Выразительный результат. Энергетика будущего в мегапроекте

Корпуса, корпуса, корпуса... От дальней проходной Объединенного института высоких температур (ОИВТ) РАН, у которой я ошибочно оказалась, до главного здания идти минут десять. Примерно так ходила я вокруг да около  темы, о которой мне предстояло писать. Ну, как объять эту глыбу - мегапроект “Фундаментальные основы энергетики будущего” - над которым вот уже три года корпит больше половины сотрудников института? Газетного разворота не хватит на один только список публикаций, плюс перечень выступлений на конференциях, монографии... Как рассказать обо всем и сразу? 

- Выбирайте любую тему, - предложил академик РАН Олег Петров, руководитель направления проекта “Теплофизика экстремальных состояний вещества в новой энергетике”. Для ОИВТ каждая работа по мегапроекту, что выиграл в конкурсе комплексных научных программ организаций Российского научного фонда, значима. Конкуренция среди участников была чрезвычайно высокой: из 150 организаций, подавших заявки, отобрали для реализации лишь 16. Среди них - 12 академических институтов, три университета и Никитский ботанический сад. То есть ОИВТ оказался в достойной компании. Конечно, предложенные нами для разработки научные направления созвучны тематике, по которой в институте идут исследования, но это уже другой уровень. Есть чисто фундаментальные работы и те, которым предстоит уже в ближайшие десятилетия формировать энергетику будущего: это теплофизика экстремальных состояний вещества; создание технологий с использованием альтернативных источников и накопителей энергии; вопросы безопасности новой энергетики; высокотемпературная теплофизика и физика низкотемпературной плазмы; использование современных вычислительных и информационных технологий в задачах новой энергетики. Руководит проектом директор института академик РАН Владимир Фортов. В работе задействованы 242 сотрудника, большая часть из них - в возрасте до 39 лет. За первые два года мы опубликовали свыше 250 статей в журналах, индексируемых Scopus и Web of Science, и набрали больше 400 цитирований. Когда в 2015 году подвели результаты работ института, то обнаружили, что произошел грандиозный рост числа публикаций, - примерно в полтора раза. Это объяснялось появлением статей по проекту Российского научного фонда и продемонстрировало, насколько сильная и квалифицированная команда собрана в институте. Это был очень выразительный результат, ведь продвижение к лидирующим позициям в науке оценивается в первую очередь по публикационной активности.

В чем же причина роста числа статей после начала работы над проектом “Фундаментальные основы энергетики будущего”? “Комплексная программа дала уникальную возможность слаженной работы значительной части научного коллектива ОИВТ РАН. Больше половины научных сотрудников приняли в ней участие, практически все лаборатории по разным тематикам и направлениям”, - пояснил академик РАН О.Петров. 

Антиводородоподобный 

Описывать поведение антивещества, не имея в наличии его атомов, основываясь только на экспериментальных данных, научились в лаборатории теплофизических свойств веществ доктора физико-математических наук Бориса Зеленера. Оказалось, атомы антиводорода, полученные в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН), ведут себя примерно так же, как атомы лития в лаборатории Зеленера. Это удивительно, но, по словам исследователя, закономерно, ведь литий близок к водороду по массе, является водородоподобным атомом, не зря в таблице Менделеева располагается под водородом, и имеет схожую систему уровней движения внешнего электрона в атоме. 

Борис Зеленер - “молодой исследователь”, хотя в ОИВТ с 1969 года. Он долго считал себя чистым теоретиком, пока не потребовалось спроектировать установку, в которой атомы лития после охлаждения силой лазера настолько замедляются, что появляется возможность направлять движение отдельных атомов, наблюдать за их поведением и даже манипулировать ими с помощью света и магнитного поля. Коллектив сотрудников лаборатории предсказал эффекты в таких системах, а также структуру ультра­холодной плазмы. Попытки убедить экспериментаторов, имеющих технические возможности проверить теоретические выкладки на практике, сделать это оказались безуспешными. И тогда Борис Борисович сам перешел в разряд экспериментаторов. В результате по проекту РНФ в ОИВТ РАН построена уникальная установка, не имеющая аналогов в мире. Она позволяет имитировать захват антиводорода в магнитную ловушку. Примерно так же, как это происходит в ЦЕРН. 

