Во время недавнего визита в Пермь Министр науки и высшего образования РФ В.Н. Фальков ознакомился с работой Института механики сплошных сред УрО РАН. Министр осмотрел лабораторию Технологической гидродинамики. Здесь ему показали Натриевый испытательный стенд, на котором проводятся приемочные испытания аппаратов для Белоярской АЭС и продемонстрировали результаты работ с жидкими металлами. Достижения пермских ученых были высоко оценены. Наш рассказ — о развитии и становлении в Перми магнитной гидродинамики.
Продолжение. Начало здесь:
ПЕРМСКАЯ МАГНИТНАЯ ГИДРОДИНАМИКА [1]— фрагменты ее истории
РАССУЖДЕНИЯ ДИЛЕТАНТА
Есть два вида ученых.
Одни, теоретики, глубоко погружены в какую-либо проблему, работают почти исключительно с математическим аппаратом пером на бумаге. Сейчас сказали бы - на бумажном носителе. Их задача создать правдоподобную математическую модель чего-нибудь, рассчитать ее, а затем отдать для проверки на жизнеспособность экспериментатору.
Другие, экспериментаторы, - это люди, которые умеют и даже любят делать что-то своими руками. Они могут починить испортившийся прибор или даже построить новый, умеют работать на станках или напильником, умеют паять, монтировать, подгонять по месту. Их задача экспериментально исследовать явления природы, а так же, что не менее важно, подтвердить или опровергнуть выдвинутые теоретиками идеи.
В прикладных задачах науки теоретика от экспериментатора трудно отличить. В группах, работающих над одной темой, кто-то больше экспериментатор, кто-то больше теоретик. Здесь задачей является изготовление объекта. Конструктивные идеи возникают на основе общих теоретических положений, и являются иногда предметом крутых споров, сводящихся к взаимоисключающим утверждениям типа: «Будет работать!» - «Не будет работать!». Разрешаются споры созданием лабораторной модели, которая часто дает непредсказуемый результат - то негативный, то позитивный. А иногда и неожиданный. В последнем случае конечным итогом является патент на изобретение с последующим внедрением.
Конечно, здесь большую роль играет научная интуиция. Теория помогает лишь найти правильное направление эксперимента. Эксперимент дает какой-то конкретный результат. А затем из эксперимента извлекаются теоретические разработки.
Группа Хрипченко - Долгих - Денисов считает 90-е годы наиболее плодотворными. В те времена чиновникам стало не до ученых. Их не загружали громоздкими отчетами и не контролировали каждый шаг исследований. Зарплату какую-то платили, а дальше - занимайтесь, чем хотите. Свободный полет.
На Денисова возлагалась вся электрическая и магнитная часть. Дадим ему слово.
- Сами нарезали из трансформаторной стали и склеивали сердечники, наматывали катушки. Магнит весит под сотню килограммов. Катушка - килограммов тридцать. Вот ее ворочаешь, провод толстый, в сечении 7 миллиметров, двойной, руками такой не прижмешь. Молотком то с одной стороны, то с другой. И так порядка сотни витков. Долгих больше любит поковыряться с железками. Куча вариантов насосов. Все их перебирает. Сколько он труб извел - не счесть. Ему это интересно. Не надо только ему мешать. Хрипченко - он больше на теорию опирается. Доктор наук, профессор. Спорят они с Долгих постоянно. Как правило, споры разгораются в связи с причинами, вызывающими возгласы типа «Ничего себе!» Ну или сходные, причем более распространенные. В эксперименте вдруг обнаруживается новое явление, механизм которого не совсем ясен. То есть, эксперимент дает неожиданный результат. А именно - работает то, что вроде никак не должно работать. В результате споров на этом эффекте разрабатываются МГД-насосы обладающие уникальными свойствами.
Если говорить только о насосах для перекачки расплавленных металлов, то эта группа создала для предприятий титано-магниевой отрасли и других довольно много оригинальных и интересных по конструкции аппаратов. В монографии С.Ю Хрипченко «Электровихревые течения в каналах МГД-устройств» описываются такие, как безобмоточный насос который они назвали «зиг заг», насос « Пуш-Пул», что можно перевести с английского, как «тяни-толкай» (два ферромагнитных сердечника в разных точках конструкции создают тянущий-толкающий эффект, перегоняя жидкий металл в одно направлении), различные центробежные электровихревые насосы.
