Продолжение. Начало здесь:

Музыка науки

Музыка науки 2

ЧАСТЬ 2. ВИХРИ ВРАЖДЕБНЫЕ

Говорят, что первую половину жизни человек работает на репутацию. Во второй половине - репутация работает на него.

- Лаборатория успешна на протяжении 30 лет, - говорит П.Г. Фрик. - И это только благодаря тому, что идет сочетание задач: тех, что относят к фундаментальной науке и тех, что считаются прикладными. Вот смотрите. Мы традиционно и давно занимались конвекцией в кубике, еще тогда, когда я только кандидатскую диссертацию делал...

Тут не удержусь от легкой иронии. Эти кубики... Они рассыпаны по всем научным лабораториям, аудиториям и кабинетам. И молодые люди с растрепанной шевелюрой, и пожилые, видавшие виды ученые с серьезными и проницательными глазами, играют в эти кубики с увлечением, которому может позавидовать любая мамаша малыша. Лучше всего, если этот кубик будет «единичный», то есть со стороной равной одной метрической единице, например, одному сантиметру. А если из каждой плоскости кубика будет торчать наружу или вовнутрь стрелка, тоже «единичная», символизирующая любезную исследователю величину, то лучшего в этой жизни и желать нечего. Ну, разве что, выставить такой кубик перед парадным входом, чтобы все аспиранты, перед тем, как зайти в храм науки, преклоняли пред ним колена. Но я ушел от темы, хотя и недалеко, пусть простят меня те из читателей, кто нашел силы и терпение добраться до этого места.

LUCKY BREAK

- Да. Такой вот кубик, - подтверждает П.Г. Фрик.- Брали кубик воды в прозрачной емкости. И вот мы грели его снизу, охлаждали сверху. Потом одновременно сверху, снизу и сбоку. Интересно, что там происходит. И вот сколько я работаю, к этому кубику под разными углами (в плане подходов к изучению) периодически возвращались опять. Понятно, что на основе этих исследований следовали публикации в научных журналах. И вот когда к нам приехали представители ОКБМ «Африкантов», мы доложили им свои представления на основе этого кубика. И первая задача у нас как раз была с кубиком. Мы заключили договоры. И я, не стесняясь, всем стал говорить: в жизни не мог даже подумать, что кто-нибудь когда-нибудь будет платить деньги за кубик. Потому что всегда мне казалось, что это абсолютно чистая академическая задача.

ИНТЕРМЕЦЦО

«Опытное конструкторское бюро машиностроения имени И.И. Африкантова» (АО «ОКБМ Африкантов») входит в состав машиностроительного холдинга Госкорпорации «Росатом». Это крупный научно-производственный центр атомного машиностроения, располагающий многопрофильным конструкторским коллективом, собственной исследовательской, экспериментальной и производственной базой.

Предприятие образовано в 1945 г. постановлением СНК СССР. Большую роль в его становлении сыграл И.И. Африкантов - главный конструктор (с 1951) и начальник (1954-1969) предприятия. Коллектив ОКБМ внес большой вклад в развитие атомной промышленности, энергетики и флота России. С участием АО «ОКБМ Африкантов» было создано и эксплуатировалось более 500 ядерных реакторов и установок.

- Но почему «Африкантовы» решили приехать именно к вам? - спрашиваю у П.Г. Фрика. - Не наугад же?

- Какие-то статьи, публикации эти люди, надо полагать, заметили. Не было бы у меня хороших работ двадцатилетней давности, которые попали Будникову в руки, не приехали бы они. Везде все так и делается.

В Пермь приехали ведущий специалист Департамента научного сопровождения проектов ОКБМ «Африкантов» Алексей Владимирович Будников и начальник лаборатории этого Департамента Владимир Иванович Фомичев. Потом выяснилось, что они набрели не только на статьи, но и проштудировали старую монографию В.Д. Зимина и П.Г. Фрика по турбулентной конвекции. И пришли к выводу, что если в России есть конвекция, то это в Перми, значит, надо ехать, разговаривать и пытаться пермских гидродинамиков к этому делу подключать.

<Конвекция - перенос тепла потоком жидкости образующимся при неравномерном нагреве>.

