Творческий кризис кипения

Творческий кризис кипения

Ирик Имамутдинов

Академик Накоряков уверен: России необходимо опережающее развитие самых разных видов энергетики, а все технологические проблемы при желании могут быть решены

Академик РАН Владимир Накоряков

Фото: Антон Уницын / Grinberg Agency

Академик Владимир Елиферьевич Накоряков  — ученый с мировым именем, корифей в теплофизике. Встретиться с Накоряковым в его родном Академгородке в Новосибирске почитают за честь самые именитые ученые. Здесь, в стенах Института теплофизики им. С. С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН, которым академик руководил долгое время, прошла большая часть его творческой жизни. Здесь написаны почти пять сотен его работ, многие из которых и сейчас лидируют в списках по цитируемости.

Научная деятельность отражает широту интересов ученого — от фундаментальных проблем до конкретных технологий и технической реализации их в различных установках. Исследование процессов тепломассопереноса и гидродинамики при неизотермической абсорбции в двухфазных бинарных системах, образования гидрата метана при ударно-волновом воздействии на газожидкостную смесь, волновых процессов в многофазных средах, теория и эксперименты для топливных элементов и генераторов водорода — все эти направления работы академика Накорякова относят к научным исследованиям высочайшего класса.

Совместно с академиками Яковом Зельдовичем и Самсоном Кутателадзе и рядом других ученых Накоряков впервые экспериментально обнаружил существование ударных волн разрежения в однородной среде, зарегистрированное в качестве открытия.

Сам ученый говорит: все, что ему выпадало делать, находило отражение в нормах расчета или законах, по которым проектируются все агрегаты современной энергетики. В тяжелые для науки 1990-е годы Накоряков создает Институт перспективных исследований, нацеленный на коммерциализацию научных идей, и оказывается еще и вполне успешным предпринимателем (подробнее см. «Акулы академического бизнеса» в «Эксперте» № 16 за 2000 год). Владимир Елиферьевич живо участвует во многих общественных дискуссиях, посвященных проблемам науки, российской экономики и энергетики. Нам показалось интересным поговорить с академиком на темы энергетики, связанные с его научными интересами.

— Владимир Елиферьевич, несколько лет назад вы стали лауреатом премии « Глобальная энергия», « нобелевки» по энергетике, за достижения в области исследований физико- технических основ теплоэнергетических технологий — гидродинамики, теплообмена, нестационарных и волновых процессов в многофазных средах. Поясните не очень искушенным читателям, как ваша наука связана с этой премией?

— Пожалуй, я начну с того, что скажу банальность, — развитие любой энергетики в конце концов всегда упирается в эти самые теплотехнику и теплофизику. Вот простой пример. Если взять обычный металлический чайник, заполненный водой, и начать его нагревать, то при очень большой тепловой нагрузке он может быстро расплавиться еще даже до закипания воды. Почему? А дело тут в том, что быстрое превращение воды в пар образует границу — паровую пленку очень низкой теплопроводности — между стенками посуды и основной массой воды. В результате, из-за того что тепловой поток подается, а отвести его в воду мешает паровая пленка, стенка перегревается и сгорает. А ведь все электроэнергетическое оборудование, по сути, и состоит из похожих «чайников».

Самый яркий пример — атомная энергетика. На заре ее возникновения, в 40–50-х годах прошлого века, все мечтали, что вскоре за счет нее будут решены все энергетические проблемы человечества. Появился источник ядерной тепловой энергии огромной мощности. Казалось, все просто: нагрели воду, превратили в пар, пустили в турбину, получили электричество. Но буквально через четыре года, через пять лет атомная энергетика превратилась в науку о теплофизике.

— Надо было научиться нагревать новые большие « чайники» так, чтобы они не плавились?

