Перспективы применения плазменных технологий и преобразователей энергии
Дата: 19/10/2021
Тема: Атомная наука


Академику Ф.Г. Рутбергу посвящается

Филипп Григорьевич Рутберг – выдающийся ученый с мировым именем в области электрофизики, физики плазмы, электродинамики, энергетики и электротехники. Его труды внесли существенный вклад в фундаментальные исследования мощных разрядов в плотных газовых средах, неравновесных процессов в потоках плазмы, процессов в сложных электродинамических системах, в разработку и создание электрофизического оборудования различного назначения.



С участием Ф.Г.Рутберга созданы импульсные и кратковременные системы электропитания большой мощности, в том числе и на базе электромашинных агрегатов с инерционными накопителями энергии. Под его руководством созданы электроразрядные гиперскоростные ускорители тел с предельными параметрами, стационарные мощные трехфазные генераторы плазмы переменного тока, мощные импульсные генераторы плазмы. Разработаны плазмохимические технологии для производства синтез-газа и водорода с целью получения экологически чистой возобновляемой энергии, а также жидких топлив. Отработаны на экспериментальных установках технологии по переработке и уничтожению отходов различного типа, в том числе особо токсичных, создано оборудование для бактерицидной очистки воды импульсными разрядами, разработки и получения оксидных наноструктур.

 

Биографическая справка

Филипп Григорьевич Рутберг (1931-2015 гг.) – академик РАН, доктор технических наук, профессор, лауреат Государственных премий СССР и Российской Федерации в области науки и техники, премии Правительства Российской Федерации в области образования, Премии Правительства Санкт-Петербурга и Санкт-Петербургского научного центра РАН в области технических наук им. ак. А.Н. Крылова, международной премии «Глобальная энергия». Награжден государственными наградами: орден «Дружбы», орден «Почета», юбилейные медали и отраслевые почетные знаки РФ. Именем Филиппа Григорьевича названа малая планета № 148157 «RUTBERG», открытая в 1981 г. Достижения Филиппа Григорьевича нашли международное признание: он награжден медалью Питера Марка за работы по электромагнитным исследованиям, избран почетным профессором Университета Бен-Гуриона (Израиль), удостоен звания Почетный исследователь Техасского университета (США). Филипп Григорьевич Рутберг – автор более 500 научно-технических публикаций (в том числе 9 монографий и 40 патентов). 

Филипп Григорьевич родился 22 сентября 1931 г. в городе Винницы в Украине в семье врачей. После окончания в 1961 г. Ленинградского политехнического института по специальности «Электрические машины и аппараты» Филипп Григорьевич работал с 1961 по 1963 г. в Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе АН СССР в должности инженера. В 1964 г. перешел во Всесоюзный научно-исследовательский институт электромашиностроения (ВНИИэлектромаш), где прошел путь от младшего научного сотрудника до заведующего отделом, главного конструктора Минэлектротехпрома СССР, заместителя директора Филиала ВНИИэлектромаш. В 1992 г. на базе Филиала ВНИИэлектромаш был создан Институт проблем электрофизики РАН (ИПЭФ РАН), директором которого стал Ф.Г.Рутберг, проработав в нем почти двадцать пять лет. После присоединения к Институту Отдела (на правах института) электроэнергетических проблем РАН в 2005 г. он был переименован в Институт  электрофизики и электроэнергетики РАН (ИЭЭ РАН).

Кандидатскую диссертацию Ф.Г.Рутберг защитил в 1968 г., в 1982 г. – докторскую диссертацию. В 1990 г. был избран членом-корреспондентом Отделения физико-технических проблем энергетики РАН по специальности «Электротехника, в том числе электрофизика», а в 2000 г. – академиком Отделения энергетики, машиностроения, механики и процессов управления РАН по специальности «Электрофизика». Своими учителями он считал академиков М.П.Костенко и И.А.Глебова. 