Был разработан и изготовлен в лаборатории МГД-насос для создания управляемого высокого давления в различных технологических устройствах. Насос создавал давление более 1000 атмосфер. Надо сказать, что такое давление не создает ни один существующий МГД-насос
Не умаляя достигнутых экспериментаторами второй половины и конца ХХ века результатов. все же скажем, что эксперимент (и извлекаемое потом из него теоретическое обоснование) не единственный способ достижения цели. И зачастую ученые, как люди, не лишенные чувства юмора, оценивают полученные результаты, в виде примерно такой формулы: «Что получилось, то и хотели!» Время работы по жестко заданным параметрам, с программно-вычислительными комплексам тогда еще не пришло.
В НАУКЕ СТОЛЬКО ИСТИНЫ, СКОЛЬКО В НЕЙ МАТЕМАТИКИ
Здесь мы отвлечемся от гидродинамики, чтобы рассказать о достаточно удивительных вещах. О вузовской специальности, которая не признает границ между самыми разными природными явлениями. Специальность эта весьма подошла бы тем, кто стремится в науку, но еще не определил для себя места в ней. То есть, тем, кто подобно Буриданову ослу, никак не может выбрать между двумя охапками сена.
Когда-то давно, в начале 70-х, будучи еще студентом, я спросил у другого студента, курсом старше, читал ли он нашумевшую повесть Астафьева «Пастух и пастушка»?
- Нет, - ответил он. - Я не читаю художественную литературу. Читаю только научную. И знаешь, там такие разворачиваются интриги, так закручивается сюжеты - не оторвешься.
Звали студента Петр Трусов. Теперь он профессор, доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой «Математическое моделирование» Пермского национального исследовательского политехнического университета.
- Неужели я так говорил? - удивился он, когда я напомнил ему этот эпизод. - Еще в школе, в Красновишерске, я просто пропадал в библиотеке. Меня даже пропускали в фонд. Всегда старался и сейчас стараюсь не пропускать ничего из стоящего. Впрочем, в студенческие времена такое, наверное, мог сказать. На художественную литературу тогда просто не хватало времени.
-Я учился в политехе на специальности «Динамика и прочность машин», - продолжает Петр Валентинович. - Несмотря на то, что это была элитная специальность, и нам давали совсем неплохую фундаментальную подготовку, я понял, что этого было недостаточно. Математики было много, но не затрагивались такие ее аспекты, как функциональный анализ, дифференциальная геометрия. Отдельного курса тензорного анализа не было. Пришлось заниматься самообразованием. Аспирантуру я закончил в МИСИСе - Институт стали и сплавов. Там познакомился с математиками, потом ходил на семинары в МГУ, на кафедру теории упругости. Там завкафедрой был член-корреспондент Академии Наук Алексей Антонович Ильюшин. Там я понял, что механика - это гораздо глубже, чем нам давалось в свое время. И вот тогда появилась мысль, что надо создавать специальность, которая была бы настроена на фундаментальную подготовку. И эта мысль оказалась правильной. Знания технические, особенно сейчас, знания, связанные с информатикой, обновляются каждые два-три года. И если у человека нет фундамента, то ему надо переучиваться каждые три-четыре года.
Не будем пересказывать историю о том, как трудна оказалась задача создания новой кафедры в начале 1990-х годов. Несмотря на поддержку многих авторитетных ученых, в том числе академиков, на энтузиазм местных ученых, идея создания в техническом вузе фундаментальной кафедры физико-математической направленности никак не укладывалась в головах министерских чиновников.
- Слава Богу, меня поддержал в Москве Александр Андреевич Самарский, академик, основатель математического моделирования у нас в стране. Ну, и тогдашний ректор Пермского политеха - Адольф Александрович Бартоломей. В 1990-м году мы сделали первый набор студентов. Теперь наши выпускники где только не работают. В банках, в сфере IT,, в горных делах, в космических проектах. Ну, конечно, требуется время для адаптации к конкретным задачам...