- Первая совместная работа была с водой: конвекция, конвективный теплоперенос, турбулентные течения с большими неоднородностями температуры. Цель работы - экспериментальные данные для верификации численных кодов, используемых при проектировании реакторов, - говорит П.Г. Фрик.

В процессе работы встречались, обсуждали результаты. В очередной приезд в Пермь представителям ОКБМ «Африкантов» устроили ЭКСКУРСИЮ (обратите внимание) по лаборатории. П.Г. Фрик: «Мы же открытые люди. Мы же хвастаемся всем тем, что у нас есть. Показали водяные торы, галлиевый, титановый и бронзовый торы».

- Постойте, - спросили они, - вы что и с жидким натрием работаете?

- Конечно.

И это был сюрприз. Счастливый случай. Lucky break, если перейти на язык научного общения. Что называется, не было ни гроша, да вдруг алтын. Вот и развязка той интриги, о которой выше мы говорили. Вернувшись домой, представители ОКБМ доложили о пермяках в том отделе, который занимается разработкой и проектированием реакторов на быстрых нейтронах. Тех, что действуют на Белоярской атомной электростанции.

ИНТЕРМЕЦЦО

Реактор на быстрых нейтронах позволяет превращать отработавшее ядерное топливо в новое топливо для АЭС, образуя замкнутый цикл использования ядерного топлива, и позволяя вместо доступных ныне 3%, использовать около 30% потенциала ядерного топлива, что обеспечит перспективу ядерной энергетике на тысячелетия.

В активной зоне реактора не должно быть эффективных замедлителей нейтронов, то есть, принципиально недопустимы вещества с легкими ядрами вроде водорода. Поэтому вода и углеводороды не могут использоваться в системе охлаждения реактора. Это требование вынуждает использовать в качестве теплоносителя легкоплавкие металлы: натрий, свинец.

В сентябре 2016 года российские атомщики успешно протестировали на полной мощности новый и мощнейший в мире энергоблок с реактором на быстрых нейтронах - БН-800 Белоярской АЭС (880 Мегаватт). Разработанная на базе этого и предшествующих реакторов проектно-конструкторская и производственная инфраструктура, явилась основой для дальнейшего развития технологии при разработке проекта БН-1200 (1220 Мегаватт).

Почему было сказано - «счастливый случай»? Ну, потому, что какие-то обстоятельства могли воспрепятствовать экскурсии по лаборатории. А «счастливый» - по двум причинам. Первая заключается в том, что для лаборатории физической гидродинамики ИМСС этот случай положил начало новому спектру научных работ. Вторая причина: в ОКБМ «Африкантов» экпериментальные работы с натрием не ведутся. Все эксперименты проводят там на воде. А Госкорпорация Росатом выставляет конструкторам и расчетчикам принципиальные требования. Любые расчеты, любые численные модели должны быть верифицированы экспериментом, причем именно на тех материалах, которые задействованы в реальных системах действующих или создающихся реакторов.

Тут речь вот о чем.

- В физике обычно как делают, - объясняет П.Г. Фрик. - Есть хорошо разработанная теория подобия. Допустим, я хочу узнать, как все происходит в жидком натрии, но у меня есть только ртуть. Ртуть лучше натрия тем, что она жидкая при комнатной температуре. Она, конечно, ядовита, то есть опасна по-своему. Но зато не взрывается, как натрий. Я могу провести анализ подобия и сказать, в каком случае я могу на ртути промоделировать процесс, а в каком не могу. Но Росатом говорит: про теорию подобия забудьте. Если у нас атомная станция работает с натриевым теплоносителем, все эксперименты должны быть выполнены на натрии. Вы сами (где-то там, у себя) можете молиться на теорию подобия и верить в то, что такие эксперименты можно провести на ртути или на галлии - это ваше дело. А у нас, если натрий, то все должно быть на натрии.

Система охлаждения реактора (то есть переноса тепла от активной зоны в парогенератор) - сложнейшее сооружение, содержащее трубопроводы от тонких до толстых, диаметром до 800 миллиметров, запорную арматуру, насосы, контрольно-измерительные приборы. Повсюду образуются зоны, где температура «ходит туда-сюда», то есть возникает пульсации температур, возникают в результате такой пульсации напряжения в конструкциях. Эта термоциклика может привести (и приводила на реальных реакторах) к аварии. А что такое авария с возгорающимися на воздухе тоннами жидкого натрия - лучше не напрягать воображение. Говорят, что единственной мерой, которая может быть предпринята в случае подобной аварии - как можно быстрее покинуть зону опасности.