- В ЦЕРН в начале экспериментов антивещество исчезало через миллионные доли секунды после его получения в адронном коллайдере. Для того чтобы провести хоть какие-то измерения античастиц, там создали магнитную ловушку, позволяющую продлить жизнь античастиц до десятков секунд. Но парадокс в том, что именно большое магнитное поле не позволяет поймать частицы антиводорода в основном состоянии в количестве, достаточном для исследований. Мы пытаемся найти способ преодолеть эту проблему, чтобы в ловушку попало как можно больше атомов в основном состоянии. Как этого достичь? Менять конфигурацию поля, пытаться воздействовать на античастицы лазером. Если мы сможем решить эту исследовательскую задачу, то наши идеи будут подхвачены экспериментаторами, работающими на установках по захвату антиводорода. Это не только ЦЕРН, но, возможно, еще и НИКА в Дубне, и FAIR в Дармштадте, - пояснил Б.Зеленер. 

- Наша установка представляет собой вакуумную камеру, в которую помещается литий и нагревается до 500 градусов Цельсия, - продолжил Борис Борисович. - Горячий пучок атомов лития разгоняется в трубе до скорости десятков километров в секунду. Мы его резко - до десятков метров в секунду - замедляем с помощью резонансного лазерного облучения. Охлажденные таким образом атомы попадают в камеру, где мы с шести сторон облучаем их резонансным светом, в результате чего из атомов лития получается красный шар диаметром около 3 мм, охлажденный до температуры 0,0003 кельвина. Из него мы создаем плазму и наблюдаем за движением электронов вниз по разным энергетическим уровням к основному состоянию. Процесс движения снижает скорость в присутствии магнитного поля. Наша задача - преодолеть это замедление, потому что именно оно препятствует захвату антиводорода в основном состоянии. Это новый тип чистого рафинированного эксперимента, когда работа идет с отдельными атомами, за которыми мы следим благодаря их низкой температуре. Мы уже опубликовали в рамках проекта немало статей, приводя численные расчеты процесса. 

Проект значительно расширил наши экспериментальные возможности, для реализации планов предоставил такие ресурсы, которых до этого не было. Я имею в виду оборудование и новые вычислительные мощности. В лабораторию теплофизических свойств веществ купили стабильно работающие лазеры с узкой шириной спектральной линии, видеокамеру с чувствительностью 1 пиксель - 1 фотон. Это уникальное оборудование, которое стоит десятки миллионов рублей. Так, благодаря гранту появилась возможность создать уникальную установку по лазерному охлаждению атомов лития и получению ультрахолодной плазмы.

Точный расчет

Какой же крупный научный проект может обойтись сегодня без современных вычислительных и информационных технологий?! Значительная часть работ, связанных с моделированием физико-химических процессов в области новой энергетики, проводится в отделе компьютерной теплофизики доктора физико-математических наук Владимира Стегайлова. 

- В последние десятилетия с появлением суперкомпьютеров стало возможно достичь нового уровня вычислительной точности описания поведения атомов и молекул. Это позволяет не только заглянуть в глубь процессов и явлений, но и создать компьютерные модели веществ, и, образно говоря, оживить их, - рассказал В.Стегайлов. - В рамках проекта мы сразу планировали масштабный фронт исследований. И для их проведения использовали первый в России гибридный суперкомпьютер “Десмос”, основанный на отечественной разработке высокоскоростного интерконнекта - сети “Ангара”. Интерконнект - это набор сетевых адаптеров, объединяющих отдельные вычислительные узлы в единое целое. От свойств интерконнекта в конечном итоге зависит производительность суперкомпьютера. Так, например, для решения наших задач суперкомпьютер должен уметь просчитывать одновременно сотни миллионов взаимосвязанных дифференциальных уравнений, разделив одну задачу между сотнями вычислительных элементов, которые умеют максимально быстро обмениваться между собой информацией. Сейчас суперкомпьютер используется многими исследовательскими коллективами института для работ, выполняемых в рамках проекта “Фундаментальные основы энергетики будущего”. Спектр задач очень широкий: от изучения литий-ионных аккумуляторов до описания фундаментальных свойств вещества в экстремальных состояниях, в частности, математического моделирования свойств плотной плазмы разного состава.

С появлением финансовой поддержки новое дыхание в нашем институте приобрели работы по развитию баз данных о теплофизических свойствах веществ. Их осуществляет отдел кандидата физико-математических наук Игоря Морозова. Дело в том, что колоссальные объемы информации о результатах экспериментов и расчетов нужно не просто упорядочивать, но и оперативно давать им экспертную оценку, после чего они переходят на новый уровень и позволяют без проведения новых экспериментов получать надежные предсказания. В настоящее время в институте сформировано несколько баз данных о теплофизических свойствах веществ и материалов. 

Что касается математического моделирования, то особенно могу отметить один из наших недавних результатов, опубликованный в Journal of Chemical Physics. Мы разрешили противоречие в расчетах самодиффузии в органических жидкостях, сохранявшееся более 40 лет. Развитый нами вычислительный подход дает возможность точно рассчитывать скорости диффузии в органических маслах, используемых в энергетике. Это фундаментальный результат - методика может применяться для масел самого разного состава. Без современных суперкомпьютеров такие исследования невозможны.