- То есть, фундаментальная подготовка позволяет легко внедриться в любую отрасль науки - это так? - спрашиваю у Петра Валентиновича.
- Именно так. Еще Иммануил Кант сказал: в каждой науке столько истины, сколько в ней математики.
- Все же объясните, каким образом достигается такая универсальность.
- Например, есть такая область знаний, на стыке механики и физики, как теория определяющих соотношений. Это свод теорем о поведении всех тел. В природе существует всего три вида состояния тел: твердое, жидкое, газообразное. О чем дальше речь. В большинстве наук есть как бы два типа законов. Одни законы всеобщие, такие как, законы сохранения массы, количества движения, момента количества движения. Но этих законов недостаточно, чтобы описывать поведение реальных объектов. Другая группа законов определяет конкретику. Например, вот это - бумага, а это - стол. Оба твердые, но имеют разные физико-механические характеристики, разное строение. Теория определяющих соотношений - это именно наука о второй группе соотношений. И там есть какие-то свои аксиомы, которые позволяют нарисовать контуры моделей материалов, отсеять неприемлемые варианты. Например, есть такая аксиома - независимость от выбора системы отсчета. Система отсчета - это некое тело, которое мы можем считать абсолютно твердым, и связать с ним систему координат. Ну, для инженерных задач - это Земля и связанная с ней тройка осей. Так вот, если мы записываем определяющие соотношения в одной системе координат, то они должны быть такими же в любой другой системе координат. Это одна из аксиом. А их там немало. То есть, это такая общая наука об описании поведения материалов, о моделях описания поведения материалов. Эта наука дает общие знания. На самом деле, когда начинаешь работать в конкретной области, допустим, с жидкими металлами, то понимаешь, что их поведение своеобразно. Теория определяющих соотношений намечает контуры. Но они далеки от конкретных соотношений тех же расплавов, где огромную роль играют, например, магнитные свойства, вязкость, теплопроводность, удельный вес и т.д. Поэтому в программе обучения предусмотрены большие курсы по специальным дисциплинам, которые нашим студентам читают действующие ученые высокого уровня, в том числе ведущие специалисты Института механики сплошных сред.
Изначально задача была оснастить нашу кафедру в первую очередь людьми, способными ставить и решать серьезные задачи, сопряженные с физикой, на высоком математическом уровне.
- Специальность «Математическое моделирование» - это что?
- Начиная примерно с 70-х годов уже появились более или менее нормальные модели. А сейчас просто немыслимо, чтобы проектирование какого-то технологического процесса начиналось с эксперимента. Эксперименты сейчас проводятся для исследования каких-то необычных свойств. Или для исследования физико-механических характеристик, потому что без этого не построить модель. Но в основном, все начинается с построения цифрового двойника. В модели возможно вообще все, что угодно, придумать, какие угодно условия задать.
Можно создать модель какого-нибудь металлургического процесса, можно создать модель человека. Принципиальной разницы нет., хотя, казалось бы - где металл, а где человек. Но мы работаем как бы с одними и теми же материалами, с уравнениями. Те же самые законы сохранения, те же самые законы механики сплошной среды. Когда есть фундамент, можно все освоить.
- Модели человека?
- Мы и этим занимаемся, хотя кафедра у нас, в основном, твердотельная (нелинейные механика и физика твердого тела - авт.). Работа ведется совместно с Федеральным центром управления рисками и здоровья населения. Он расположен на Монастырской напротив Слудской церкви. Там два двухэтажных домика. Научный руководитель академик РАН Нина Владимировна Зайцева. Она очень мобильна по отношению к новому. И она в свое время сагитировала меня. И туда пришли трое выпускников нашей кафедры. Двое уже защитились. Один - по желудоччно-кишечному тракту, другой - по иммунной системе, а вскоре состоится очередная защита (уже состоялась, по дыхательной системе. - авт). То есть, работаем там по отдельным органам и система человека.
- Догадываюсь, это модели не из мяса, нервов и костей?
