Лаборатория теплофизических проблем в энергетике
Стенд для исследования теплообмена в конструктивных элементах, обращенных в разрядную камеру термоядерных реакторов при сверхвысокой плотности энергии
Стенд включает в себя следующие основные элементы: система электронного нагрева, гидравлическую и вакуумную системы, а также автоматизированную систему сбора и обработки информации. Нагрев горизонтально расположенной мишени осуществляется в вакуумной камере сканирующим пучком электронов, генерируемых электронной пушкой с ускоряющим напряжением до 60 кВ и силой тока до 250 мА. Специально разработанный блок развертки электронного пучка обеспечивает равномерность нагрева тепловоспринимающей поверхности мишени. Гидравлическая система стенда обеспечивает стабильные параметры потока воды в следующем диапазоне параметров: давление p = [0,5; 2,5] МПа, массовый расход до 1 кг/с, температура воды на входе Тж = [15; 60]оC. Автоматизированная система обеспечивающих сбор и обработку информации при частотах опроса до 1 кГц.
Задачи, решаемые с использованием стенда:
исследование гидродинамики и теплообмена в односторонне нагреваемых мишенях (моделях тепловоспринимающих трубок приемников пучков и элементов первой стенки термоядерных реакторов) охлаждаемых вынужденным потоком воды; исследование интенсификации теплообмена с помощью непрерывной закрутки потока; исследование теплообмена и кризиса теплообмена при кипении сильно недогретого до температуры насыщения потока.
Экспериментальный стенд для исследования теплогидравлических параметров в тепловыделяющих сборках ядерных реакторов нового поколения
Технологическая система (ТС) стенда включает в себя гидравлический контур с элементами нагрева и охлаждения, электротехническое силовое оборудование, автоматизированные средства измерений и управления, а также высокочастотную систему индукционного нагрева, на базе генератора ВЧГ 9-60/0,44.
Основные технические характеристики стенда:
- Теплоноситель – дистиллированная вода
- Максимальное рабочее давление – 20 МПа
- Максимальная температура теплоносителя – 350 С
- Массовый расход теплоносителя – 0,005 – 1,36 кг/с
- Максимальная мощность, подводимая к стенду – 700 кВт
- Общий расход охлаждающей воды на максимальных тепловых нагрузках – 25,6 м3/час
- Максимальная допустимая температура стенки электронагревателя – 430 С
- Максимальная допустимая температура стенки ТВС – 600 С
- Объем теплоносителя в контуре – 0,2 м3
Стенд для исследования теплообмена и гидродинамики в миниканалах при высоких значениях приведенного давления
Экспериментальный стенд предназначен для изучения особенностей гидродинамики и теплообмена двухфазных потоков в каналах малого диаметра при высоких приведенных давлениях. В качестве рабочей жидкости используются фреоны R113 и RС318. Давление в контуре создается термокомпрессором, циркуляцию теплоносителя обеспечивает контурный насос. Контур оснащен теплообменниками и нагревателями, позволяющими поддерживать требуемую температуру на входе в рабочий участок. Стенд оснащен современной автоматизированной системой сбора данных.
Задачи, решаемые с использованием стенда:
Исследование теплообмена и гидродинамики при вынужденном течении двухфазного теплоносителя в каналах малого диаметра, в том числе при высоких приведенных давлениях, исследование критических тепловых нагрузок.
Основные характеристики экспериментального стенда
диапазон рабочих давлений в контуре 0,3 - 2,5 МПа
Расход теплоносителя до 0,01 кг/c
Максимальная температура теплоносителя на входе в рабочий участок 180 С
Лаборатория физики плазмы
Лаборатория физики плазмы создана в 2005 г. как научная и учебная база для подготовки специалистов в областях физики низкотемпературной плазмы, плазменной техники и технологии. Научные направления и задачи лаборатории поставлены в соответствии с программами специальных курсов, читаемых на кафедре ОФиЯС.
Лаборатория оснащена плазменными генераторами для изучения процессов в ВЧИ- и дуговых разрядах, спектральными приборами и программным обеспечением для регистрации, обработки спектров и определения параметров плазмы, оптико-электронными системами для оптической диагностики плазмы и плазменных процессов.
