http://www.ras.ru/digest/showdnews.aspx?id=f712e583-2a95-4ce0-ab39-d8986dc3e42d&print=1© 2024 Российская академия наук
Интерес к исследованиям проблем водородной безопасности в последнее время значительно вырос. Не последнюю роль в этом сыграли намерения ряда стран Европейского союза, США, Японии и Канады — развивать водородную энергетику ускоренными темпами. Перспектива перевода общественного транспорта и энергетических производств на новый вид топлива, позволяющий в значительной мере снизить уровень загрязнения окружающей среды, выглядит очень заманчиво.
С развитием водородной энергетики особую значимость приобретают вопросы безопасности, решение которых — задача многоплановая. Наряду с необходимостью дальнейшего изучения режимов горения водородно-воздушных смесей возникла потребность в создании новых приборов, подавителей реакций — ингибиторов, а также в разработке соответствующих нормативных документов.
Экспериментальные исследования
Исследования нестационарного горения водородно-воздушных смесей играют значительную роль в решении проблем безопасности, так как при нем могут возникать высокие давления, намного превышающие давление во фронте стационарной детонации. Нестационарное горение газовых смесей представляет собой вторичные очаги горения и взрывов, образовавшихся в результате сжатия смеси ударными волнами, порожденными первичным фронтом пламени и усилившимися при многократном прохождении через него и реакционную среду.
Такие режимы изучены крайне мало, особенно в условиях больших объемов, где нестационарное горение может развиваться от сравнительно слабого источника энергии, значительно меньшего, чем требуется для возбуждения детонации.
Разрабатываемые учеными приборы — датчики давления, дожигатели, клапан сброса давления — обладают существенными элементами новизны, значительно расширяющими их эксплуатационные характеристики. Комплекс исследований ведется в рамках федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002–2006 гг.» группой институтов во главе с Институтом теплофизики экстремальных состояний Объединенного института высоких температур РАН (ИТЭС ОИВТ РАН).
При разгерметизации сосудов с водородом, находящихся под давлением 150–200 ата и выше, иногда возникает возгорание. Созданная в рамках проекта физико-математическая модель импульсного истечения водорода показала, что самовоспламенение возможно в результате возникновения перед холодным расширяющимся потоком газа стартовой ударной волны, на которой температура повышается, переходя параметр торможения, что приводит к воспламенению образующейся на контактной поверхности смеси u1075 горючего газа с воздухом.
В ходе выполнения проекта разрабатывается выпускное сопло, специальная форма которого позволяет снижать температуру стартовой ударной волной, выводя ее за показатели воспламенения. Эта работа ведется под руководством заведующего отделом ИТЭС ОИВТ РАН Виктора Голуба.
Создаваемые ингибиторы нового поколения в своей основе имеют идеи за ведующего лабораторией Института структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН (ИСМАН), члена-корреспондента Вилена Азатяна. Заслуга ученого состоит в том, что он отошел от ранее принятого утверждения, согласно которому цепной механизм горения имеет существенное значение только при низких давлениях порядка нескольких торр. В. Азятян предположил, что цепной механизм играет существенную роль и при атмосферном, и при более высоком давлениях. В результате им была разработана теория цепно-теплового взрыва.
Для прогнозирования развития аварийных ситуаций и их последствий трудно переоценить важность расчетных работ. Польза от них будет лишь в том случае, если полученные результаты адекватно отражают реальные процессы. Для этого расчетные программы должны проходить процессы валидации и верификации на надежных экспериментальных результатах. В научной литературе по отдельным вопросам, связанным с горением водорода, в экспериментальных данных имеется значительный разброс, поэтому проект включает отбор надежной информации для верификации и валидации расчетных программ по горению, детонации и взрыву газа. Эта работа ведется под руководством старшего научного сотрудника Института водородной энергетики и плазменных технологий РНЦ «Курчатовский институт» (ИВЭПТ) Игоря Кириллова.
Разработка национального стандарта
Работы по проекту «Разработка методов и средств обеспечения безопасности, создание кодов и стандартов безопасности для водородной энергетики» условно можно разделить на три части:
исследование малоизученных режимов, имеющих большое значение u1076 для безопасной работы с водородом;
создание отдельных устройств, которые необходимы для обеспечения безопасности водородной энергетики: датчиков водорода, водородных рекомбинаторов (каталитических дожигателей) и др.;
обобщение имеющегося опыта для создания нормативных документов, регламентирующих безопасную работу с водородом.