— Вот именно. В 1950-х создание атомных энергетических установок острейшим образом потребовало понять физику кризиса кипения. Что, к примеру, происходило в топливных трубках первых блоков РБМК (реактор большой мощности канальный — первый тип атомных энергоблоков, которые начали осваиваться в СССР. — « Эксперт» ). Когда к экранам — ТВЭЛам, тепловыделяющим элементам реактора, — стали подводить воду, образующийся пар, по идее, должен был тепло от них отводить, но тем не менее этого не происходило, и ТВЭЛы начали гореть. Привычная форма пузырькового кипения, которое каждый из нас наблюдает у себя на кухне, в этом случае сменялась пленочным кипением, когда на твердой поверхности появляется сплошная пленка пара. Поэтому отвод тепла от поверхности резко ухудшался, и, несмотря на то, что нагреватель, казалось бы, был полностью погружен в охлаждающую жидкость, он разрушался. И мой гениальный учитель Самсон Семенович Кутателадзе предложил рассматривать начало пленочного кипения как особый гидродинамический кризис, возникающий тогда, когда образующийся у поверхности нагрева пар полностью взвешивает прилегающие к поверхности массы жидкости и отделяет их от поверхности нагревателя. Он придумал такую простую модель, по которой происходила замена потока этого пара от поверхности нагрева потоком газа, вдуваемым через пористую поверхность в холодную жидкость. И вот отсюда возник раздел науки — кризис кипения, и была построена знаменитая формула, она очень простая, сначала полученная как раз на основе чисто умозрительного анализа гидродинамического процесса взвешивания газа, а теперь прописанная в каждом учебнике. Но для того, чтобы все это начало в РБМК надежно работать, десятки тысяч экспериментов проведены, в тысячах статей проанализировано, как та же вода кипит, высыхает, циркулирует, как она ведет себя на ТВЭЛах, как происходит теплообмен.

— Подмывает спросить, как же при столь детальной теплофизической просчитанности у нас именно с РБМК случилась такая беда?

— В Чернобыле-то? Аварию, которая там произошла, несмотря на весь ее трагизм и последующий героизм людей, я считаю совершенно идиотской. Просто абсолютная глупость. Сверхглупость людей, ничего не смысливших в теплофизике реакторов и, видимо, решивших классику переписать. Вот представьте, у вас тысячи трубок внутри реактора, внутри них течет вода. Тепловой поток везде одинаковый. Вот я выбрал базовый режим работы реактора, так как мне нужно, чтобы в каждую трубку входило одинаковое количество воды. Когда скорость воды большая на входе и большое давление обеспечивается повсеместно, то существует и гарантия, что большой перепад давления обеспечит повсеместно равномерный расход воды и соответственно теплосъем с ТВЭЛов. А что сделал человек, который стал «науку делать»: он придумал, что надо научиться работать на пониженных режимах реактора, чтобы меньше нагружать при необходимости турбинный цех. Вот и стали пробовать уходить на более низкие режимы работы реактора, а раз более низкое тепловыделение — давление воды меньше, перепад меньше. В некоторые трубки стало попадать меньше воды — и все. Вода испарилась, теплу деваться некуда, трубка расплавилась, вода пошла в корпус, а там взаимодействие с графитом — получился водород. Водород взорвался, и вот она — идиотская совершенно, непоправимая беда. Его, «ученого» этого, под суд надо было сразу отдать, как только он начал с этой идеей носиться.

— В последнее время все больше говорят о ядерных энергоблоках с так называемой внутренне присущей естественной безопасностью, о реакторах на быстрых нейтронах с металлическим теплоносителем.

— Да, такие реакторы — это мечта, которая красива и безупречна с теоретической точки зрения. Безупречна абсолютно. Но как сделать сам реактор с жидким металлическим теплоносителем — это практическая проблема, тут много еще надо науки и уж без инженерного творчества никак не обойтись. В этой области сейчас необходимо решать проблемы теплофизики уже с другими материалами, и их решение должно показать реализуемость этих реакторов, работающих несколько на других принципах, чем привычные РБМК или ВВЭРы.