Вот почему здесь действуют особые методики научных исследований. Это касается и численных методов. Несмотря на то, что в ОКБМ «Африкантов» есть очень сильная команда численников, только их расчеты в расчет не принимаются. Необходимо, чтобы компьютерное моделирование по тем же исходным данным провели по своим машинным кодам (программам) сторонние организации, иногда и коммерческие. Все группы считают в закрытом режиме, не зная результатов коллег. В том же режиме действуют и экспериментаторы. Задача считается решенной, когда все результаты совпадают.

ДЕЛО - ТРУБА

Для работы с Росатомом была создана исследовательская группа из молодых тогда сотрудников лаборатории физической гидродинамики ИМСС. Первая задача была сформулирована так - исследовать конвективные потоки в цилиндрическом канале с наклоном.

Откуда пришла задача. Жидкий натрий идет от реактора к теплообменнику по трубопроводам общей длиной в сотни, если не тысячи 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 останавливают, 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, да еще и как. Можно сказать, перегревается. 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». Они 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.

То есть надо взять для эксперимента отрезок трубопровода с определенным соотношением длины и диаметра. Заполнить его жидким натрием. С одного конца подогреть, с другого охладить и посмотреть, насколько эффективно тепло передается по такому отрезку трубы.

Жидкий натрий. Наверное, надо все-таки рассказать поподробнее о том, что это за зверь такой, и почему не всякий научный коллектив берется его укрощать. Натрий 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.

Сама экспериментальная установка особой сложности не представляет. Цилиндрическая труба из нержавейки, заглушенная с двух сторон через фланцы толстыми медными дисками. Есть расширительный бачок, в который поступает избыточный натрий, получающийся при нагреве. Сама труба закреплена на раме, которая может поворачиваться. Нижний торец трубы подогревается, верхний охлаждается.

- Навыки работы с натрием у нас уже были, - рассказывает научный сотрудник, кандидат физико-математических наук А.М. Павлинов.- Не было опыта работы с натрием на таких больших температурах. Постепенно мы пришли к выводу, что основное средство измерения - это термопары. Как раз в этот момент, в 2012 году, я посоветовал привлечь Мамыкина к этим делам. Он очень активно начал работать и хорошо вписался. И мы сразу начали с этих задач. «Мы» - это вся рабочая группа и мы, только что поступившие в аспирантуру.

ИНТЕРМЕЦЦО

Павлинов Александр Михайлович, научный сотрудник, кандидат физико-математических наук.

Научные интересы: магнитная гидродинамика, измерительные системы, радиоэлектроника.

С раннего детства интересовался всем, что связано с электроникой. С семи лет собирал различные простые устройства: радиоприемники, сигнализации, генераторы по схемам из журналов «Моделист-конструктор», «Юный техник», «Техника - молодежи», «Радио». Закончил школу №9 г. Перми. Поступил в Пермский государственный университет на специальность Радиофизика и электроника. Курсовую работу третьего курса выполнял на базе лаборатории физической гидродинамики ИМСС у Ильи Колесниченко. Потом появились самостоятельные задачи, на первых порах чисто инженерные. Специализации связанной с гидродинамикой в университете не было, пришлось вникать самостоятельно. А.М. Павлинов: «Нет, здесь никогда не было ни со мной, ни с другими, чтобы на них сразу вываливали мешок книг и отправляли домой учить материал, и чтобы не возвращался, пока не освоишь, пока не будешь способен в этом ключе думать. Здесь все демократично. По мере надобности, если возникают вопросы, можно спросить у коллег, у Петра Готлобовича. Если же вопрос фундаментальный, на который не ответишь за минуты, советуют литературу. Начиная с Ландау-Лифшица, кончая специализированными изданиями».

А.М. Павлинов совместно с Р.А. Степановым и В.И. Носковым занимался исследованиями, связанными с МГД-динамо на титановом торе. Им удалось зафиксировать эффект, ответственный за усиление поля - альфа-эффект, ослабляющий - бета-эффект: уменьшение электропроводности за счет возникновения турбулентности. Получен также гамма-эффект и измерена величина этого коэффициента (что он означает лучше не объяснять). Все еще впереди - мы помним, что слагаемых в разложении МГД-динамо известно более тридцати.