Существенную часть проекта составляет разработка нормативных документов по безопасному использованию водорода. Ранее общегосударственных документов, регламентирующих работу с водородом, в нашей стране не было. Использовались документы по пожаробезопасности, работе с горючими газами и сосудами под давлением. В то же время, в отдельных отраслях промышленности, в первую очередь, в космической и химической, был накоплен огромный опыт, который лег в основу создания отраслевых стандартов. Однако, они были недоступны широкой общественности, так как имели гриф «для служебного пользования».
Три года назад в России был принят закон о техническом регулировании, в соответствии с которым должны существовать общие и специальные регламенты, имеющие статус государственного закона, а также национальные стандарты и стандарты предприятий.
Усилия исполнителей проекта направлены на разработку национального стандарта по безопасности водородной энергетики, в котором предлагается учесть опыт, накопленный в промышленности при разработке соответствующих документов с широким привлечением достижений науки.
Руководит комплексом работ заведующий лабораторией ИТЭС ОИВТ РАН, кандидат технических наук Вячеслав Петухов. Соисполнителями выступает коллектив ученых, представляющих конгломерат институтов. Так, работами в ИВЭПТ руководит заместитель директора Сергей Коробцев. Директор отделения Александр Ефанов и начальник лаборатории Сергей Калякин курируют научно-исследовательский процесс в ГНЦ РФ Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского (ФЭИ). В ИСМАН исследования возглавляет член-корреспондент РАН Вилен Азатян.
Работы по водородной безопасности
Исследования в данном направлении учеными ИТЭС ОИВТ РАН ведутся давно. Процессы горения водородно-воздушных и водородно-кислородных смесей изучались на ударных трубах разного калибра, на детонационных установках. Прорабатывались вопросы нестационарного горения водородно-воздушных смесей в кумулирующих элементах и больших объемах, в том числе на сферической камере 13ЯЗ объемом 900 м3. Специалисты ИСМАН активно ведут работы по созданию ингибиторов нового поколения, регулирующих скорость горения химическим способом, и их использованию для повышения безопасности различных объектов.
Учеными накоплен большой опыт по созданию датчиков водорода и каталитических дожигателей. ФЭИ разработал макет газоанализатора водорода ГВ-01 для измерения парциального давления в парогазовой среде помещений защитной оболочки АЭС при концентрации от 0 до 100% (об.).
В ИВЭПТ созданы быстродействующие датчики на основе тонкопленочной керамики с применением ТАF-технологии. Разработанная ими физико-химическая модель протекания газа через элементы высокопористого ячеистого материала позволяет оптимизировать процессы сжигания. Создаваемый в ФЭИ водородный рекомбинатор успешно работает в диапазоне концентраций от 0,1 до 25% (об.).
Весь этот багаж знаний должен помочь в исследованиях различных аспектов водородной безопасности.
Горение в больших объемах
Горение водородно-воздушных смесей в больших объемах стало интенсивно исследоваться после аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 г. Существует мнение, что в трагедии Чернобыля и аварии в США на станции Три-Майл-Айленд взрыв водорода сыграл свою роль.
Результаты, полученные в трубах диаметром до 100 мм и длиной порядка 100 калибров, в сферических и цилиндрических бомбах небольших объемов порядка нескольких десятков литров, не всегда правильно экстраполируются на большие реальные объемы.
В то же время, вопросы горения водородно-воздушных смесей в больших объемах u1080 имеют существенное экономическое значение. Например, при создании безопасной атомной станции значимым является вопрос, на какое давление рассчитывать защитную оболочку - контейнмент, чтобы она в случае тяжелой аварии с расплавлением активной зоны и выделением большого количества водорода могла выдержать нагрузку при его возгорании. Современные контейнменты способны выдержать 5–7 ата, то есть они могут выдержать давление, которое возникает при медленном дефлаграционном сгорании газа. Возникновение детонации в больших объемах требует значительных усилий и естественным путем маловероятно, поэтому широко распространено мнение, что существующей прочности оболочки вполне достаточно. Следует помнить, что давление во фронте детонации для стехиометрической смеси при нормальных условиях — около 14,5 ата, при отражении от стенки оно достигает 30 ата.
Тем не менее, в Германии до прихода в правительство «зеленых» собирались создавать контейнмент, способный выдержать давление 30 ата. Понятно, насколько это удорожило бы создаваемую АЭС, учитывая, что диаметр оболочки превышает 40 м. Однако проведенные в ИТЭС эксперименты показали, что в случае водородного взрыва и такие размеры не защитят от разрушения.