В течение последних лет сотрудниками лаборатории подготовлены одна монография и 5 учебных пособий, опубликован ряд научных статьей в ведущих научных журналах по экспериментальным и теоретическим методам исследований низкотемпературной плазмы. Результаты исследований докладываются и публикуются на Международных конгрессах и конференциях: XVII Congress UIE, St. Petersburg, 2012; Europhysics Conference on the Atomic and Molecular Physics of Ionized Gases ESCAMPIG XXI, Portugal, 2012; Europhysics Conference on the Atomic and Molecular Physics of Ionized Gases ESCAMPIG XXII, Germany, 2014; 12th Asia Pacific Conference on Plasma Science and Technology and 27th Symposium on Plasma Science for Materials (12th APCPST & 26th SPSM) Adelaide, South Australia, 2014.
Научная работа лаборатории выполняется в тесном контакте с сотрудниками институтов: ФизТех им. А.Ф. Иоффе, СПбГПУ, ОИВТ РАН, ЦИАМ, а также в рамках международного сотрудничества с Институтом естественных наук Ханойского национального университета.
На созданном автоматизированном комплексе диагностики плазмы с использованием современных методов спектральных и зондовых исследований исследуются основные параметры плазмы, такие как, температура электронов, атомов, их концентрация, а также энергетические характеристики и параметры электромагнитного поля плазмотронов.
В лаборатории физики плазмы имеется два вида плазменных генераторов (плазмотронов):
- плазмотрон высокочастотный индукционный (ВЧИ), позволяющий получать ВЧИ-разряд атмосферного давления, в кварцевом канале. Безэлектродный ВЧИ-разряд является одним из немногих чистых видов плазмы, незагрязненной материалами электродов, что является важным требованием для плазмохимии и спектрального анализа. Стенд оснащен необходимым оборудованием ввода химических реагентов в плазму.
- плазмотрон постоянного тока, позволяющий получать дуговой разряд в аргоне атмосферного давления.
Для спектральной диагностики низкотемпературной плазмы в лаборатории физики плазмы использованы:
- спектрограф ДФС-452 оборудованный современными приемниками излучения в широком диапазоне длин волн от 200 нм до 1000 нм;
- дифракционный трёхканальный волоконно-оптический спектрометр AvaSpec-ULS2048 фирмы Avantes (Голландия) в диапазоне длин волн от 240 нм до 1080 нм.
С целью изучения оптических свойств различных веществ в ИК-диапазоне длин волн в лаборатории применяется спектрофотометр Specord 75 IR.
Помимо спектрометрии низкотемпературной плазмы в лаборатории проводятся эксперименты по измерению скорости распространения световых импульсов в термически возбужденных средах.
Прибор СОРБИ-М для измерения текстурных характеристик дисперсных и пористых материалов от производителя ЗАО "Мета" (Новосибирск)
Прибор СОРБИ-М обеспечивает измерение удельной поверхности при помощи 4-х точечного метода БЭТ. Приборы имеют возможность измерения высокопылящих нанопорошков с размером частиц от 10 нм. Динамический метод определения текстурных характеристик материалов обеспечивает высокую скорость измерения. Процесс измерения представлен в реальном масштабе времени в графическом виде. Приборы имеют один универсальный порт для подготовки и анализа образца. В качестве газа-адсорбата в данной модификации используются азот газообразный (особой чистоты, объемная доля не менее 99,999 %) или аргон газообразный (высший сорт, объемная доля не менее 99,993 %). В качестве газа-носителя – газообразный гелий (марка 6.0, объемная доля не менее 99,9999 %). Измерение удельной поверхности включает в себя несколько циклов адсорбции-десорбции и проходит в автоматическом режиме. Для работы с прибором используется специализированное программное обеспечение SORBI-M. Градуировка прибора производится по государственным стандартным образцам удельной поверхности.
Студенты кафедры имеют возможность работать на оборудовании НОЦ "Нанотехнологии" НИУ "МЭИ" nano.mpei.ac.ru, в том числе
Модуль электронно-ионной спектроскопии на базе платформы НаноФаб 25
Сверхвысоковакуумный аналитический модуль электронно-ионной спектроскопии (ЭИС) на базе платформы НаноФаб 25 предназначен для проведения комплексного анализа поверхностных слоев твердого тела. В аналитическом модуле могут исследоваться образцы с размерами до 10×10×8 мм в условиях сверхвысокого вакуума (2×10-8Па).
Аналитический модуль ЭИС позволяет реализовать следующие методики анализа поверхности твердого тела:
Электронная Оже-спектроскопия (ЭОС) – Auger electron spectroscopy (AES); Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС) – X-ray photoelectron spectroscopy (XPS); Ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия (УФЭС) – Ultraviolet photoelectron spectroscopy ( UPS); Спектроскопия рассеяния медленных ионов (СРМИ) – Ion scattering spectroscopy (ISS); Другие перспективные, развивающиеся методы анализа, основанные на электронной спектроскопии: Electron energy loss spectroscopy (EELS), Elastic peak electron spectroscopy (EPES), Reflection electron energy loss spectroscopy (REELS).
