublinski I.E., Vertkov A.V., Zharkov M.Y., Mirnov S.V., Vershkov V.A., GlazyukY.V., Notkin G.E., Grashin S.A., Kislov A.Y., Komov A.T.) Complex of lithium and tungsten limiters for 3 MW of ECR plasma heating in T-10 tokamak. Design, first results Nuclear Fusion (2017 г.)  
  6. Komov, A.T., Varava, A.N., Dedov, A.V., Zakharenkov, A.V., Boltenko, É.A. Hydrodynamics and Heat Transfer in the Case of Combined Flow in a Annular Channel of Small Cross Section Journal of Engineering Physics and Thermophysics 2017 90 (1), с. 160-166
  7. S. V. Mirnov, A. T. Komov, I. E. Lyublinski, A. N. Varava, A. V. Dedov, A. V. Zakharenkov, Y. V. Smorchkova Innovative method of cooling and thermostabilization of tokamak elements with capillary-porous structures Journal of Physics: Conf. Series 2017 891, 012021
  8. Boltenko E.A., Varava A.N., Dedov A.V., Zakharenkov A.V., Komov A.T., Malakhovskii S.A. Investigation of heat transfer and pressure drop in an annular channel with heat transfer intensifiers. Thermal Engineering (English translation of Teploenergetika), 2015. Т.62, №3. С. 177-182. 
  9. А.В. Захаренков, А.Т. Комов, А.Н. Варава и др., Экспериментальный стенд для исследования теплогидравлических характеристик модельных элементов тепловыделяющих сборок// Вестник МЭИ, 2013. №2. с. 39-45
  10. Стаханова А.А., Варава А.Н., Дедов А.В., Комов А.Т. Studying heat transfer during impulse heating of model fragments of fuel rod claddings // Thermal Engineering, 2011, том 58, №7
  11. Бочарова Е.В., Токарев Ю.Н., Комов А.Т. Numerical simulation of fuel assemblies containing pebble fuel elements // Thermal Engineering, 2010, том 57, №12
  12. Дедов А.В., Комов А.Т., Варава А.Н., Ягов В.В. Hydrodynamics and heat transfer in swirl flow under conditions of one-side heating. Part 1: Pressure drop and single-phase heat transfer // International Journal of Heat and Mass Transfer, 2010, том 53, №19-20
  13. Дедов А.В., Комов А.Т., Варава А.Н., Ягов В.В. Hydrodynamics and heat transfer in swirl flow under conditions of one-side heating. Part 2: Boiling heat transfer. Critical heat fluxes // International Journal of Heat and Mass Transfer, 2010, том 53, №21-22
  14. Варава А.Н., Дедов А.В., Захаров Е.М., Комов А.Т., Малаховский С.А. Experimental study of the influence of a twisted tape on local heat transfer // Heat Transfer Research, 2010, том 41, №1