Для войны и космоса мы похожее делали, но там была совсем другая энергетика: в космосе 100–150 киловатт, а для Земли надо много больше — десятки мегаватт, и проблемы, конечно, другие. Еще в 1960-х годах в институте мы кипятили смесь калия и натрия, изучали это дело. Под руководством Кутателадзе был выполнен цикл теоретических и экспериментальных работ по исследованию теплоотдачи и гидродинамики движения жидких металлов в трубах и различных каналах. Вы знаете, теплообменники ядерных реакторов спутников, которые летают в космосе, работают на расплаве калий—натрий. Сейчас возобновляется работа со свинцом. Вот был проект прекрасный БРЕСТ (быстрый реактор естественной безопасности со свинцовым теплоносителем. — « Эксперт» ), я начинал в нем работать. Я уверен, что можно сделать на свинце такой реактор, и сейчас говорят о похожем проекте «Прорыв», но против него, уже вижу, ополчаются противники.

— Мы брали у руководителя этого проекта Евгения Адамова интервью и написали статью о том, что есть красивая идея за десять лет создать работающий образец такого реактора с попыткой замыкания ядерного топливного цикла ( см. « Как в августе сорок пятого» в № 45 « Эксперта» за 2012 год). Нам стали звонить, говорить, что мы потакаем новым « Панамам», рассчитанным на коррупционное освоение бюджетных денег.

— Панама-то в результате работает, слава богу. А преимущества такого реактора очевидны: новое топливо, воспроизводящее плутоний, сам свинец — идеальная радиозащита. Физически очевидно, что ядерная безопасность у такого реактора должна быть гораздо выше, чем у реакторов предыдущих поколений. Опасность теплового взрыва меньше, потому что нет больших объемов воды, как у тех же ВВЭРов. Деньги на все это, конечно, потребуются большие — около 4 миллиардов долларов.

А что касается мнений, то была похожая дискуссия в этой самой комнате, в которой мы с вами разговариваем. Я одному такому известному критикану сказал: «Ты руками-то не маши, ты подумай, ведь все можно сделать, все можно». Если взяться по-настоящему, получится проект. Вот там, на быстром свинцовом реакторе, например, одно из основных препятствий — это то, что свинец окисляется с материалом любым. А я много работал когда-то с ракетчиками, с их нитями угольными, они же держат 1500–1700 градусов, причем в окислительной среде. Их, например, можно использовать в быстрых реакторах. Они не окисляются, они страшно прочные. Движки-то ракетные, их же никто не делает сейчас полностью из металла. Они все наматываются из тоненьких углеродных нитей. Впервые это начал делать академик Виктор Протасов в подмосковном Хотькове (почти все композитные конструкции для ракетных комплексов «Темп-2С», «Пионер», «Тополь», «Д19» и других были созданы на «фирме» Протасова — в Центральном НИИ специального машиностроения. — « Эксперт» ). Сейчас корпуса двигателей больших и маленьких ракет мотают из этих нитей. Они суперлегкие, суперпрочные и легко держат нужную температуру. Там, конечно, возникает проблема пластичности, но с помощью новых материалов, специальных прокладок можно решить и ее. Сейчас в мире много работают с похожими нитями. Мы заказали подобные «чулки» для имитатора быстрого реактора, они будут держать эту температуру в свинце. Я уверен: еще пару лет, и главная проблема — окисление — будет решена.

Мой любимый философ Герберт Спенсер утверждал, что прогресс — это рост разнообразия качеств. Потому я считаю, что должна развиваться разнообразная энергетика: и атомная, и тепловая, и ветряная, и приливная

Фото: Антон Уницын / Grinberg Agency

— В этом проекте есть, видимо, и ваш профессиональный интерес — изучить процессы теплообмена свинцового теплоносителя в новом реакторе.