Реализуемые методы анализа на аналитическом модуле основаны на расшифровке энергетических спектров электронов или ионов. Регистрация энергетических спектров осуществляется с помощью электростатического энергоанализатора с фокусирующей линзой SPECS PHOIBOS 225 HV. Энергоанализатор позволяет регистрировать электроны, энергия которых не превышает 15 кэВ, с энергетическим разрешением 1 мэВ (UPS), 7 мэВ (XPS), 15 мэВ (EELS).
В модуль ЭИС установлены следующие источники: две электронные пушки The Kimball Physics EMG-4212, позволяющие получить пучок электронов с энергией до 30 кэВ; рентгеновский источник SPECS X-ray Source XR 50 со спаренным анодом Al/Mg (1486,6 эВ/1253,6 эВ); ультрафиолетовый источник SPECS Ultraviolet Source UVS 10/35, позволяющий получить He I (21,22 эВ) и He II (40,82 эВ); ионный источник SPECS Ion Source IQE 12/38, работающий на Ar высокой чистоты марки 5.5, который может быть использован для ионной чистки, послойного анализа и СРМИ; электронный прожектор SPECS Flood Gun FG 15/40, позволяющий проводить нейтрализацию зарядки диэлектрических образцов. Конструкция держателя образцов в аналитическом комплексе позволяет проводить нагрев образца до температуры 1000 К и охлаждение до температуры жидкого азота.
Студенты кафедры имеют возможность работать на оборудовании НИЦ "Курчатовский институт" nrcki.ru
Плазменный сепаратор ПС-1
Разрабатывается принципиально новая концепция переработки, при которой материал переводится в плазменные потоки, распространяющиеся в магнитных полях. Построен и оснащен необходимой диагностикой стенд ПС-1, на котором будут проработаны (на нерадиоактивных имитаторах материалов) вопросы создания металлической плазмы, селективного ИЦР нагрева выделяемых групп элементов, их пространственного отделения от холодной плазмы, а также техники приема и вывода из системы. Плазменный метод позволит обеспечить создание замкнутого топливного цикла реакторов на быстрых нейтронах. Он будет полезен также для отделения продуктов распада в технологии обработки ОЯТ существующих реакторов и при решении вопросов безопасности и нераспространения.
Автоматизированная опытно-промышленная установка "Кремень" совмещенных ионно-плазменных технологий для нанесения наноструктурированных многослойных покрытий
1. Краткое описание
Сущность технологии: вакуумное нанесение покрытий из плазмы с последовательным и одновременным облучением (ассистированием) пучком высокоэнергетических ионов металлов. Технология реализуется на установке "Кремень" за счет оснащения ее 5-ю вакуумно-дуговыми испарителями и ионным имплантором СОКОЛ.
Общий вид установки "Кремень"
2. Назначение установки:
модифицирование поверхностей с целью улучшения эксплуатационных свойств инструмента, деталей машин, в частности лопаток турбин ГТД, медицинской техники (износо-, жаро-, коррозии-онной и усталостной стойкости, триботехнических, теплофизических, электрических и др. функциональных характеристик).
3. Основные достоинства
Использование ионного ассистирования позволяет наносить покрытия с высокой адгезией при умеренных температурах (ниже 0,3 от температуры плавления). Автоматизированная установка позволяет наносить многослойные покрытия с большим количеством наноразмерных слоев.
4. Этап разработки
Стадия коммерциализации – разработка, изготовление и реализация промышленных технологий и оборудования.
5. Наши предложения
Разработка и реализация промышленных и опытно-промышленных технологий и оборудования для ионно-плазменного нанесения покрытий различного назначения.
Установка "Эхо"
Электронный ускоритель, работающий в импульсно-периодическом режиме со следующими рабочими параметрами:
- энергия электронов – до 4 МэВ;
- импульсный ток пучка – до 50 мА;
- длительность импульса – 3-6 мкс;
- частота следования – до 300Гц;
- средняя мощность в электронном пучке – 0,5 кВт.
Назначение – исследования в области радиационных технологий.
Имульсно-периодический электронный пучок 3-4 МэВ повторяется с частотой до 300 Гц.