О белом и черном

Несмотря на название проекта - “Фундаментальные основы энергетики будущего” - некоторые его результаты уже сегодня пригодны для использования в энергетике. Серьезные наработки, практически готовые к коммерциализации, есть в отделе доктора технических наук Евгения Школьникова - руководителя направления “Новые энергетические технологии с использованием альтернативных источников и накопителей энергии”. В качестве примера - только два материала. 

Снег. В лаборатории энергоаккумулирующих веществ за два года работы по проекту создали установку для получения и транспортировки природного газа в газогидратном состоянии. 

- Визуально газогидрат метана - это обыкновенный снег, который горит, - пояснил заведующий лабораторией Михаил Власкин. - Обывателю может показаться странной идея возить “горящий снег”, а не использовать, например, для транспортировки метана традиционный трубопровод. Но в том-то и дело, что не к каждому месторождению можно подвести трубы. Например, для малых газовых месторождений или для шельфовых, залегающих под водой, экономически выгоднее использовать другие способы транспортировки газа. И здесь газогидраты наряду со сжатым и сжиженным газом становятся еще одной хорошей альтернативой. Преимущество новой технологии - ее прос­тота. Так, если, например, сжиженный газ необходимо хранить при температурах около минус 160 градусов по Цельсию, то для газогидрата достаточно минус 20. А сжатый газ требует высоких давлений в 200-250 атмосфер, в то время как “горящий снег” удается хранить при давлении от атмосферного (760 мм рт. ст.) до примерно 10 атмосфер. В общем, новая технология, видимо, окажется вполне конкурентоспособной по сравнению с уже имеющимися. 

Уголь. Это еще один результат, близкий к коммерциализации. Исследователи лаборатории алюмоэнергетики создали технологию получения активированного угля с характеристиками, значительно превышающими мировые аналоги для использования в суперконденсаторах. 

- Мы научились управлять синтезом активированного угля, точно подбирать режимы, чтобы менять его структуру, комплексно исследовали различные характеристики полученного материала, - рассказала старший научный сотрудник лаборатории кандидат технических наук Дарья Вервикишко. - Лабораторный прототип установки позволяет производить не просто материал с высокими характеристиками, но и со стабильными свойствами, выдерживающими миллион циклов зарядов и разрядов при работе супепрконденсаторов. Важно, что уже сейчас стоимость производства такого активированного угля в пять раз ниже стоимости имеющихся на рынке брендовых продуктов. 

Предотврати взрыв! 

Водородные взрывы ученые моделируют в 12-метровой сфере-бронекамере в промзоне на севере Москвы. Зачем? Чтобы до тонкостей знать фундаментальные основы их протекания и создать надежные способы их предотвращения на промышленных предприятиях. Непроизвольное выделение водорода в атмосферу, его смешивание с воздухом и самовозгорание с последующей детонацией могут произойти на любом производстве, где он используется в технологической цепочке. Но особенно страшен взрыв этого газа на атомных электростанциях, когда мощная взрывная волна разрушает все вокруг, способствуя, помимо прочего, распространению радиоактивных изотопов. 

- В современной теории распространения горения до сих пор полностью не сформулирована целостная теория, описывающая процессы ускорения пламени и перехода от медленных режимов горения к быстрым, поэтому рассчитать последствия газовых взрывов крайне затруднительно, - поясняет заведующий отделом ОИВТ доктор физико-математических наук Виктор Голуб. - Непросчитанное увеличение температуры, давления и, как следствие, разрушение конструкций при нештатных ситуациях могут привести к масштабным трагедиям с человеческими жертвами и загрязнению обширных территорий радиоактивными и химическими выбросами. Основной инструмент, позволяющий предсказать поведение газовых взрывов, заранее предотвратив возможные риски, - экспериментальное моделирование процесса. 

Ученый пояснил, что на скорость горения могут повлиять разные факторы. Например, в открытом пространстве фронт пламени распространяется по одним сценариям, а в помещении, где происходит взаимодействие со стенами здания, возникают акустические колебания, усиливающие горение. Это способно спровоцировать ускоренную детонацию и взрыв. Вот почему важно знать зависимость параметров воспламенения от концентрации водорода в воздухе, от объемов помещения, от температуры и давления, от наличия пара. 

