Ученые Нижегородского государственного технического университета им. Р. Е. Алексеева получили патент на уровнемер, который измеряет уровень расплавленного свинца и сплава свинца с висмутом в реальном времени. Прибор работает при температуре до 550°C и предназначен для атомных реакторов нового поколения на тяжелых жидкометаллических теплоносителях, а также для металлургических и химических производств.
Авторы разработки — сотрудники университета Татьяна Бокова, Никита Волков, Александр Маров, Михаил Погорелов, Роман Сумин, Татьяна Зырянова.
Новый уровнемер способен непрерывно отслеживать уровень жидкого металла в разогретой герметичной емкости. По мнению разработчиков, на сегодня подобных приборов нет ни в России, ни за рубежом. В стране существуют датчики такого типа, но только для воды, нефти и масел.
До появления нового датчика уровень на стендах университета замеряли вручную: в емкость опускали металлическую шпильку, когда она касалась расплава, происходило замыкание цепи и загоралась лампочка. Уровень фиксировали линейкой.
Запатентованный прибор работает по принципу магнитного уровнемера, но переработан для экстремальных условий. Внутри вертикальной немагнитной трубы плавает поплавок со встроенным кольцевым магнитом. Снаружи вдоль трубы движется геркон (переключатель, который замыкается рядом с магнитом). В момент срабатывания микроконтроллер вычисляет уровень расплава и выводит его на цифровое табло, далее данные можно передавать на компьютер оператора.
Перемещает геркон не трос с барабаном, как раньше, а пара «зубчатое колесо — зубчатая рейка» с реверсивным двигателем: деталей меньше, а точность позиционирования — выше.
Главной сложностью была не механика, а физика — говорят ученые. При нагреве примерно до 400°C обычные магниты теряют свойства, у геркона из-за теплового расширения расходятся контакты. Поэтому основной задачей стала следующая: заставить связку «магнит + геркон» работать в жидком металле.
Авторы решили ее двумя способами: подобрали высокотемпературный кольцевой магнит на поплавке и организовали газовое охлаждение геркона (с помощью аргона, который снимает тепло от расплава).
«Спорный момент был как раз с магнитами. Мы пробовали разные — неодимовые, самарий-кобальтовые, никель-кобальтовые. У каждого магнита своя точка Кюри, своя температура, при которой он размагничивается, и у разных герконов тоже разные рабочие температуры и разная чувствительность к магнитному полю. Мы перебирали комбинации — и одна из них устояла при 250°C. Этого уже достаточно, чтобы уверенно работать со свинцово-висмутовым теплоносителем», — отметил соавтор разработки Никита Волков.
В штатном режиме уровнемер непрерывно «сканирует»: движется вниз вдоль трубы, пока не «нащупает» магнит на поплавке, фиксирует уровень расплава и сразу замечает любое изменение. В отличие от используемых сегодня контактных сигнализаторов, которые срабатывают (зажигают лампочку) лишь при заданной отметке, новый уровнемер показывает точное значение в реальном времени — например, 1 метр от дна емкости, затем 1,10 м, затем 1,20 м.
На сегодня команда уже изготовила и испытала лабораторный образец прибора. Испытания проходят на стенде университета. В штатном режиме около 250°C сигнал устойчив, а при 450°C магнит частично теряет свои свойства, сигнал пропадает, но после снижения температуры прибор возвращается в рабочее состояние. Разработка велась в рамках завершенного трехлетнего государственного задания, которое объединило в один коллектив кандидатов технических наук, соискателей, аспирантов и студентов.
Уровень теплоносителя в реакторах контролируют сразу несколько датчиков разных типов, нижегородский уровнемер — прибор для непрерывного измерения в штатном режиме. При этом простые контактные сигнализаторы остаются в установке как аварийные: они сработают, если уровень достигнет опасной отметки.
Новый прибор ориентирован на реакторы с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями: БРЕСТ-ОД-300, СВБР-100 и перспективный коммерческий проект следующего поколения БР-1200. Но для применения в энергетических реакторах, по словам авторов, конструкцию еще предстоит модернизировать, в первую очередь — усилить систему охлаждения.
Хотя задача уровнемеру ставилась под атомную энергетику, потенциальная сфера его применения шире. Он подходит любому производству, где есть высокотемпературные жидкие контуры и где классические уровнемеры (для воды, нефти или масел) не помогут.
«Это может быть даже совсем неядерное применение. Металлургия — да, химические производства — например, контуры со свинцом-висмутом для съема тепла при наработке аммиака. Возможны применения в фармацевтике, в сельском хозяйстве — везде, где используются высокотемпературные жидкие контуры. По сути, прибор нужен любому производству, где требуется измерять уровень жидкости при таких температурах, при которых обычные методы измерения уже не работают», — пояснил соавтор разработки Роман Сумин.
Теперь коллектив планирует расширить рабочий температурный диапазон прибора за счет более совершенной системы охлаждения. Здесь есть парадокс: магнит нужно охлаждать сильнее, но при этом стенка трубы не должна переохлаждаться, иначе жидкий металл в ней затвердеет. Требуются дополнительные эксперименты. Рассматривается и другая перспективная тема — введение пассивных систем охлаждения, которые работают даже при отключении электроснабжения — в этом случае прибор будет отвечать самым жестким требованиям надежности.
Проект реализуется в рамках программы Минобрнауки России «Приоритет-2030» (национальный проект «Молодежь и дети»).