— Как я говорил, по калию и натрию мы провели у нас в институте тысячи опытов, а по свинцу пока мало что сделано. Со свинцом исследований гидродинамики течения совсем мало, а там течение турбулентное, перемешанное. Как происходит турбулентность в тяжелых металлах, никто толком не знает. Не решена главная проблема — неравномерность распределения тепловых потоков по периметру ТВЭЛов жидкого свинца, у которого очень большая теплопроводность. Технические трудности, разумеется, и другие будут: разрушение ТВЭЛов, использование нового топлива — все это еще только предстоит изучить. Но все эти трудности возникали и при работе с другими реакторами — и проблемы были решены. А вот в людях, в кадрах трудности будут. Потому что за это вот безвременье в науке люди разбежались, особенно в Москве. Я постараюсь Адамову помочь в мобилизации Сибирского отделения академии. У нас в новосибирском Академгородке ученый народ крепче сидит, и я прикинул, кто может принять участие в проекте. Согласились три сибирских академических института: Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера, Институт катализа имени Борескова; ФГУП ФНПЦ «Алтай», разработчик МБР, боеголовок и взрывчатых веществ, во главе которых стоят такие известные академики, как Александр Николаевич Скринский , Валентин Николаевич Пармон и Геннадий Викторович Сакович. Без таких проектов как расти науке? Американцы, французы — все равно рано или поздно сделают свинцовый проект на быстрых нейтронах.

Вот вы спрашивали, как связана моя научная деятельность, работа моего института с «Глобальной энергией», а ведь у меня есть и прямой ответ. В формулах для норм расчетов котельных агрегатов, созданных в 50–70-х годах прошлого века, половина принадлежит Кутателадзе и его коллегам, еще часть — Институту теплофизики СО РАН. Невозможно ведь делать новое энергооборудование, не имея норм расчетов. Для создания энергетических машин инженерам нужна пища, вот мы ее и даем — и будем давать дальше. Станем исследовать турбулентность жидких металлов, теплообмены разные, там же никто толком не мерил, и потому неожиданности могут открыться фантастические. Помимо того, глядишь, и у нас самих может получиться какая-нибудь прикладная разработка.

— Владимир Елиферьевич, Институт теплофизики курировал проект первой в мире бинарной Паратунской геотермальной станции. Пишут, что вы лично заложили основы теории абсорбционных тепловых насосов и выпускаете уже четвертое их поколение, разработали еще ряд направлений экологически чистой энергетики и энергосберегающих технологий.

— Первую бинарную станцию, Паратунскую ГеоЭС, поставили на Камчатке Самсон Кутателадзе, профессор Розенфельд и их ученики Москвичева и Петин. Действительно это была первая в мире станция, где геотермальным теплом разгонялся фреон, и он уже крутил турбинку. Потом наши ребята-инженеры, ту станцию проектировавшие, переехали из Харькова в Тель-Авив и создали известную фирму «Арманд», она сейчас выпускает турбины на озонобезопасных фреонах. Все от нас пошло, забегая вперед, я подумываю такую технику и наши тепловые насосы в комплексе с водородными топливными элементами использовать. С геотермальной энергетикой я, в свою очередь, вплотную столкнулся, когда занимался теми же тепловыми насосами, и сейчас понимаю, что ничего нельзя идеализировать из таких технологий: где-то это пойдет, где-то просто невозможно использовать. Не потому, что не выгодно, а, например, из-за экологии. Как устроен тепловой насос? Он перекачивает тепло низкого потенциала в тепло более высокого. Ты берешь более теплую воду из-под земли, греешь фреон, а охлажденную в системе воду возвращаешь обратно в землю. У нас на Байкале работают две маленькие станции. Они берут воду с температурой 6 градусов, а сбрасывают в озеро с температурой 3 градуса, и за счет этой разницы тепловой насос отапливает помещения. Путин был там, видел и удивлялся, но там есть куда сбросить воду. Мы много ставили таких насосов и в других местах. Берешь подземное тепло, — а в Новосибирске много мест, где вода под землей с температурой 30 градусов, бери да радуйся, — а сталкиваешься с бедой. И мы поняли это после пяти-семи лет эксплуатации. Воду-то ты отработал и качаешь ее назад в скважину, а она забивается внизу, некуда ее деть, мы и не подозревали, что воду грунт отдает легко, а принимает назад ее очень долго и тяжело, а в какой-то момент совсем перестает. Выливать в реки? Выливали мы в Чергу на Алтае, ну и сразу лучшая река района стала портиться. Пришлось ту станцию закрывать.