ИНТЕРМЕЦЦО

Мамыкин Андрей Дмитриевич, научный сотрудник, кандидат физико-математических наук.

Научные интересы: конвекция, теплообмен, турбулентность, МГД-технологии, эксперимент.

Закончил лицей №2 при Пермском государственном университете, затем университет по специальности Радиофизика и электроника. По совету однокурсника Александра Павлинова подал документы в аспирантуру ИМСС. А.Д. Мамыкин: «Павлинов и раньше постоянно рассказывал об этом институте, об интересных вещах, о том, как он плавит металл, измерения в нем производит, установки создает, какие-то статьи пишет и публикует. Это как-то завораживало: еще студент, а уже человек науки. И вот говорит: приходи, посмотри. Я пришел. Меня сразу перехватили Руслан Халилов и Илья Колесниченко и провели всеобъемлющую ЭКСКУРСИЮ (выделено авт.). О работах своих рассказали. О том, что велись работы по МГД-динамо, что это магнитное поле, создаваемое в недрах Земли движением жидкого металла - о таком я раньше не думал и не слышал. В общем, стало интересно. Ну, меня замотивировали, я понял, что хочу здесь работать. Мне сказали, что люди нужны. Иди к Петру Готлобовичу, скажи, что ты опытный радиофизик...»

Опыт - опытом, навыки - навыками, а каждая новая задача начинается с нуля. Размеры были заданы - это отрезок трубы диаметром 20 см и длиной 1 метр. Сперва - расчеты. Потом - размышления о том, как это будет выглядеть в реальности. Нижнее дно изготовили из толстого медного диска - с одной стороны он контактирует с натрием, с другой стороны к нему подводится тепло. То есть, он служит как барьер и как выравниватель температуры по площади донышка. Рассчитали, что к нему надо подавать 6 киловатт тепловой мощности, чтобы разогреть натрий до 300 градусов. В качестве нагревателей использовали «блины» от бытовых электроплиток. Каждый блин выдавал 2 киловатта. Значит таких блинов надо три. Их расположили друг под другом с медными прослойками между ними. В прослойках отфрезеровали полости для блинов и каналы для подвода проводов к нагревателям. Всю эту конструкцию стянули болтами.

- Выглядело все неплохо, - рассказывает И.В. Колесниченко, - но на самом деле, все было очень непросто. Во-первых, возникали тепловые потери, во-вторых, все это может привести и к замыканию, потому что возникают тепловые деформации. Подбирали изоляцию проводов, дли фиксации наносили эпоксидную смолу. Все работало не с первого раза. Но у нас было время на то, чтобы все доработать...

С системой охлаждения верхней части трубы хлопот было не меньше. Пробовали масляный теплообменник с радиатором от КАМАЗа, получилось громоздко, неудобно, потом еще масло потекло... Перешли на воздушное охлаждение.

- Может сложиться впечатление, что мы изо дня в день, с утра до вечера только и бились над этой задачей, - говорит И.В. Колесниченко. - Это. конечно, не так. У каждого из нас по 3-4 текущих задачи. Кто-то освобождается, переходит работать на эту установку, кто-то возвращается к своим задачам. Ведь не бывает так, что возникла идея, и все сразу бросились ее реализовывать. Ну, допустим, решили перейти на воздушное охлаждение. Значит, нужен вентилятор. Надо идти в магазин или заказывать. Но прежде, чем пойти в магазин, надо понять, какой именно вентилятор нужен. Значит надо сесть и посчитать.

Чтобы сохранялись необходимые условия, всю установку теплоизолировали, обматывали трубу и подводящие трубопроводы минеральной ватой. Много проблем возникало с расширительной емкостью. Она должна быть обязательно герметичной, иначе - пожар.

Отдельная песня - измерительные приборы. Индукционные датчики скорости надежд не оправдали. Из-за перепадов температур и турбулентного развития течения они не могли измерять скорость в принципе. Аппарат Допплера (уникальный прибор - таких аппаратов всего два в России), тоже неприменим из принципиальных (имеется ввиду, принцип работы) соображений: он срабатывает на неоднородные примеси в потоке, а примесей содержаться не должно (требования Росатома), натрий должен быть чистым. Остаются только термопары.

