Электричество подешевеет на 5%: ученые из Санкт-Петербурга нашли способ снизить стоимость энергии

Инженеры из Санкт-Петербурга разрабатывают уникальную деталь для компактных атомных реакторов будущего, которая может сделать электроэнергию дешевле. Они создают усовершенствованную перемешивающую решетку, предназначенную именно для производства методом трехмерной печати, и мировых аналогов такому подходу пока не существует. Внедрение этой разработки в малые модульные реакторы позволит снизить стоимость получаемого электричества на 5 процентов. Это особенно важно для удаленных уголков России, где традиционная энергетика часто нерентабельна из-за высоких затрат на доставку топлива. Работа ведется в Санкт-Петербургском политехническом университете Петра Великого с использованием передовых цифровых технологий.

Что такое малые реакторы и почему они выгодны

Малые модульные реакторы, или ММР, представляют собой компактные атомные энергоустановки. Их ключевое преимущество заключается в длительном цикле работы без необходимости частого обслуживания. Однажды загруженного ядерного топлива хватает на несколько лет непрерывной генерации энергии, что избавляет от регулярных и дорогостоящих поставок угля, мазута или газа. Такая особенность делает их идеальным решением для снабжения электроэнергией изолированных промышленных районов, шахтерских поселков или даже целых городов с населением до полумиллиона человек. В отличие от гигантских АЭС, ключевые компоненты этих установок можно собрать на заводе и транспортировать к месту эксплуатации в готовом виде, что резко сокращает сроки и стоимость строительства. Экономическая эффективность здесь достигается не только за счет самого топлива, но и благодаря кардинальному снижению логистических расходов.

Конструктивной основой для большинства российских ММР служат хорошо зарекомендовавшие себя водо-водяные энергетические реакторы. В таких системах вода выполняет две критически важные функции одновременно. Она служит замедлителем, который поддерживает управляемую цепную ядерную реакцию, и теплоносителем, который забирает образующееся тепло. Чтобы предотвратить закипание воды при высокой температуре, первый контур реактора поддерживается под огромным давлением. Эта отработанная и надежная технология является фундаментом для создания нового, более гибкого класса атомных энергоисточников.

Сердце реактора и его новая деталь

Внутри активной зоны реактора находятся тепловыделяющие сборки, имеющие сложную сотовую структуру. Именно здесь и происходит генерация тепла. Ключевым компонентом такой сборки является перемешивающая решетка. Ее основная задача - интенсивно перемешивать теплоноситель, обеспечивая равномерный отвод тепла от всех поверхностей и предотвращая локальные перегревы. Вторая, не менее важная функция этой детали - борьба с пузырьками пара, которые могут образовываться на тепловыделяющих элементах.

Если эти пузырьки не устранять, они могут привести к возникновению зон кипения и, как следствие, к опасному перегреву оборудования. Таким образом, от эффективности работы одной, казалось бы, небольшой детали напрямую зависит безопасность и экономичность всей атомной установки. Новая решетка, разрабатываемая петербургскими инженерами, призвана решить обе эти задачи максимально эффективно. Ее уникальность заключается не только в улучшенной конструкции, но и в самом методе производства.

Революция трехмерной печати в энергетике

Традиционные методы изготовления подобных деталей, основанные на механической обработке цельного металлического листа, практически исчерпали свой потенциал для дальнейшего улучшения. Инженеры СПбПУ пошли другим путем - они первыми в мире проектируют перемешивающую решетку сразу для аддитивного производства, то есть для трехмерной печати. Эта технология позволяет создавать объекты со сложнейшей внутренней геометрией, которую невозможно получить фрезеровкой или литьем. Оптимизированная с помощью компьютера форма детали значительно улучшает ее гидродинамические и теплосъемные характеристики.

Данное направление известно как топологическая оптимизация. Специальная программа вычисляет идеальную форму будущего изделия, исходя только из заданных нагрузок и условий работы, и убирает любой лишний материал. В результате получается прочная, легкая и максимально эффективная конструкция, напечатанная слой за слоем из металлического порошка. Такой подход открывает новые горизонты для создания критически важных компонентов в энергетике и других высокотехнологичных отраслях.

Цифровой двойник и будущее проекта

Проектирование ведется на отечественной цифровой платформе CML-Bench®, которая не имеет аналогов в России по объему представленных на ней решений - их более 375 тысяч. Эта платформа объединяет в себе средства для автоматизированного проектирования, инженерных расчетов и управления всем жизненным циклом изделия. Использование так называемых цифровых двойников - виртуальных копий реальных объектов - позволяет многократно проводить испытания в симуляторе, не прибегая к дорогостоящим физическим прототипам.

Как сообщает корреспондент Информационного агентства МАНГАЗЕЯ, проект рассчитан на три года. Сейчас ученые разрабатывают методологию цифрового проектирования, которая должна определить все необходимые физические показатели и их взаимное влияние. Параллельно ведется работа над усовершенствованием самой конструкции решетки для достижения наилучших результатов. Как отмечает заместитель директора Инжинирингового центра университета Николай Ефимов-Сойни, эта работа ведется в рамках национального проекта «Новые атомные и энергетические технологии», направленного на обеспечение технологического суверенитета в атомной сфере.

Разработка малых модульных реакторов - это стратегическое направление для децентрализации энергоснабжения. Оно позволяет создавать не только стационарные, но и плавучие атомные станции, подобные уже действующей «Академик Ломоносов». Интеграция аддитивных технологий и сквозного цифрового инжиниринга, как в случае с перемешивающей решеткой, создает прочный фундамент для развития этого перспективного сегмента энергетики, ориентированного на решение конкретных практических задач.