На заседании Ученого совета Института электрофизики и электроэнергетики РАН 29 сентября т.г., посвященного вкладу академика Ф.Г.Рутберга в электрофизику и электроэнергетику, коллеги и ученики Филиппа Григорьевича рассказали о совместной работе с выдающимся ученым и достижениях в работе по инициированным им направлениям.

 

Высокоскоростное метание тел

 Работы в области высокоскоростного метания тел, начатые по инициативе и при непосредственном участии академика Ф.Г.Рутберга, основывались на результатах, выполненных ранее исследований мощных импульсных электрических разрядов в газах высокого давления. За более чем полувековой период проведены фундаментальные исследования электрических импульсных дуг, горящих в водороде, гелии, азоте и аргоне при начальном давлении до 350 МПа и токах до 2 МА. Были разработаны, изготовлены и исследованы надежно и эффективно работающие импульсные генераторы плазмы.

В последние сорок лет к проводимым исследованиям прибавились работы по созданию электроразрядных гиперскоростных ускорителей макротел. В качестве плазмообразующего газа в ускорителях преимущественно использовался водород, в некоторых случаях - гелий, азот и такие вещества как метанол и полиэтилен. За это время было создано восемь генераторов плазмы, предназначенных в основном для проведения исследований процессов, происходящих в их разрядных камерах, и шестнадцать ускорителей диаметром от 5 до 57 мм, различающихся как типом разрядных камер, так и методом ускорения.

Кроме того, созданы две диагностические разрядные камеры на сверхкритических параметрах, предназначением которых является получение фор-плазмы для термоядерного синтеза, а также создание мощных источников рентгеновского излучения. Начальная концентрация нормальных атомов в этих устройствах составляет (3-5)´1022 см-3, температура в столбе дуги 30-50 эВ.

Технические характеристики некоторых генераторов плазмы, созданных в ИЭЭ РАН, представлены в табл. 1. 

Табл. 1. Генераторы плазмы, созданные в ИЭЭ РАН

Генератор плазмы

ИП-3

ИМПП-1

ИМПП-2

УСРТ-М

Объем разрядной камеры, см3

75

870-2600

2000-3300

500-2500

Мощность, МВА

200

300

1000

6000

Максимальный ток, МА

0,36

0,18

0,35

2,0

Максимальный энерговклад, МДж

0,07

4,9

10

2,2

Рабочий газ

Н2

H2, N2, H2+LiH

H2, N2, He, Ar

H2, N2

Начальное давление газа, МПа

2,8 (Н2)

4 (Н2)

11 (Н2)

42 (Н2)

Импульсное давление, МПа

160

70

80

550

Среднемассовая температура, ×10-3 К

20

10

20

6

           

В Институте в разное время было создано несколько стендов, оснащенных мощными источниками питания и необходимой диагностической аппаратурой. Стенды предназначались для выполнения исследований как самих импульсных дуг, так и для проведения экспериментов по изучению аэродинамических характеристик метаемых тел и процессов столкновения тел различных масс и форм с преградами при сверхвысоких скоростях.

На электроразрядных ускорителях было выполнено более 180 экспериментов с телами массой от 12 до 300 г при скоростях до 6 км/с. На рис.1 представлен график зависимостей скорости метания тел от их массы при величине внутренней энергии газа в разрядной камере ускорителя от 0,2 до 2,0 МДж.

Рис. 1. Зависимость скорости метания от массы тел

О результатах исследований высокоскоростного метания тел с помощью электроразрядных ускорителей, выполненных под руководством Ф.Г.Рутберга, рассказал д.т.н. В.А. Коликов:

•         в течение более тридцати лет создано четыре стенда, оснащенных источниками питания энергоемкостью от 1 до  9 МДж,

•          создано восемь генераторов плазмы и шестнадцать ускорителей калибром от 5 до 57 мм, различающихся типом разрядных камер и методом ускорения,

•          посредством программируемого ввода энергии в дугу скорость метания тел массой 70 г можно увеличить на 7÷10 % при одинаковых давлениях в камере,

•          при длине ускорителя 4 м, диаметре 31,5 мм и величине вложенной в разряд энергии ≥1,5 МДж максимальная скорость метания тел массой 13,8 г составляет
5870 м/с, 270 г - 1890 м/с,

•         высокоскоростное метание тел массой 10÷300 г с помощью легкогазовых электроразрядных ускорителей является весьма эффективным (с к.п.д. ~10÷30 %) в диапазоне скоростей от 2 до 6 км/с.

