На открытом воздухе

В лаборатории перспективных материалов энергетической отрасли Томского политехнического университета запустили опытное производство дуговых реакторов для исследований процессов синтеза тугоплавких материалов и переработки отходов. Первая установка уже передана заказчику в Севастопольский государственный университет.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Безвакуумный дуговой реактор — это изобретение коллектива ученых Инженерной школы энергетики ТПУ. Методы работы, элементы конструкции и программное обеспечение реактора запатентованы.

«Мы занимаемся исследованиями в области синтеза порошков карбидов безвакуумными методами уже около семи лет. За это время коллектив проделал серьезную работу по созданию с нуля оригинальной методики и оборудования: от лабораторного стенда для внутреннего пользования до установки для тестирования возможностей синтеза новых или известных материалов, востребованной на рынке. Сегодня прямых аналогов в России и за рубежом этому научному прибору нет. Основные комплектующие системы — отечественного производства. Первый реактор нашего опытного производства был поставлен коллегам в СевГУ в качестве научного прибора, на очереди и в стадии обсуждения еще три установки для других научных институтов и промышленных партнеров»,— отметил руководитель лаборатории перспективных материалов энергетической отрасли ТПУ Александр Пак.

Опытные дуговые реакторы ТПУ оснащены системами автоматизации, сбора данных и регистрации электрических параметров. Они работают на переменном токе и адаптированы под промышленную сеть энергоснабжения, просты в эксплуатации. В отличие от традиционных вакуумных дуговых реакторов, устройство ТПУ потребляет примерно в десять раз меньше электроэнергии и дешевле прямых аналогов в два-три раза. Кроме того, реактор нетребователен к чистоте исходного сырья. Эти особенности делают процесс получения широкого класса материалов быстрым, дешевым, простым и надежным.

С помощью реактора, изготовленного ТПУ, можно синтезировать важные для промышленности тугоплавкие соединения — например, карбиды и бориды переходных металлов, в том числе новые высокоэнтропийные карбиды. Они востребованы в качестве компонентов современных разрабатываемых катализаторов для технологий получения водорода, создания водородных топливных ячеек и многого другого.

«Сегодня спрос на научное оборудование для создания новых материалов носит не только локальный и отраслевой характер, но также характеризуется и всероссийской значимостью. Это подтверждается запуском в России национального проекта “Новые материалы и химия”, в котором обозначена задача по созданию нескольких сотен различных материалов для обеспечения технологического суверенитета и лидерства страны. И наша установка, позволяющая быстро и недорого тестировать гипотезы и отрабатывать режимы синтеза широкого класса материалов, отлично встраивается в эту повестку. Использовать разработанный реактор можно как для научных исследований, так и в образовании, и, как мы надеемся, в дальнейшем в опытном и промышленном производстве материалов после соответствующих НИОКР, к которым мы приглашаем академических и промышленных партнеров»,— говорит Александр Пак.

Добавим, уникальность дугового реактора ТПУ в том, что он позволяет производить синтез неоксидной керамики с помощью дугового разряда в открытой воздушной среде, то есть без использования дополнительного специального вакуумного оборудования.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Александр Пак, руководитель лаборатории перспективных материалов энергетической отрасли Томского политехнического университета, ответил на вопросы «Ъ-Науки»:

— Что представляет собой дуговой реактор, разработанный в Томском политехническом университете?

— Дуговой реактор, разработанный в Томском политехническом университете, если по-простому, представляет собой силовой источник электропитания сварочного типа с подключенными к нему графитовыми электродами специальной формы.

Установка позволяет реализовать синтез бескислородной керамики с помощью дугового разряда постоянного тока в открытой воздушной среде. Окисление исходного сырья и продуктов не происходит благодаря так называемому эффекту самоэкранирования реакционной зоны. Он заключается в формировании «облака» из газов СО и СО2, которые образуются при взаимодействии электродов разрядного контура с воздухом. Такое «облако» заменяет традиционное вакуумное оборудование: вакуумные камеры, насосы и газораспределительное оборудование.

— В чем заключается уникальность безвакуумного дугового реактора ТПУ? Как отсутствие необходимости в вакууме упрощает процесс синтеза материалов?

— Уникальность нашего реактора состоит в реализации безвакуумного синтеза неоксидных материалов, то есть без использования вакуумных и газовых систем. Это позволяет снизить энергоемкость процесса примерно в десять раз, потому что вакуумное оборудование, в частности вакуумные насосы, в подобных системах потребляет до 90% электрической энергии.