- На первом этапе мы изучаем распространение фронта пламени в условиях, когда ему не мешают дополнительные преграды, - рассказал Виктор Владимирович. - Внутри бронекамеры - шар диаметром 8 метров наполняем водородно-воздушными смесями и с помощью высокоскоростной фото-видеокамеры и различных датчиков исследуем, как ведет себя пламя в условиях, когда ему ничто не мешает. Определяем виды неустойчивости его фронта, изучаем, как он развивается. Затем добавляем факторы, способные повлиять на течение реакции: меняем пропорции в составе газа, объемы и геометрию. Раньше мы изучали взрывы водородовоздушных смесей в небольших объемах, при условии полного сгорания водорода, теперь многое - иначе. Благодаря участию в проекте Российского научного фонда мы смогли значительно продвинуться в изысканиях. Приведу яркий пример того, как появление в лаборатории нового оборудования совершенно изменило весь ход работы. До проекта мы могли регистрировать динамику фронта пламени только богатых водородовоздушных смесей. Изучать бедные смеси не было никакой возможности, так как в видимом диапазоне фронт пламени не регистрируется. А в бедных смесях на фронте пламени развивается целый набор неустойчивостей, оказывающих огромное влияние на скорость фронта пламени и возможность возникновения детонации. Это как раз и есть самое интересное и важное с точки зрения безопасности. Только сейчас, когда мы приобрели уникальную камеру инфракрасного диапазона, появилась возможность подойти к пониманию того, как развивается неустойчивость в таких смесях, что приводит к взрыву.

То есть ученые вплотную приблизились к решению чисто практической задачи: водородной безопасности на атомных станциях и в многочисленных химических производствах с использованием водорода. Проведенные эксперименты со специальными покрытиями, поглощающими тепло, звук и кислород из воздуха при прохождении фронта пламени, показали возможность сокращения скорости фронта пламени в 2,5 раза и распада, если детонационная волна уже появилась. Все это, безусловно, найдет применение в наукоемких отраслях российской экономики.

Охлаждение металлом

Многие знают, что в системах охлаждения на атомных станциях в качестве теплоносителя - охлаждающей жидкости - используется специально подготовленная вода. Но, оказывается, в научных лабораториях исследуются возможности применения для тех же целей широкого спектра газов и жидкостей. В теплообменных системах быстрых реакторов нового поколения БРЕСТ, термоядерных энергетических реакторов и источников нейтронов вместо традиционной воды в качестве охлаждающей жидкости инженеры и исследователи предлагают использовать тяжелые жидкие металлы. Свойства этих металлов и их физические характеристики изучают исследователи ОИВТ РАН на уникальных стендах, созданных в рамках реализации проекта Российского научного фонда. 

Пятитонный магнит подвешен на опорах с поворотным механизмом, позволяющим выбирать любой угол воздействия магнитного поля на охлаждающую жидкость, моделировать условия, характерные для систем охлаждения в термоядерном реакторе. 

Внутри массивного магнита расположен экспериментальный участок, где по каналам различной формы можно обеспечивать циркуляцию жидкостей - ртути или моделей расплавов солей. Исследователи утверждают, что ртуть - это идеальный металл для проведения таких экспериментов, хотя общеизвестно, насколько токсичны пары ртути для человека. В реальных энергоустановках будут, вероятнее всего, использовать натрий, свинец или сплав свинца и лития. Масса датчиков, расположенных внутри труб, позволяет контролировать множество параметров, характеризующих теплообмен и гидродинамику течений жидкости, такие как, например, температура, скорость и направление потоков. Высокий уровень автоматизации дает возможность проводить измерения дистанционно с высокой точностью.

Как ведут себя потоки расплавленных металлов в электромагнитном поле, как влиять на движение жидкости, какие опасности возникают в связи с высокими тепловыми нагрузками и как предотвращать аварийные ситуации? Над этими вопросами российские и зарубежные исследователи ломали головы с 60-х годов прошлого века, но лишь сейчас, с появлением уникального стенда, у ученых появились новые результаты. 

Модельные эксперименты показали, что под влиянием магнитного поля течение жидких металлов приобретает совершенно особенную структуру, завихрения потока укрупняются и упорядочиваются. Правильное представление о закономерностях течения жидкости в этих условиях способно упростить конструкцию систем охлаждения и увеличить их ресурс. Недостаточное внимание может привести к преждевременному выходу из строя дорогостоящего оборудования, а также к критическим или аварийным ситуациям.

“В своих экспериментах мы создаем условия, которые еще не реализованы технически в реальных термоядерных установках, мы идем дальше существующих технологий, изучаем природу, физику процессов, их фундаментальные основы, необходимые для будущего, - пояснил заведующий лабораторией ОИВТ РАН кандидат технических наук Иван Беляев. - В ИТЭР (International Thermonuclear Experimental Reactor) тепло в основном “снимают” водой, хорошо испытанным традиционным теплоносителем. Мы показываем принципиальную работоспособность жидкометаллических теплоносителей, тем более что в новых типах энергоустановок существует специфический спектр задач, которые нужно решать по-новому”.

Источник http://rscf.ru