Специалистом по изготовлению термопар стал А.Д. Мамыкин. И это тоже была та еще эпопея.

- Получилось так, что я стал специализировался на температурных измерениях, - вспоминает А.Д. Мамыкин. - Была куплена термопарная проволока. Это трубка из нержавеющей стали, внутри минеральная изоляция, а в ней две проволочки - хромель и алюмель. Это бухта, без всяких термоспаев, без всяких отводов для подключения к кабелю.

А.М. Павлинов:

- Андрей отрезал кусок этой проволоки. Вытравливал кислотой концы трубочки из нержавейки, освобождал проволочки, а они очень тонкие. Потом эти волоски высокотемпературным припоем на основе меди спаивал. Потом снимал трубочку на другом конце. Вместе с ним мы крепили к термопаре специальные контактные площадки: припаивали к ним трубочку, разводили эти волоски. Чуть перегнешь - они ломаются... Это была кропотливая и долгая работа. И на выходе мы имели такой квазипромышленный датчик, у которого клеммная колодка с винтиками для присоединения удлиняющего кабеля. А другой запаянный конец дружит с натрием.

Паять термопары считается искусством, которое не каждому под силу. Спаивать вместе два хрупких, готовых сломаться волоска диаметром 0,2 миллиметра - работа, требующая хорошего зрения, твердых, точных движений и адского терпения. Подбадривало знание того, что в Московском энергетическом институте есть уникальная женщина, которая умеет паять термопарные проводочки толщиной в единицы микрон. Правда, делает она это под микроскопом, в день по одной термопаре. И не в каждый день - тут нужен особый психологический настрой.

Потом термопары неоднократно тестировали, проверяли. Калибровку проводили на масляной ванне с помощью образцового термометра.

Термопары решили вставлять в канал через длинные трубки, чтобы преодолеть слой теплоизоляции. Трубки приварили к основной трубе из нержавейки, там где для них были предусмотрены отверстия. И это оказалась очередная головная боль. При сварке отверстия деформировались и ни одна термопара не желала пролезать вовнутрь. Обратились в институтские мастерские за помощью. Опытные мастера осмотрели трубу и дали заключение: ничего не получится. Если рассверливать дырку, то делать это можно только через приваренную трубку, а она длиной 20 сантиметров. Миллиметровых сверл такой длины в природе не существует. Так что надо заказывать новую трубу.

Легко сказать. На это опять уйдут месяцы ожидания. Но мы все-таки недаром привели слова гениального футбольного тренера Фергюсона о молодых, которые способны лезть через колючую проволоку вместо того, чтобы искать калитку. Нельзя высверлить снаружи, значит надо сверлить изнутри. Покопавшись в интернете, они обнаружили гравировальный инструмент фирмы «Дремель» с угловой насадкой. По габаритам инструмент пролезал в трубу.

И вот такая «картина маслом», если использовать ставшее крылатым выражение начальника Одесского угро Давида Гоцмана в исполнении Владимира Машкова. «Золотые руки» и иронически настроенные умы институтской мастерской пришли посмотреть, как эти «белые воротнички», эти «пролетарии умственного труда» будут совершать технически невозможное. Или, думается, им просто хотелось вникнуть в суть внезапно охватившего ученых безумия.

- Мы примотали «Дремель» изолентой к деревянной рейке, - рассказывает Илья Колесниченко, - я ухватился за нее, просунул инструмент вовнутрь. Кто-то светил фонариком с противоположного конца трубы, Руслан Халилов заглядывал через медную трубочку в отверстие...

Звучали команды: «Еще... еще... еще... еще... назад... вперед... ПОПАЛ!» Визг инструмента. Одна дырка готова. А всего этих дырок пятнадцать с одной стороны и еще пятнадцать с другой.

- Я потом долго занозы из ладоней вытаскивал, рейку не догадались хотя бы шкуркой обработать... А «Дремель» - молодец, выдержал до конца. До тридцатой дырки. Затем задымился и обмотка сгорела.