- Это численные модели. Сейчас работаем над моделью дыхательной системы. Мы на ней смотрим, например, как поступают частицы запыленного воздуха, как и где они оседают. Как вообще идет процесс дыхания. На модели мы можем какую угодно ситуацию создать. Например, заставить человека дышать парами цианистого калия. В натурном эксперименте этого не сделаешь. Модели, особенно, если модели очень качественные, - это дар небес, по сравнению с эмпирикой.
- С цианистым калием - это, конечно, круто. А реальные цели какие?
- Возьмем, допустим, такую вещь, как санитарные нормы. Сейчас они нормируют запыление атмосферы частицами, размеры которых порядка микрона. Мы на модели показали, что при оценке допустимой чистоты воздуха следует учитывать частицы субмикронного и даже наноразмерного масштаба. Они проникают в глубь легких. А это суровая штука, потому что они из глубоких долей легких не выводятся. Они там оседают. В воздухе, которым мы дышим, огромное количество таких частиц, в том числе, тяжелых металлов. Это значит, что в легких начинают зреть очаги онкологии, силикозаа и прочих болезней.
- Что дальше?
- Дальше будем создавать еще одну подмодель - кровеносной системы. С ней работают очень многие. Мы, наверно. просто возьмем чью-нибудь модель, и адаптируем ее, это очень сложные модели. Там надо не только о крови говорить, но и о лимфе. Огромное количество сосудов. Их напрямую просто не описать. Мы так и с легкими поступили. Представляешь, сколько в легких альвеол? Они там 2-3 микрона размером. И их 660 миллионов. Плюс канальчики, которые их соединяют. Если моделировать впрямую, методом конечных элементов, всех компьютеров Земли не хватит для того, чтобы в разумное время это просчитать. В общем, была предложена модель пористого тела. И вот она работает. Надо всегда понимать, что матмодель - это никогда не копия реальности. Один из основателей кибернетики Норберт Винер говорил, что наиболее совершенной моделью кота является такой же кот, а лучше - он сам.
В нашей модели мы охватили все верхние дыхательные пути и легкие, которые мы моделируем как пористую среду. Там все очень сложно. Прямые и обратные связи с центральной нервной системой, с периферической. В этих моделях очень многое еще надо дорабатывать. Допустим, по тому же желудочно-кишечному тракту - там нам надо отладить обратные связи по ферментам, по составу химическому. Все это управляется и периферической нервной системой и центральной. Что к чему относится, не известно до конца пока. Этим и занимаются наши ребята, которые были подготовлены по нашим программа.
Добавим к сказанному. Каждый студент, обучающийся на этой кафедре, с третьего семестра обязан заниматься наукой. Один раз за семестр он обязан выступить на семинаре с докладом о своей работе и еще один раз - с рецензией работы коллеги. Преподают здесь в солидном объеме такие фундаментальные дисциплины, как Механика сплошной среды, Теория пластичности, Тензорный анализ, Физическая теория пластичности, Теория определяющих соотношений, Гидродинамика, Дифференциальная геометрия. О численных методах в целом и в приложении их к конкретным отраслям науки, об информационных технологиях и их всевозможных разделах - и говорить нечего.
- Учиться у нас, конечно непросто, - заключает П.В Трусов. - Из тридцати поступивших абитуриентов к четвертому курсу остается только половина.
Это не значит, конечно, что неудачники выбрасываются на улицу. Их с удовольствием принимают для продолжения учебы на любые другие специальности. Ну, а оставшиеся, как правило, продвигаются в науке достаточно успешно.
ВСЕ, ЧТО ПРОСТО, НЕ ТАК УЖ И ПРОСТО
Кадровый провал 1990-х годов миновал. Прошло время, когда свой киоск на рынке был для многих выпускников вузов ценнее, чем будущая диссертация. Наука стала пополняться мотивированными молодыми людьми.