Практически во всех плазменных установках для переработки отходов используются сильноточные дуговые разряды и ли электродуговые плазмотроны, так как только они способны обеспечить необходимую плотность энергии при достаточно большой мощности. Для современных технологических приложений требуется работ а плазмотрона в диапазон е средних и больших мощностей (от десятков кило ­ ватт до нескольких мегаватт) на различных средах, в том числе окислительных, и в первую очередь на воздухе.

 

Разработка плазмотронов переменного тока

 Под руководством Ф.Г. Рутберга разработаны плазмотроны переменного тока, которые применяются в различных областях науки и техники.

Плазмотроны серии ЭДП используются в крупномасштабных электрофизических установках, таких как мощные газоразрядные лазеры и МГД-генераторы для испытания плазменных каналов и отработки режимов работы, создания сверхзвуковых газовых потоков и т.п.

Плазмотроны серии ЭДП предназначены для работы в стационарных режимах для нагрева инертных газов, азота и водорода при давлении 0,1-6 МПа, расход по азоту 0,01-10 кг/с, нагрев осуществляется до температур 2000-6000 К с тепловым КПД 60-85%.

Плазмотроны нашли широкое применение при создании различных плазмохимических процессов, таких как получение синтез-газа из разнообразных органических веществ, а также в переработке и уничтожении особо токсичных веществ с получением полезного продукта. Для этих целей были разработаны плазмотроны, работающие на окислительных средах.

Для технологических приложений, где не требуется значительный расход рабочего газа и большая мощность, но необходимо получение плазменной струи с высокой энтальпией, были разработаны однофазные и многофазные высоковольтные электродуговые плазмотроны переменного тока с электродами стержневого типа.

Эти плазмотроны способны работать не только на инертных и безкислородных (восстановительных) газах, но и на окислительных средах. Диапазон мощности от 5 до 50 кВт и расходом плазмообразующего газа от 0,5 до 30 г/сек. При этом срок службы электродов составляет более 200 часов, а КПД равен примерно 90%. Основной технической особенностью электродуговых плазмотронов данного типа являются стержневые электроды, расположенные в цилиндрических каналах.

В основу работы многофазных однокамерных плазмотронов с электродами рельсового типа (рис. 2) положен принцип электродинамического движения дуг в поле собственного тока (рельсотронный эффект).

Рис. 2. Многофазный однокамерный плазмотрон переменного тока с электродами рельсового типа ИПЭ-4тм (мощность 220 кВт, расход 30 г/с)

Быстрое перемещение точки привязки дуги по электроду под действием электродинамических и газодинамических сил распределяет тепловую нагрузку по длине электрода. Это дает возможность использовать водоохлаждаемые электроды, выполненные из относительно легкоплавкого материала с высокой теплопроводностью.

Одним из достоинств многофазных однокамерных плазмотронов с электродами рельсового типа является достаточно низкий уровень напряжения на основных электродах. На выходе из сопла работающего плазмотрона образуется струя низкотемпературной (термической) плазмы со среднемассовой температурой в диапазоне 1500-5500 К. Эти плазмотроны способны работать в широком наборе газов: СО2, инертных, безкислородных и окислительных.

На основе этих плазмотронов созданы промышленные установки, которые широко применяются в настоящее время. Разработка электродуговых генераторов, выполненная с участием Ф.Г. Рутберга, удостоена в 1982 г. Государственной премии СССР.