Студенты кафедры имеют возможность работать на оборудовании Объединенного института высоких температур РАН jiht.ru
Лазерный фемтосекундный комплекс
Экстремальные состояния вещества, возникающие при воздействии мощных лазерных импульсов фемтосекундной длительности
- Сжатие вещества до сверхвысоких давлений и диагностика короткоживущих экстремальных состояний.
- Экспериментальные исследования свойств неидеальной плазмы твердотельной плотности.
- Генерация быстрых электронов и рентгеновское излучение, возникающие при образовании лазерной плазмы.
- Исследование свойств, динамики образования и релаксации электрон-дырочной плазмы с высокой плотностью носителей в полупроводниках.
- Динамика электрон-фононной релаксации, сверхбыстрых фазовых превращений и абляции, происходящих в металлах, полупроводниках, ферромагнетиках и графите.
- Разработка методов фемтосекундной диагностики наноструктур.
Плазменно-пылевая структура в разряде постоянного тока
Экспериментальные и теоретические исследования процессов возникновения упорядоченных структур и фазовых переходов в сильно неидеальной пылевой плазме различного происхождения
- Экспериментальное исследование процессов в газоразрядной и ядерно-возбуждаемой пылевой плазме, разработка методов диагностики пылевой плазмы.
- Развитие теории сильно неидеальной пылевой плазмы.
- В рамках организованного на базе ИТЭС ОИВТ РАН и Института внеземной физики Общества Макса Планка Международного научно-исследовательского центра по физике низкотемпературной плазмы проводятся исследования физики плазменно-пылевых структур в условиях микрогравитации на борту Международной космической станции.
Комплекс установок по исследованию взаимодействия высокоскоростных потоков газов и газотопливных смесей с внешними электрическими и магнитными полями
Задачи исследования:
- эффекты локализованного энерговклада на газодинамику обтекания аэродинамических тел;
- электрофизические и плазмохимические аспекты формирования газоразрядной плазмы в высокоскоростных газовоздушных потоках;
- плазменное (электроразрядное) стимулирование и стабилизация горения;
- эффекты МГД-взаимодействия на обтекание и траекторию полета летательного аппарата;
- особенности распространения сильных ударных волн в газоплазменных средах.
Технологии ионной имплантации, имплантационно-плазменной обработки и ионно-плазменного напыления покрытий в вакууме
Сущность технологии. Сочетание различных вакуумных методов обработки поверхности изделий в едином технологическом цикле: очистка поверхности ионными и плазменными пучками, ионное легирование, обработка потоком низкоэнергетичной квазинейтральной плазмы, нанесение покрытий и синтез неорганических пленок.
Назначение технологии. Модифицирование поверхности материалов и изделий с целью повышения их износо-, жаро-, коррозионной и усталостной стойкости, а также получения контролируемых изменений механических, химических, электрических и других функциональных свойств.
Преимущества технологии: одновременное дисперсионное и деформационное упрочнение поверхностного слоя, упрочнение за счет аморфизации, сохранение геометрических размеров обрабатываемых деталей, отсутствие проблемы адгезии, уменьшение длительности процесса по сравнению с технологией диффузионного легирования, экологическая чистота и радиационная безопасность.
Ионно-лучевой ускоритель ИЛУ с масс-сепарацией ионов
Параметры:
Энергия ионов - до 40 кэВ - Общий ток ионов - до 40 мА
- Максимальная напряженность магнитного поля в масс-сепараторе - 5500 Эрстед
- Средний радиус траектории ионов в масс-сепараторе - 50 см
- Дисперсия по массе - 5 мм на 1% ∆М/М
- Площадь обработки - 150 х 200 мм2.
- Вид ионов - ионы большинства элементов Периодической системы.
Имплантационно-плазменный ускоритель ВИТА
Параметры:
- Энергия высокоэнергетичных ионов - 40 кэВ
- Энергия низкоэнергетичных ионов - 300 эВ
- Общий ток высокоэнергетичных ионов - до 30 мА
- Общий ток низкоэнергетичных ионов - 1-2 А
- Площадь обработки пучком высокоэнергетичных ионов - 150 х 200 мм2
- Потребляемая мощность - до 20 кВт
- Вид ионов – большинство элементов Периодической системы.
Газовый ионный источник для обработки материалов и нанесения покрытий
Параметры:
- Энергия ионов - до 5 кэВ
- Общий ток ионов - до 200 мА
- Площадь обработки - 100 х 100 мм2.