- В лаборатории физической гидродинамики появились очень хорошие ребята, - рассказывает П.Г. Фрик. - И тогда, в начале 2000-х, возникло ощущение, что наука возрождается, и перспективы стали более понятны. Именно тогда коллектив лаборатории и сформировался. Это были несколько человек моего поколения, те, кто учился в вузах в 70-х годах. К этому времени они уже стали сформировавшимися учеными. Число сотрудников лаборатории выросло до 25. Одним из первых со специальности «Математическое моделирование» пришел Родион Степанов. Он очень быстро продвинулся, защитил кандидатскую диссертацию, затем докторскую. Очень активен в научных контактах, можно сказать, весь мир объездил. На все имеет собственное мнение, такой очень независимый, и я бы даже сказал импульсивный человек.
Чуть позже пришли Андрей Сухановский и Илья Колесниченко - оба учились в 9-й школе, потом один поступил в классический университет, другой - в политехнический, и снова оказались вместе в одной лаборатории. Сейчас оба имеют ученую степень доктор физико-математических наук. В одно время с Ильей Коесниченко стал научным сотрудником лаборатории Руслан Халилов.
Руслан Халилов:
- Еще студентом 4-го курса «Матмоделирования» я пришел в ИМСС, Петр Готлобович читал у нас курс турбулентности. У меня тогда не было определенности с моей научной работой, а надо было писать диплом. Мой однокурсник, уже такую работу вел, говорил: тут хорошо, интересно. По-моему, это был Андрей Петров. Петр Готлобович сразу принял меня, направил в команду Станислава Юрьевича Хрипченко. Он дал задачу расчета электромагнитной силы в МГД-перемешивателе. Если точнее изучение электромагнитных полей, бегущей магнитной волны, которая генерируется внутри. Я начал тогда сразу численно эту задачу считать. Рассчитал силы и получил некое их распределение. И это стало содержанием моей дипломной работы.
Илья Колесниченко:
- Были регулярные экскурсии всех студентов кафедры в ИМСС. Показывали лаборатории. Самое главное - ученые, которые здесь работают, преподавали и у нас. Это были выдающиеся заведующие лабораториями. Курс механики сплошных сред нам читал Анатолий Алексеевич Роговой. Юрий Львович Райхер читал физику с уклоном в магнетизм, в магнетики - это раздел электродинамики. Олег Борисович Наймарк - курс по прочности, связанный с поведением дефектов в твердых телах. Олег Иванович Скульский читал аномально вязкие жидкости. Петр Готлобович Фрик - теорию турбулентности. Этот курс почему-то произвел на меня впечатление. Мне захотелось заниматься именно гидродинамикой, а не твердым телом. Объяснить, почему - не могу. Потому что по знаку Зодиака я Рыба? Мне как-то казались интересней эти задачи, потому что посмотреть можно. Внутрь куска металла не заглянешь. А второе - здесь еще и электродинамика, которая мне тоже нравилась. Все в совокупности и дает то, чем мы сейчас занимаемся. Магнитная гидродинамика и электродинамика. Все вместе. В магистратуре у меня была работа, связанная с поведением жидкого металла в магнитном поле. Так называемые электровихревые течения в плоских слоях - тогда мне это показалось очень сложным. Потом уже понял, что это все просто. Но сейчас, когда к этому возвращаюсь, понимаю, что это все же очень не просто.
- Тогда и начинал считать, - продолжает И. Колесниченко. - Я очень долго осваивал это. Программировал сам все эти вещи. Это было весьма непросто. Долго доводил до согласования с экспериментальными (верификационными, заведомо известными) данными. Это была та еще работа. Я через нее прошел, и, считаю, это огромной пользой, потому что знаю, как и что в стандартных счетных пакетах, которыми сейчас все пользуются, сделано. Освоить пакеты - это уже очень большая работа. Но это первая задача. А вторая, более серьезная - понять, как эти пакеты считают. Без этого прожить можно, но ты всегда будешь относиться к счету, как к инструменту, как к чему-то непонятному.
У читателя может возникнуть вполне законный вопрос: что же все-таки они там все время считают? Наверное, не как герой известного мультика «Козленок, который научился считать до десяти». Несколько позже мы попробуем прояснить ответ на этот вопрос. А пока необходимо перейти к другому.