— Вы как- то рассказывали нам, что технологии электроэнергетики развиваются таким образом, что стремятся к использованию все большей доли водорода из состава горючего, что сам водород — идеальное топливо. Но, похоже, и традиционные источники энергии проживут еще не один десяток лет.

— У водородной энергетики и экономики в конечном итоге, я думаю, лет так через тридцать, громадное будущее. И уже элементы этого будущего наметились: бегают разные водородные автомобили, разрабатываются и испытываются технологии различных топливных элементов. Конечно, все будет двигаться в этом направлении. Смотрите, жгли древесину как топливо, водорода там совсем немного, стали жечь уголь — водорода в нем побольше, стали жечь газ — в метане еще больше доля водорода. Соединенные Штаты Америки с населением в пять процентов от мирового потребляют 25 процентов мировой энергии или что-то около того. При достижении 95 процентами населения Земли уровня потребления энергии, уже существующего в США, будут использованы все углеродсодержащие топлива в мире, и человечество окажется на пороге практической гибели в результате необратимой гибели природы. Потому-то сейчас выходят на использование самого водорода, это уже вопрос выживания. Потом, самое выгодное — водород жечь. Это ясно, потому что техника станет намного компактнее. Сравните паровой угольный котел и топливный элемент — это уже совсем другая машина. Если говорить языком теплофизики, в чем главное преимущество водорода? При сжигании любого органического топлива работает термодинамика обратимых процессов, где максимальный теоретический КПД, определяемый как разница верхней температуры пара минус температура окружающей среды, деленная на нижнюю температуру, для комбинированного цикла газ—пар составляет 55 процентов максимум. А при использовании водородных топливных элементов работает совсем другая термодинамика — необратимых процессов, тут уж КПД может достигать 95 процентов. Но водород — все же дело будущего. Другое направление — это миниатюризация элементов традиционной тепловой энергетики: так, благодаря новым материалам и более тщательному изучению различных термодинамических процессов диаметр трубок котельных агрегатов можно уменьшить с 20 до 5 миллиметров. Представляете себе масштаб революции, которая ожидает привычную нам теплоэнергетику!

Мой любимый философ Герберт Спенсер утверждал, что прогресс — это рост разнообразия качеств. Потому я считаю, что должна развиваться разнообразная энергетика: и атомная, и тепловая, и ветряная, и приливная. Разные станции надо строить, единственное, против чего я категорически возражаю, — это биоорганическое топливо.

Все это найдет своего потребителя. Пример: сейчас человечество стало стремиться жить в небольших городах, в маленьких поселках; зачем в какую-нибудь глушь линию передачи тянуть — там будет небольшая локальная энергетика. Вот у меня домик в тайге, там у меня печка на дровах, которая без всяких двигателей вырабатывает электроэнергию, просто используя устройство с ячейками Пельтье — телевизор работает, свет горит. Или топливный элемент водородного автомобиля можно к домашней сети подключить. Но не надо только это к большому заводу пытаться пристроить.

— Вы призываете развивать энергетику, а многие требуют умеренности в ее наращивании, раз нет взрывного роста экономики.