Д.т.н. Сафронов А.А. в своем докладе представил действующие и перспективные конструкции плазмохимических установок, в которых применены плазмотроны переменного тока для переработки различных веществ, в том числе и опасных отходов, предназначенные как для простого уничтожения отходов, так и для последующего получения синтез-газа. Для промышленного применения в современных технологических процессах, в том числе, плазмохимической переработке различных веществ, наиболее востребованными являются плазмотроны мощностью до 1 МВт, отвечающие жестким требованиям по надежности, энергоэффективности, длительности непрерывной работы и способные использовать в качестве рабочего газа не только инертные среды, азот, водород, но и воздух, углекислый газ.

 

Плазменные технологии для различных отраслей промышленности

Филипп Григорьевич явился инициатором работ по внедрению технологических процессов, использующих плазмотроны, в различных отраслях промышленности. Наиболее актуальной явилась задача снижения отрицательного воздействия на окружающую среду разнообразных веществ, образующихся в виде отходов на стадии промышленного производства и в результате жизнедеятельности человека.

Методы термической переработки отходов обладают рядом недостатков, в первую очередь образованием и выбросом в окружающую среду большого количества токсичных веществ, а также низкими экономическими показателями. Плазменные технологии позволяют переработать любые отходы, содержащие органику, для получения вторичного продукта в виде синтез-газа. Специалистами Института была создана установка непрерывного цикла для газификации твердых отходов древесины. Эта установка, претерпевшая две реконструкции, работает до сих пор. Её производительность составляет ~ 110 кг/час отходов. Синтез-газ с оптимальным процентным содержанием СО и Н2 может быть использован для ряда промышленных задач: сжигания под котлом-утилизатором для получения тепла; для получения электроэнергии; в газохимии и т.д. Была решена задача создания полного цикла технологических процессов для получения ряда коммерческих продуктов. На специальном исследовательском стенде было размещено несколько лабораторных установок, началась отработка методов и основных принципов плазменной переработки твердых и жидких отходов.

В Институте были созданы:

- установка плазменной переработки опасных медицинских отходов,

- установка плазменного уничтожения жидких токсичных отходов,

- установка плазменной газификации твердых отходов,

- установка плазмохимического обезвреживания супертоксикантов,

- установка плазмохимического обезвреживания медицинских отходов,

- установка для газификации твердых отходов и угля,

- установка по переработке и утилизации твердых бытовых отходов.

Выполненный комплекс теоретических и экспериментальных исследований по данному направлению работ был удостоен двух премий. В 2003 г. за фундаментальные исследования, разработку и создание электрических установок и плазменных технологических процессов для защиты окружающей среды была присуждена Государственная премия Российской Федерации в области науки и техники. В 2011 г. Филиппу Григорьевичу Рутбергу за фундаментальные исследования,  разработку и создание энергетических плазменных технологий была присуждена международная премия «Глобальная энергия».

А.Н. Братцев, входивший в коллектив авторов (Рутберг Ф.Г., Хомич В. Ю., Сафронов А. А. и Братцев А.Н.), награжденных Государственной премией 2003 г., рассказал членам Ученого совета о результатах данных исследований. Работы по технологическому использованию плазмы продолжаются в Институте и поныне. Сохранен коллектив специалистов, имеющих опыт в данной области. Институт готов выполнять задачи в этом направлении, позволяющем получать энергию с помощью плазменных технологий, уничтожая при этом муниципальные, промышленные, токсичные, сельскохозяйственные и другие отходы.

 

Импульсные электрические разряды в воде

В круг научных интересов Ф.Г.Рутберга входили исследования высоковольтных импульсных разрядов в воде, которые по его инициативе начались более сорока лет назад. Было установлено, что импульсные электрические разряды в воде являются не только способом непосредственного обеззараживания воды практически от всех известных патогенных бактерий и спор грибных культур за счет действия УФ-излучения, ударных волн и других факторов, но и источником ионов и наночастиц металлов или их оксидов. Оказалось, что ударные волны, воздействуя на структуру вирусов и дрожжевых клеток, приводят к радикальному изменению их морфологии, что может быть использовано в фармакологии для приготовления вакцин и иных препаратов.