ПОЧЕМУ НЕ ЛЮБЯТ НАТРИЙ
Мы уже упомянули однажды ту грандиозную задачу, которую взялись решать пермские гидродинамики: «Экспериментальное воспроизведение магнитного поля Земли в лабораторных условиях». И даже дали ссылку на очерк, из которого можно узнать об этом эксперименте подробнее. http://permnew.ru/news?post_id=24863
Те, кто по этой ссылке прошел, уже знают, что эксперимент был не слишком удачным. Но виной тому оказались не ученые, а технологический брак при изготовлении части конструкции экспериментальной установки, допущенный одним из питерских заводов. Для тех же, кто не читал, вкратце расскажем следующее.
Как известно, магнитное поле Земли образуется не огромным магнитным телом где-нибудь в ее центре, а мощным движением расплавленных электропроводных масс внутри Земли, обусловленным ее вращением. Ученые всего мира в конце 90-х годов развернули между собой соревнование по воспроизведению магнитного поля Земли, для чего в разных странах строились грандиозные лабораторные сооружения величиной с многоэтажный дом или цех большого завода. Пермские ученые предполагали получить результат в компактной установке, не разгоняя многие тонны расплавленного натрия в хитроумно изогнутых трубах до бешеных скоростей.
Пермская установка представляла собой, по сравнению с иностранными, чрезвычайно компактную, и по мнению ведущих зарубежных ученых, эффективную и многообещающую модель. Она представляла собой тороидальную полость (вроде пустотелого бублика), заполненную жидким натрием. Ее необходимо было раскрутить, для чего не требовалось больших мощностей. А затем резко, одномоментно, затормозить. Содержимое бублика разовьет необходимую для эксперимента скорость. Нужный характер движения сохранится в течение долей секунды. Но этого времени достаточно, чтобы зафиксировать результат.
Бронзовый тор состоял из двух половинок, скрепленных болтами. В верхней половинке обнаружились трещины, которые невооруженным глазом ни при изготовлении, ни при подготовке к работе, были не видны. Обнаружены они были только при контрольном заполнении тора водой под давлением. Эксперимент пришлось остановить. Долгое время установка стояла без дела. Затем двое молодых ученых, Илья Колесниченко и Руслан Халилов, попробовали реанимировать ее. Перебрали множество анаэробных герметиков, выбрали подходящий, заливали им трещины. Вакуумировали полость тора, снова разбирали его, снова заливали. И так несколько раз. Наконец, удалось достичь более иди менее приемлемого результата. Заполнили тор расплавленным натрием, раскрутили, но отнюдь не до требуемых скоростей, и даже получили какие-то промежуточные результаты.
Все это рассказывается для того, чтобы совершить логичный переход к тому комплексу задач, которым они занимаются по сей день и который потребовал наличия навыка и умения работать с расплавленным натрием.
Специалисты ОКБМ «Африкантов», одного из подразделений Госкорпорации Росатом, заинтересовавшись работами П.Г. Фрика по турбулентной конвекции, в одно из посещений лаборатории физической гидродинамики ИМСС УрО РАН вдруг с удивлением обнаружили, что здесь ведутся работы с расплавленным натрием. Это был для них приятный сюрприз. Дело в том, что жидкий (расплавленный) натрий является теплоносителем атомных электростанций на быстрых нейтронах - рабочим телом, переносящем тепло, образующееся в реакторе, к парогенератору. В ОКБМ «Африкантов» исследования на жидком натрии не ведутся. А Госкорпорация Росатом выставляет конструкторам и расчетчикам принципиальное требование. Любые расчеты должны быть верифицированы экспериментом, причем именно на тех материалах, которые задействованы в реальных системах действующих или создающихся реакторов.
Поначалу пермским гидродинамикам предложили несколько частных задач, связанных с исследованиями на жидком натрии. Они и были поручены группе молодых ученых, возглавили которую кандидаты физико-математических наук Илья Владимирович Колесниченко и Руслан Ильдусович Халилов.
Следует, наверное, остановиться на том, почему не каждое научное учреждение рвется к экспериментам с использованием жидкого натрия. Работать с жидким натрием не очень-то просто. Натрий даже в твердом виде на воздухе взаимодействует с влагой, на поверхности образуется щелочь 100-процентной концентрации. Если потрогать брусок натрия, на коже появится химический ожог или язва. Контакт с водой у твердого натрия весьма громкий. Выделяется водород, смешиваясь с кислородом воздуха, он образует гремучий газ. Для воспламенения гремучего газа достаточно одного фотона ультрафиолета.