— Чем электроэнергия отличается от обычного рыночного продукта? У нее нет разнообразия качеств, разве что одно — частота должна поддерживаться на определенном уровне. Там нет бренда. Электроэнергия — нерыночный в общепринятом смысле продукт, потому что ее нельзя запасти. Запас на будущее — это когда ты вводишь новую мощность. Не надо верить тем, кто говорит, что плановое развитие энергетики в стране преувеличено, что надо строить в меру, так как наш валовой продукт маленький и останется небольшим. Они не понимают, что рост валового продукта — явление нелинейное, и я верю, анализируя то, что у нас сейчас с экономикой происходит, что Россию ожидает очень бурный подъем, промышленный бум, и у нас при умеренном подходе может просто не хватить электроэнергии. У нас уже сейчас за счет бурного строительства подушевое потребление электроэнергии выше, чем в лучшие советские годы. И поэтому я считаю, что энергетику, электроэнергетику надо развивать. Это продукт высокого качества, высокотехнологичный, спрос на него будет расти — и экспортный, и внутренний. Поэтому нужно строить и гидростанции, и тепловые станции — и большие, и маленькие. Угольную энергетику надо быстро развивать, линии передачи, локальные станции строить, ни в коем случае не ограничиваясь только наращиванием энергетики ядерной.

— Владимир Елиферьевич, как получилось, что академический Институт теплофизики стал одним из немногих научных заведений, которые начали заниматься проблемами — и научными, и практическими — оборудования для энергетики? Это перетекло из военных программ как- то?

— Нет-нет, вы представляете, когда мы только начинали работать, нам до 1967 года запрещалось даже заключать хоздоговоры. Нам давали в громадном количестве бюджетные деньги и говорили: «Делайте, ребята, что хотите». И вот за те годы, я сейчас удивляюсь, сколько мы понаворотили в науке здесь в Сибирском отделении Академии наук и у нас в институте.

— А как спрашивали? Мало ли на что вы эти деньги потратите? Это не может на одной совести держаться.

— Может, и держалось, но не только на совести. Есть люди, которые любят саму науку, любят думать, спрашивать у природы, почему и как, таких на контроле держать было не нужно, тогдашние руководители страны это хорошо понимали. Ну и мне повезло, у меня так голова устроена, что я все время задаю вопросы: а почему, что будет, если? Вот не так давно задался вопросом — уж отвлекусь, — что будет, если я возьму и жидкий азот под воду вспрысну. Если на воду — ясно, что будет, каждый видел — кипит там, замерзает. А если под воду? Взяли бутылочку с азотом, кинули в ведро, грузик привесили. Она взорвалась с эквивалентом тротиловым, мы там подсчитали, 0,8. Разнесло ведро, лаборанты успели убежать, увидев, как расширяется этот пузырь. Сейчас мы что делаем? Мы под воду при большом давлении вгоняем жидкий азот. Правда, к сожалению, оказалось, опередили нас чуть-чуть американцы — в 2010-м они проводили похожие эксперименты в попытках создания реактивного двигателя на азотно-водяной смеси. В воду вгонять азот, тот вскипает и выталкивает струю — вот и двигатель. Мы для другой цели совсем изучаем: для получения газогидратов необходим сильный источник давления. И вот буквально на днях обнаружили, что давление может быть доведено до 600 атмосфер взрывом азота в воде в камере. Будем изучать — как растет этот пузырь, как идет волна.

Настоящий ученый не может не искать. Петр Леонидович Капица , очутившийся под домашним арестом за то, что отказался участвовать в атомном проекте, увидел, как по оконному стеклу стекает пленка дождевой воды. Он заметил волны, бегущие по этой пленке, и написал для них уравнение. На это открытие Капицы ссылок в литературе, наверное, не меньше, чем на его нобелевские работы по сверхтеплопроводности, так как эти волны значительно усиливают процесс передачи тепла, играют колоссальную роль в энергетических установках и в установках химических производств. И знаете, я сумел завершить эту работу великого ученого: Капица думал, что те волны капиллярные, а я доказал, что они кинематические.