Индукционные датчики скорости тоже вставили в трубу, но они, как и ожидалось, не сработали. Вместо них скорость потока удалось измерить термопарами, то есть, устройствами для измерения температуры.

- Кросс-корреляционный метод, - объясняет А.М. Павлинов. - Грубо говоря, этот метод известен давно. Но мы его не предполагали использовать. И по чистой случайности, просто посмотрев глазами на сигналы с соседних термопар (они установлены по высоте трубы), мы увидели, что сигналы очень похожи, но по времени на некоторую величину запаздывают. Ну, раз известно время задержки сигнала и расстояние между датчиками, то мы простым вычислением получаем скорость, которая согласовывается с нашими представлениями.

Долго ли коротко ли, скорее, долго, чем коротко, но установка была готова. Приступили к эксперименту.

Р.И. Халилов:

- Эксперимент длился две недели, вели его по очереди. Вся группа разбилась на двойки, менялись, измеряли. Причем в самое неудачное время. Это июль, жара. Натрий разогрет до трехсот градусов. Лучше было бы все это делать зимой. Не в том смысле, что физически легче. Там же нужен перепад температур. Зимой лишних двадцать градусов к разнице температур можно было бы добавить.

Но это была только половина работы. Все то же самое надо проделать на другой трубе, длиной в 2 метра и диаметром 10 сантиметров. И вот тут стоит говорить об опыте, приобретенном на первой установке. Удалось избежать многих ошибок. В том числе, и однажды случившегося пролива жидкого натрия - когда он «заморозился» на пути в расширительный бачок и образовавшимся в основной трубе избыточным давлением выдавило одну из термопар.

Полученные в экспериментах результаты оказались уникальными. В том смысле, что это были единственные результаты. В науке до этого не существовало данных о турбулентной термогравитационной конвекции в жидких металлах.

И.В. Колесниченко:

- Эти результаты получены в зависимости от двух основных видов воздействия. Первое - от величины угла наклона канала. Так как речь идет о термогравитационной конвекции, то здесь важно направление силы тяжести. Меняя угол наклона канала, мы меняем действие силы тяжести. То есть моделируем разный наклон трубопроводов в натриевом контуре реактора. Второй вид воздействия - тепловая мощность, которая закачивается в установку. Ее еще можно представить как разницу температур между двумя торцами канала.

Основной результат, который был получен, заключается в том, что наиболее интенсивно теплообмен идет при наклоне трубы в 60 градусов от вертикали. Это результат потому важен, что до этого из каких-то абсолютно общих научных соображений многие специалисты считали, что наиболее интенсивный теплообмен происходит в вертикальном положении. Это был неожиданный результат. Он зафиксирован и воспроизводится во всех, кстати, последующих экспериментах.

ИГРА В КУБИКИ

Сейчас мы разберемся с таким понятием, как «аспектное соотношение». Все очень просто. Повсюду это является отношением длины к ширине. Например, длина какой-нибудь частицы, поделенная на ее ширину. Или то же самое с соотношением сторон экрана телевизора, Эта безразмерная величина обозначается везде по-разному, чаще всего ей присваивается греческая буква «гамма». Заглавное начертание этой буквы очень похоже на нашу букву «Г», поэтому мы не будем заморачиваться греческой азбукой и с легкой душой возьмем аналог из нашего алфавита.

Теперь с помощью этого понятия определим аспектное соотношение первой трубы из двух описанных выше. Делим ее длину (100 см) на ее диаметр (20 см) и получаем цифру 5. Окончательно это будет выглядеть как Г5. Вторая труба (200 и 10 см) должна быть обозначена, как Г20.

А теперь вопрос: могли ли настоящие ученые, выполнив прикладные исследования и получив за эту работу высокие оценки заказчика и коллег из числа ученых, на этом остановиться? Конечно же, нет. Точку на этом может поставить только исследование фундаментального характера. И второй вопрос: на каком соотношении габаритных параметров они остановятся? Ну, легкий же вопрос. Вспомним про кубики. Конечно, аспектное соотношение должно быть единичным: Г1. То есть длина цилиндра 20 см, диаметр тоже равен 20 см. И пусть это будет не кубический кубик, а цилиндрический - эта тонкость значения не имеет. Цилиндрические кубики по всему миру у большого числа ученых тоже в ходу.