Большое внимание было уделено исследованию свойств водных дисперсий наночастиц металлов и их оксидов, способных в течение длительного (до года) срока, сохранять бактерицидность, являясь, таким образом, высокоэффективными бактерицидными агентами.

Установлено in vivo, что кроме бактерицидного действия в отношении широкого круга патогенных микроорганизмов и спор оппортунистичных человеку грибных культур, дисперсии наночастиц серебра замедляют рост злокачественных опухолей.

Анализ результатов, полученных на основании регистрации образования надмолекулярных комплексов с участием наночастиц серебра и крови человека, позволил получить информацию о патологических изменениях, происходящих в организме, например, в результате болезни Альцгеймера.

Исследование поведения биологических клеток, модифицированных магнитными наночастицами в магнитном поле, дает возможность перемещать их и концентрировать в требуемом месте. Эти свойства водных дисперсий наночастиц использовались при проведении совместных исследований с институтами, представляющими такие области медицины, как хирургия, стоматология и онкология.

 

Импульсные и кратковременные системы электропитания большой мощности

В Институте электромеханики АН СССР работы в области маховичных электромашинных накопителей энергии проводились с 1974 г. во ВНИИэлектромаш под руководством академика М.П. Костенко, а после его кончины – под руководством академика И.А. Глебова. В 1990 г. после организации на базе ВНИИэлектромаш Института проблем электрофизики РАН (впоследствии Института электрофизики и электроэнергетики РАН), исследования маховичных электромашинных накопителей энергии были продолжены в ИЭЭ РАН под руководством академика Ф.Г. Рутберга.

Для питания электрофизических установок, в первую очередь токамаков, требуются мощности порядка 100÷500 МВт и энергии порядка 1÷4 ГДж. Токамаки предназначены для исследования плазмы. Термоядерная установка "Токамак с сильным полем ТСП" (рис. 3) – одна из крупных установок такого типа в мире, предназначенная для исследований физических процессов термоядерного реактора, была создана в Троицком институте инновационных и термоядерных исследований.

Рис. 3. Установка термоядерного синтеза «Токамак с сильным полем ТСП»

Система электропитания обмотки тороидального поля токамака с сильным магнитным полем (ТСП) была спроектирована следующим образом: четыре синхронных генератора кратковременного действия мощностью 200 МВт каждый с маховиками на валу разгоняются частотным пуском до 3000 об/мин; далее в течение нескольких секунд через трансформаторы и тиристорные преобразователи энергия, запасенная во вращающихся элементах агрегатов, передается в индуктивный накопитель; из индуктивного накопителя трансформаторным путем энергия передается в контур вторичной обмотки и обмотки тороидального магнитного поля.

Электромашинный комплекс из четырех агрегатов был разработан в 1980 г. при активном участии Филиала ВНИИэлектромаш, возглавляемого Ф.Г.Рутбергом, и изготовлен на заводе “Электросила”. Каждый маховичный агрегат типа ТКД-200 (рис.4) имел мощность 242 МВА при энергоемкости 1000 МДж. Ударный генератор ТКД-200 был разработан на основе серийного турбогенератора ТВФ-100.

Рис. 4. Электромашинный агрегат ТКД-200

Под руководством Ф.Г. Рутберга была создана уникальная энергетическая установка с титановым маховиком диаметром 1.6 м, массой 2 т, изготовленным на заводе «Большевик». В то время это был крупнейший в мире маховик из титана. Для исследований установки был создан специальный стенд. В состав установки вошли кинетический накопитель энергии, синхронная двухполюсная электрическая машина типа СТД–12500–24У, работающая в генераторном режиме, и разгонный двигатель постоянного тока МТ–700–300. Установка с кинетическим накопителем имела мощность 16 МВт, энергоемкость 208 МДж, частоту вращения 6000 об/мин. Стенд был оснащен современной измерительной аппаратурой, позволявшей контролировать электрические, электромагнитные, механические и вибрационные характеристики. Испытания подтвердили, что кинетическая энергия, запасенная в маховике и вращающихся элементах электрических машин, обеспечивает выдачу пиковой мощности 16 МВт в нагрузку в течение двух минут. При этом частота вращения маховика снижалась на 30 %.