Автоматизированная установка для выращивания наноструктур методом химического осаждения из газовой фазы planarGROW-2S
Основные характеристики Установки выращивания наноструктур planarGROW-2S:
- высокотемпературная печь, температура нагрева до 1100 град. С.
- источник нагрева печи, реостатная проволока KANTHAL
- реакционная камера, кварцевая трубка с внутренним диаметром 40 мм.
- вакуумный насос, рабочее давление 10-4 - 10 Тор.
- газовое питание прибора:
- углеродосодержащие газы - CH4, C2H2, C3H8
- водородосодержащие газы - H2, NH3
- специальные газы - Ar, N2, BCl3, MoF6, SiH4, MoCl5
- управление установкой, в автоматическом или ручном режиме.
Возможности:
- Программируемая термообработка материалов
- Программируемое введение различных газов в сочетании с управляемым нагревом
- Выращивание наноструктур с заданными характеристиками
Научно-техническое сотрудничество:
- Термохимическая обработка конструкционных материалов
- Термическая обработка пористых материалов с целью изменения их морфологии и реологических характеристик
- Исследование влияния термической обработки при различных температурах на физико-химические свойства материалов
- Синтез наноуглеродных материалов для лабораторных целей: графен, углеродные нанотрубки, BN, MoS2, SiC
Исследования плазменных потоков в НИЦ «Курчатовский институт»
Экспериментальные исследования по генерации плазменных потоков проводятся на двух установках: ПС-1 и ПН-3.
Установка ПС-1
Установка представляет собой открытую ловушку, к одной из пробок которой присоединен соленоид. Поток плазмы из соленоида вытекает в вакуумный объем с откачкой, где силовые линии расходятся и образуют магнитное сопло. Магнитное поле в вакуумном объеме уменьшается в ~ 100 раз по сравнению с полем в соленоиде. Рабочий газ (неон, аргон, ксенон) через регулируемые натекатели (стационарный и импульсный) напускается в другую пробку. Плазма создается при вводе в ловушку СВЧ мощности в условиях электронного циклотронного резонанса (ЭЦР).
Основные параметры плазмы и установки:
- Максимальное поле в соленоиде, Тл - 0.8
- Пробочное отношение в ловушке - 3
- Расстояние между пробками, м - 0.4
- Длина соленоида, м - 1.0
- Частота СВЧ-генератора,ГГц - 7
- Максимальная мощность СВЧ генератора, кВт - 10
- Максимальная плотность плазмы в соленоиде, м-3 - 2.10^18
- Температура электронов, эВ - 5-10
- Максимальная энергия ионов в потоке, эВ - 30
Цели работ – создание ЭЦР источника плазменного потока для последующего резонансного нагрева ионов и исследование процессов в магнитном сопле.
Установка ПН-3
Высокочастотный (ВЧ) геликонный разряд обладает рядом уникальных свойств и хорошо вписывается в схему безэлектродного плазменного ракетного двигателя (БПРД). Отметим, что это перспективное направление может быть также конкурентным, широко используемым на рынке стационарных плазменных двигателей (СПД), особенно при высоких мощностях (десятки кВт и более).
Установка ПН-3 предназначена для экспериментального исследования плазменных процессов в геликонных источниках и двигателях. Внешний вид геликонного источника установки ПН-3 показан на рисунке:
Разряд производится в радиопрозрачной кварцевой трубе, поверх которой расположена винтовая антенна. Поскольку геликонный разряд зажигается только в магнитном поле, труба размещается соосно внутри трех катушек с током. Катушки имеют независимое питание и регулировку тока, могут перемещаться вдоль трубы и, тем самым, в разрядной камере устанавливается требуемая магнитная конфигурация. С одного конца трубы (справа) напускается газ (аргон), из другого конца плазма в расширяющемся магнитном поле (магнитном сопле) вытекает в вакуумный объем, превращается в газ и откачивается. Для удобства работы между трубой и откачным объемом (виден слева) расположен вакуумно плотный плоский шибер. ВЧ мощность отгенератора через согласующее устройство подводится к антене.
Внешний вид разряда и винтовой антенны показан на рисунке:
Основные параметры установки ПН-3:
- Максимальное поле в камере, Тл - 0.15,
- Внутренний диаметр катушек магнитного поля , м - 0.18,
- Внутренний диметр кварцевой трубы, м - 0.07,
- Частота ВЧ генератора,МГц - 10,
- Мощность СВЧ генератора, кВт - 15,
- Объем вакуумной камеры, м3 - 5,
- Скорость откачки камеры, м3 /с - 10.