Под это дело стали конструировать новую установку. В ней (с запасом на будущее) предусмотрели возможность исследовать каналы начиная с Г1 до любой длины, ограниченной только габаритами помещения.

Долго думали о том, как обеспечить равномерный нагрев нижнего торца. Возникали все же сомнения в том, что имеющимся нагревателем удается получить однородное температурное поле. Возможно, что толстый медный блин и выравнивал температуру нагревателя, но не было гарантии того, что опускающийся сверху охлажденный натрий не воздействует на блин.

Возникла идея другого теплообменника. Сверху и снизу исследуемой ячейки расположить два «стакана» с жидким натрием. Вместо толстых медных пластин использовать тонкие, которые служат разделителем и интенсивно омываются жидким натрием, внизу подогреваемым ТЭНами, вверху охлаждаемым потоком воздуха. Выравнивание температуры в теплообменниках производится бегущим магнитным полем, как в электромагнитных перемешивателях. В кубик зачеканили по окружности 24 термопары в три ряда.

Один из самых интересных результатов, который был обнаружен на этой установке, это то, что помимо известного течения (от тепла к холоду и обратно), обнаружился вихрь. Он закручивался в вертикальной плоскости. Обнаружили это по датчикам температуры. Но это не все. Наблюдая за термопарами, Андрей Мамыкин увидел, что усиление сигнала в симметрично расположенных противоположных термопарах, через какое-то время переходит на соседние, потом еще дальше. То есть вихрь вращается, как кольцо, закрученное на поверхности стола, только гораздо медленнее и иногда в разные стороны.

- Точнее лучше сказать так, - поясняет Андрей. - Есть восходящий поток - перегретый. Есть нисходящий - охлажденный. Зная максимум и минимум температуры среди восьми точек, можно понять, в какой плоскости вихрь кружится. Дальше обнаружилось, что максимум возникает сначала на одной термопаре, а затем перемещается. Значит там происходит какое-то движение плоскости вихря.

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, который трудно обозначить одним термином, - говорит Илья Колесниченко. - В литературе описано такое явление как слошинг (sloshing - хлюпающий, плескание, эффект плескания). Если мы представим вихрь, как вращающееся колесо, то тогда мы скажем, что вот это слошинг и есть. С другой стороны, это колесо не только крутится, но его ось как-то перемещается, прецессирует. С третьей стороны, не просто прецессирует, а еще и торсионно прецессирует. Можно называть это по-всякому. Можно слошингом, можно торсионным слошингом, можно как угодно. Это терминологический вопрос. Но главное, что там возникают колебания, колебательный режим, который, видимо, вмешивается в процесс переноса тепла, перемешивает течение, то есть не дает эффективно переносить тепло, тем самым намного затрудняя теплообмен.

- Наши коллеги из Геттингена в Германии, - продолжает Илья, - с которыми мы тесно общаемся, узнали, что мы проводим эксперимент на коротком канале и взялись его обсчитывать. В Геттингене один из самых сильных компьютеров в Европе. И вот мы полтора года строили свою установку, а они полтора года считали. Получается, что наш эксперимент подтвердил их расчеты. Но на самом деле, то что мы получили, оказалось гораздо глубже, чем то, что они выдали в своей статье. Они интенсивность теплообмена, как характеристику выдали, в интегральном, так сказать, виде. А мы локальные нюансы поведения потоков тщательно описали.

Результаты игры в кубик были опубликованы в журналах первого квартиля.

Следует, наверное, пояснить, что такое квартиль. Все ведущие научные журналы делятся на четыре категории и обозначаются (по убыванию авторитетности) - Q1, Q2, Q3 и Q4. Попасть в журнал категории Q1 - все равно, что музыканту дать концерт в Карнеги-холле.

***

На этом, пожалуй, мы закончим вникать, насколько это возможно, в то, что делает эта команда. Перечислим только то, что проделано за описываемое нами время. Исследовано взаимодействие встречающихся потоков горячего и холодного натрия в различных тройниках и прочей арматуре для Росатома. Для этого построен натриевый контур. В то время у всех на слуху были эксперименты с Большим адронным коллайдером в Европе. По аналогии и свой контур они назвали Большим натриевым. 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. Указывать в имени контура его величину теперь благоразумно не стали - мало ли. Теперь он называется Пермский натриевый контур.