На рис. 5 показан накопитель с кожухом.

Рис. 5. Кинетический накопитель энергии в собранном виде на стенде

Результаты исследований были рекомендованы для использования на перспективных кораблях Военно-морского флота. В настоящее время результаты исследований используются при решении проблем повышения устойчивости энергосистем. 


Большие емкостные накопители энергии

Еще одним направлением исследований по накопителям энергии явилось создание емкостных накопителей для генерирования мультимегаамперных импульсов тока для ускорения и сжатия твердых тел. Она была обусловлена потребностью в источниках импульсов, способных создавать в нагрузке электрический ток в единицы и десятки мегаампер при энергии импульса – единицы и десятки мегаджоулей. Такие источники требуются для различных физических исследований, в том числе для опытов с высокотемпературной и низкотемпературной плазмой, для получения сильных и сверхсильных импульсных магнитных полей, для изучения свойств веществ в экстремальных состояниях при высоких давлениях и температурах и при других исследованиях.

Такими стационарными источниками стали большие емкостные накопители энергии, создание которых стало возможным из-за увеличения плотности запасаемой энергии и уменьшения стоимости импульсных конденсаторов благодаря достижениям в области технологии конденсаторного производства. Была создана уникальная установка с емкостным накопителем энергии Е7-25, предназначенная для экспериментальных работ по гиперскоростному ускорению макротел. Максимальный ток в импульсе 10 МА полностью перекрывает потребности в токе для текущих и будущих экспериментов с метательными установками калибров 030 мм и 057 мм.

Вторым направлением исследований явилось использование емкостных накопителей энергии при разработке ускорителей рельсотронного типа. Таким образом, для обеспечения энергией новых больших рельсотронов требуются источники, способные генерировать импульс тока с большим значением интеграла действия. Для уменьшения токовой нагрузки на рельсы и якорь требуется согласовать длительность импульса тока со временем ускорения. Это может быть обеспечено применением схемы питания рельсотрона от емкостного накопителя энергии с дополнительно включенными в разрядную цепь индуктором и кроубарными диодами.

В настоящее время накопленный опыт по теоретическим и экспериментальным исследованиям емкостных накопителей энергии используется для оценки эффективности их применения в энергосистемах.

Работы по накопителям энергии вошли составной частью в представление на премию Правительства Санкт-Петербурга и Санкт-Петербургского научного центра РАН в области технических наук имени академика А.Н.Крылова за работы по электрофизике, физике низкотемпературной плазмы и специальной электроэнергетике, которой Ф.Г. Рутберг был удостоен в 2007 г.

Филипп Григорьевич вел большую научно-педагогическую работу, руководил аспирантами, был научным консультантом докторантов, создал свою научную школу по электрофизике и специальной электроэнергетике, являлся председателем Ученого совета Института. Особое внимание уделял работе со студентами, возглавлял профильные кафедры в Политехническом и Балтийском университетах. За это направление научной деятельности в 2010 г. он был удостоен премии Правительства Российской Федерации в области образования с формулировкой «За научно-практическую разработку «Научные исследования и учебные пособия по физике низкотемпературной плазмы»».

 

Материал по заседанию Ученого совета ИЭЭ РАН, посвященному 90-летию Ф.Г.Рутберга подготовила Т.А.Девятова

Редакция выражает благодарность сотрудникам Института электрофизики и электроэнергетики РАН Л.И.Чубраевой, А.Н.Братцеву, В.А.Коликову, А.А.Сафронову, В.Е.Попову, И.И.Кумковой за предоставленные материалы.







Это статья PRoAtom
http://www.proatom.ru

URL этой статьи:
http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=9825