Кроме того, использование нашего дугового реактора снижает сырьевую себестоимость и себестоимость готовых продуктов за счет упрощенной конструкции самого реактора. За счет чего это происходит? В традиционных реакторах используется вакуумная камера: в нее помещаются и вакуумируются реагенты, происходит процесс синтеза, далее — девакуумирование, вскрытие камеры. Наша технология и установка исключает все эти процессы, поскольку в ней процесс идет на открытом воздухе. Это позволяет снизить затраты и повысить производительность.

— Какие преимущества имеет новая установка по сравнению с традиционными вакуумными дуговыми реакторами?

— В сравнении с другими системами преимущество нашей технологии заключается в работе в открытой воздушной среде. Это позволяет повысить производительность, снизить стоимость оборудования, а значит, снизить операционные затраты, то есть затраты на электрическую энергию.

— Как работает система автоматизации и сбора данных в реакторе ТПУ?

— Дуговой реактор ТПУ оснащен двумя автоматизированными системами — контрольной и измерительной. Контрольная система, или система управления, позволяет добиться высокой повторяемости экспериментов, а значит, и результатов. Она работает по заданной программе или отработанному техническому режиму, без вмешательства человека. Также предусмотрен вариант ручного управления.

Измерительная система, соответственно, измеряет ток разрядного контура, напряжение на дуговом разряде, оценивает мощность, количество подведенной энергии. Система автоматизации также «понимает» по датчикам тока и напряжения, какой режим сейчас отрабатывается и к чему необходимо стремиться.

— Какие материалы можно синтезировать с помощью этого реактора?

— Дуговой реактор позволяет получать практически все известные карбиды и бориды переходных металлов и неметаллов, а также различные новые материалы, так называемые многокомпонентные и высокоэнтропийные материалы. Так, мы в лаборатории перспективных материалов энергетической отрасли синтезировали, в частности, карбиды и бориды титана, ванадия, циркония, ниобия, гафния, тантала, кремния, бора, хрома, вольфрама, молибдена и прочее.

Все синтезируемые карбиды и бориды, как правило, сверхтвердые и ультратугоплавкие. Такие материалы используются преимущественно в обрабатывающей промышленности для получения твердосплавных элементов в металлургии в качестве различных добавок или присадок. Относительно недавно в мире пошел тренд на использование карбидов и боридов переходных металлов в качестве катализаторов различных процессов зеленой энергетики — в частности, получения водорода из воды методом электролиза или переработки углекислого газа. В этом случае карбиды и бориды переходных металлов могут выступать катализаторами или носителями катализаторов, позволяющими тем самым сэкономить драгоценные металлы.

— В каких отраслях промышленности могут применяться полученные материалы (карбиды, бориды и др.)?

— Разумеется, такого рода реакторы могут быть использованы в промышленности, однако на сегодняшний день еще не проведено масштабирование технологии до значительных объемов. В лабораторных условиях мы синтезируем десятки, сотни грамм. Но отечественной промышленности нужны, конечно же, тонны. Для этого необходимо провести отработку режимов и подтвердить свойства материалов.

— Как разработка ТПУ связана с национальным проектом «Новые материалы и химия»?

— В рамках национального проекта «Химия и новые материалы» есть подраздел, отвечающий за получение сверхтвердых ультратугоплавких материалов и композитов на их основе.

Наш дуговой реактор является отечественным прибором для предметного поиска таких материалов, условий для их получения и оценки их свойств. По сути, мы делаем отечественный прибор, инструмент для отработки режимов и проверки гипотезы о возможности синтеза того или иного карбида, борида и первичной оценки их свойств.

— Может ли реактор использоваться не только в науке, но и в образовании или промышленности?

— Да, данный реактор может использоваться не только в науке, но и в образовании, и в промышленности. Например, студенты и аспиранты ТПУ используют реактор в научных исследованиях, при подготовке выпускных квалификационных и дипломных работ. Что касается промышленности, то мы приглашаем промышленных партнеров к сотрудничеству в области совместного масштабирования методики.

— Какие дальнейшие исследования и модернизации ожидаются в рамках этого проекта?

— В ближайшей перспективе мы планируем продолжить упрощать методику и оборудование, чтобы наше конкурентное преимущество было еще более явным. Это позволит еще сильнее снизить затраты на создание установки и ее операционное обслуживание, эксплуатацию. В планах — создать экспериментальную технологическую линию на базе университета для отработки гипотезы о возможности получения того или иного материала и наработки опытной партии.

И, конечно, вести подготовку кадров в интересах промышленных партнеров, занимающихся вопросами получения, исследования свойств и применения такого класса материалов.

Подготовлено при поддержке Минобрнауки