В расплавленном виде при температуре свыше 120 градусов натрий самовоспламеняется на воздухе. Он горит весьма активно, с большим тепловыделением. Потушить его водой не представляется возможным. Для тушения используются специальные порошковые составы. При горении натрий окисляется и образуется оксид натрия. Эта легкая аэрозольная взвесь словно туман заполняет помещение. Она химически активна, попав в легкие, взаимодействует с влагой и превращается в щелочь. Подобные инциденты могут иметь фатальный исход. Поэтому всегда необходимо иметь под рукой средства химической защиты и противогазы.
Понятно, что работать с жидким натрием возможно только в вакууме. А перемещать его из бака в канал - выдавливанием инертным газом аргоном. Значит, нужны и вспомогательные системы - вакуумирования, аргоновая. Конечно, и система пожаротушения.
Первую задачу от Росатома можно сформулировать так - исследование конвективных потоков в цилиндрическом канале с наклоном.
Откуда пришла задача. Жидкий натрий идет от реактора к теплообменнику по трубопроводам общей длиной в сотни метров. Натриевые контуры оснащены различными приборами, множеством всяческой арматуры и насосов, которые расположены на разной высоте. То есть, каналы, трубопроводы, меняют свой наклон по отношению к вертикали. И внутри каналов и рядом с каналами расположены разные приборы. В процессе эксплуатации был выяснен такой момент. Когда надо провести какие-то обслуживающие работы, циркуляцию натрия останавливают. Считалось, что когда натрий остановлен, он не переносит тепло. Оказалось, что это не так. Натрий остановлен, через сотню метров на трубе стоит насос, он не должен нагреваться. А выяснилось, что нагревается. То есть, тепло очень эффективно передается по трубам даже в отсутствие циркуляции. Это было достаточно неожиданно для всех. Надо было разобраться в ситуации. Это и поручили «ОКБМ Африкантов». Там эту задачу посчитали. Но любой счет нужно верифицировать. Эксперимент на натрии поручили провести пермякам. Новизна проблемы в том, что когда натрий движется, процессы теплопереноса, теплопередачи через стенку канала и прочие тонкости хорошо изучены, измерены и просчитаны. А вот данных о том, как идет конвекция, если поток остановлен, нет.
Основной результат, который был получен в лаборатории физической гидродинамики ИМСС, заключается в том, что наиболее интенсивно теплообмен идет при наклоне трубы в 60 градусов от вертикали. Это результат потому необычен, что до этого из каких-то абсолютно общих научных соображений многие специалисты считали, что наиболее интенсивный теплообмен должен происходить в вертикальном положении. Это был неожиданный результат. Он зафиксирован и воспроизводится во всех, кстати, последующих экспериментах.
Под эту задачу был сконструирован и создан специальный «натриевый контур» - установка, позволяющая экспериментировать с цилиндрическими каналами (отрезками трубопроводов) разной длины и диаметра. Когда отчеты по задаче были оформлены и отправлены заказчику, группа взялась экспериментировать «в свое удовольствие». В науке принято использовать для исследований так называемые единичные объемы. Обычно - это кубики со стороной равной метрической единице. Поскольку трубопроводы цилиндрические, недолго думая, исследователи приняли за рабочий объем отрезок трубопровода, равный по длине диаметру. Получился такой цилиндрический кубик.
Как и в предыдущих экспериментах, подвели снизу тепло, охладили сверху. И получили интересный результат. Помимо всем известного течения (от тепла к холоду и обратно), обнаружился вихрь. Он закручивался в вертикальной плоскости. Но это не все. Вихрь вращался не только как велосипедное колесо, но и вокруг вертикальной оси, словно кольцо, закрученное на поверхности стола, только гораздо медленнее и иногда в разные стороны.