Исследования нестационарного горения проводились в сферической взрывной камере 13ЯЗ диаметром 12 м. Внутри камеры для направления газовых потоков были возведены специальные конструкции. При инициировании стехиометрической водородно-воздушной смеси искрой энергией 6 Дж с начальным давлением 1,4 ата на внутренней поверхности камеры было зарегистрировано давление 190 ата.
Поэтому ученые решили идти другим путем, а именно — создать условия, исключающие возможность возникновения таких режимов. Но прежде эти режимы надо изучить.
Экспериментальное оборудование
Сферическая взрывная камера 13ЯЗ, в которой проводятся эксперименты в больших объемах, принадлежит ИТЭС ОИВТ РАН.
В нашей стране их всего две, созданы они были в городе Северодвинске во второй половине 80-х гг. прошлого века. Одна первоначально принадлежала Всероссийскому научно-исследовательскому институту экспериментальной физики, расположенному в г. Саров. С началом перестройки, оказавшись на территории Казахстана, установка стала собственностью этой страны, с тех пор на ней эксперименты не проводятся.
Вторая была доставлена по воде в Москву и далее по суше в ИТЭС ОИВТ РАН. История ее транспортировки могла бы стать сюжетом отдельного повествования. Как вспоминали очевидцы, это было грандиозное мероприятие. Достаточно сказать, что вес одной только камеры достигает 470 т, подставки 330 т.
Это самый тяжелый груз, перевезенный по территории СССР; был построен специальный сухой док, где камера с подставкой была установлена на тележку, которую везли тягачи. Для переезда через железную дорогу была сделана специальная насыпь. На какое-то время задержали электрички, так как были сняты провода и отключено электричество. Обесточили троллейбусную линию по пути следования камеры, порой она не вписывалась в свободное пространство и в результате снесла 37 столбов с троллейбусными проводами. По Дмитровскому шоссе камера попала в Институт, и сразу же, встав на фундамент, стала действующей экспериментальной площадкой.
Уникальность камеры объясняется ее характеристиками. Конструкция изготовлена из броневой стали по той же технологии, что и подводные лодки. Внутренний диаметр достигает 12 м, причем отклонение от сферической формы не превышает 6 мм, что позволяет говорить о ней как о практически идеальной сфере. Объем — 900 м3, толщина стенки — 100 мм. Крышка нижнего люка весит 600 кг, для ее отвода используется специальная тележка.
Одним из достижений конструкции разработчики считают ее возможность свободно расширяться при взрыве, при максимальных расчетных нагрузках (взрыв до 1000 кг ТНТ) примерно на 4 см. Камера установлена на независимом фундаменте и практически не касается элементов здания; по центральному диаметру сделаны втулки и лепестковые опоры, которые позволяют ей изменять объем.
Эксперименты проводятся также в камере — ВБК-2. Она меньше по размерам: ее объем 110 м3, и рассчитана на взрыв до 20 кг ТНТ. В ней исследуется нестационарное горение в кумулирующих устройствах, в которых развиваются наиболее высокие давления, величина их в вершине конического элемента достигает 1000 атм. и более. При добавлении в реакторный объем 1,5% (об.) газообразного ингибитора, разработанного в ИСМАН, давление в вершине конуса снижается в 30 раз.
Эти исследования представляют значительный интерес для вопросов безопасности, так как моделируют процессы, происходящие в загроможденных объемах и в застойных зонах.
В настоящее время работы ведутся полным ходом. Хотя исследования шли и раньше, выигранный конкурс, по мнению ученых, сыграл ощутимую роль в повышении эффективности работ. По словам заведующего лабораторией ИТЭС ОИВТ РАН Вячеслава Петухова, победа коллектива исследователей стала спусковым крючком для работы по созданию стандартов: «В современной ситуации очень интенсивно развивается водородная энергетика, создаются стандарты в Америке, в Европе, в Японии и Канаде, и чтобы не пришлось в будущем работать по чужим стандартам, мы приняли участие в конкурсе и, выиграв лот, стали заниматься этой проблемой».
В последнее время сводки новостей, рассказывающие о всевозможных катаклизмах, перестали быть редкостью. Здесь и там происходят взрывы, пожары. Если в результате применения исследований ученых, требований и рекомендаций, разработанных ими, число аварий уменьшится хотя бы на толику, тогда они будут считать свою задачу выполненной.
ОБ АВТОРАХ:
Вячеслав Петухов — заведующий лабораторией Института теплофизики экстремальных состояний Объединенного института высоких температур РАН, кандидат технических наук, старший научный сотрудник.