Кроме испытаний изделий других производителей, сконструированы, собраны и испытаны семь собственных МГД-насосов для Белоярской АЭС. Они приняты в эксплуатацию и успешно функционируют. 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 те же характеристики показывать и при 180 градусах и при 450.

Ну и многое другое. Отмечу, кстати, что и для меня в нелегких условиях пандемии была проведена ЭКСКУРСИЯ, доставившая мне большое удовольствие и оставившая неизгладимые впечатления.

Но в процессе всего знакомства с учеными не давал мне покоя вопрос: почему рано или поздно все, кто занимается магнитной гидродинамикой, обращают свои взоры вверх - туда, где, по нашему мнению, находится звезды, квазары, черные дыры, галактики, Вселенная? Вот и Виталий Иванович Носков - прожженый экспериментатор, тоже давно размышляет о мироздании:
- Мне уже 73-й год, - говорит он. - И я уже решил, что пора с экспериментальной деятельностью завязывать. И физические силы не те, и знания уже не соответствуют. Вон молодые совершенно свободно работают с новыми средствами измерений, о которых в наше время даже мечтать не могли. Пора на пенсию, грубо говоря. А у меня осталась задача чисто теоретическая, которой я занимаюсь давно, еще с юности. Вот ею и займусь. Я ее почти довел, почти решил. Это задача геометризации Вселенной...

И дальше я даже боюсь пересказывать. Речь пошла об устройстве Вселенной, о геометрии даже не сферической, в которой сумма углов треугольника больше 180 градусов, а о криволинейной, где эта сумма может быть какой угодно, все это сопряжено с четвертым, пятым, возможно, и шестым измерениями... И все это, боюсь, выше не только моего понимания.

Вот исходя из этого я и решил задать в несколько завуалированной форме провокационный вопрос Петру Готлобовичу Фрику. Но о нем - в Каденции.

ЧАСТЬ 3. КАДЕНЦИЯ

Каденция в музыке предназначается для выявления исполнительского мастерства солиста и строится на свободной разработке тематических мотивов. Каденцию сочиняют или импровизируют музыканты-исполнители.

Верный взятым на себя обязательствам пояснять простыми словами то, что могу пояснить, осмелюсь сказать, что каденция - это ОТСЕБЯТИНА. Поэтому за последующие размышления можно не судить автора строго.

Итак, мой вопрос заведующему лабораторией физической гидродинамики Института механики СПЛОШНЫХ сред:

- Скажите, Петр Готлобович, а разве планеты, звезды, черные дыры, всю Вселенную можно считать сплошной средой?

- Все зависит от масштаба, который нас интересует. Все со школы помнят, что число Авогадро, определяющее количество атомов в определенном объеме, - это безумно большое число. Это 10 в 22 степени. А в межзвездном пространстве оно измеряется в штуках на кубический сантиметр. Но дело в том, что если мы решаем задачу, в которой нас интересуют такие масштабы, на которых ни одной звезды не видно, потому что они очень маленькие, тогда вполне можно решать задачу, например формирования рукавов галактики, записав уравнения для сплошной среды, для жидкости.

Ну, в общем, да, понятно. Если по-другому, то можно уменьшить себя в миллион (нет, лучше в триллион) раз и прыгнуть в воду. И обнаружим что вода окажется не сплошная.

И вот какая мысль приходит в связи с этим ответом в голову. Гидродинамика - не божественная ли наука? Причем, в прямом смысле. Открываем Библию, Первая книга Бытия: «...И создал Бог твердь, и отделил воду, которая под твердью, от воды, которая над твердью. И стало так. И назвал Бог твердь небом. И увидел Бог, что это хорошо».

Ну, что ж, с Богом! Удачи вам, мыслители!

На снимках:

1. Единичный кубик в магнитной гидродинамике.

2. Схема реактора на быстрых нейтронах.

3. Г5,Г20 и Г1.

4. А.М. Павлинов и В.И. Носков у титанового тора.

5. А.Д. Мамыкин.

6. Процессы, происходящие в Г1.

7-8. Обложки журналов, в которых публикуется Пермская МГД-группа.

9. МГД-насосы.

10. Пермский натриевый контур.