Стали искать литературу, статьи читать. Подобные явления были обнаружены для воды. Были обнаружены также и для ртути, но они не были математическим образом описаны. Для жидкого натрия такое обнаружено впервые. Но самое главное, что это сложное поведение не только в вертикальном положении наблюдалось, но и когда начинали кубик наклонять. Причем не на единицы, а на десятки градусов. Это явление сохранялось до углов наклона в 30 градусов от вертикали. На воде такого не может быть. Там вся болтанка прекращается при наклоне на долю градуса.
- Там происходит сложный хаотический процесс на фоне среднего течения, который трудно обозначить одним термином, - говорит Илья Колесниченко. - Если мы представим среднее течение как вихрь, похожий на вращающееся колесо, ось которого перпендикулярна оси канала, то оказывается, что это колесо не только крутится, но его ось как-то перемещается, прецессирует. С другой стороны, вихрь не просто прецессирует, а еще и торсионно прецессирует, т. е. части вихря вблизи торцов цилиндра изгибаются в противоположные стороны. В литературе подобное явление описывается как слошинг (sloshing - хлюпающий, плескание, эффект плескания), когда колеблется не ось вихря, а его средняя плоскость, но это описание тоже не достаточно. В общем, можно характеризовать эти пульсации по-разному, но главное, что там возникает колебательный режим, который, видимо, вмешивается в процесс переноса тепла, перемешивает течение, то есть не дает эффективно переносить тепло, тем самым затрудняя теплообмен.
- Группа вычислителей из Геттингена в Германии, - продолжает Илья, - с которыми мы в то время общались на конференциях, узнали, что мы хотим проводить эксперимент на коротком канале и взялись его обсчитывать. В Геттингене тогда был один из самых сильных вычислительных кластеров в Европе. И вот мы полтора года строили свою установку и экспериментировали, а они полтора года считали. Результаты наших экспериментов и их расчетов оказались близки. Особенность этих работ была в том, что в эксперименте процесс длительностью полчаса и измерялся за полчаса, а в расчетах он же вычислялся за несколько дней. Поэтому в наших экспериментах был проведен гораздо более глубокий анализ большего количества результатов, чем в расчетах. Это позволило тщательнее изучить и описать локальные и интегральные характеристики поведения конвекции.
Сотрудничество с Росатомом продолжалось. Усложнялись задачи. Исследовано взаимодействие встречающихся потоков горячего и холодного натрия в различных тройниках и прочей арматуре. Для этого построен еще один натриевый контур. Спустя некоторое время возникла нужда в другом, еще более грандиозном контуре. Его возвели в отдельном ангаре. Это трехэтажное сооружение позволяет испытывать МГД-устройства различных типов, назначений и размеров для реакторов на быстрых нейтронах. Назвали его Натриевый испытательный стенд. Не так давно он получил аккредитацию от Росатома. Представитель Госкорпорации Росатом, подводя итог суровых и скрупулезных испытаний Пермского контура, поздравил всех присутствующих, но затем, не совладав с эмоциями, перешел от физики к лирике и торжественно объявил, что «в короне Госкорпорации Росатом появилась еще одна жемчужина!» Его можно понять. В России не так много мест, где можно экспериментально верифицировать результаты работы вычислителей. А значит, возникают и очереди на исследования или испытания.
Кроме испытаний изделий других производителей, сконструированы, собраны и испытаны семь МГД-насосов для Белоярской АЭС. Они приняты в эксплуатацию и успешно функционируют уже несколько лет. Это задача непростая. Кроме заданных характеристик (расход, скорость течения, перепад давления, высота подъема), изделия должны сохранять свои характеристики в течение 30 лет эксплуатации при рабочей температуре 320 градусов. Но при этом они должны поддерживать те же характеристики и при 180 градусах и при 450.
Но мы, наконец, вплотную придвинулись к выполнению давно обещанного. Попытаться прояснить ответ на вопрос о том, что и как они постоянно считают.
Продолжение следует:
ПЕРМСКАЯ МАГНИТНАЯ ГИДРОДИНАМИКА [3]— фрагменты ее истории
#ИМСС #Пермь #УрОРАН
Александр Куличкин
Читать на сайте — https://permnew.ru/news?post_id=26767