Океан и космос живут по одним законам
Писатель Артур Кларк однажды заметил, что нашу планету правильнее называть не «Земля», а «Океан», потому что большая часть ее поверхности покрыта водой. Огромные водные пространства определяют условия жизни на Земле, в первую очередь – климат. Моделировать сложные и многообразные процессы, происходящие в глубинах океана, чрезвычайно сложно, занимаются этим и в Новосибирске.
Самую простую модель собрали для демонстрации школьникам. Заполненный жидкостью цилиндр вращается вокруг своей оси, в центре – емкость со льдом (это наш «Северный полюс»), по окружности – теплая вода (это условный «экватор») рядом с полюсом в жидкость добавили зеленую краску, с краю – оранжевую. Несколько поворотов сосуда, и краски начинают перемешиваться, проникать одна в другую – вот вам циклоны и антициклоны. Впрочем, это модель для тех, кто делает самые первые шаги в науке, ученые работают с более серьезной установкой: платформой, на которой специальный сосуд вращается со скоростью до 30 оборотов в минуту. Изначально планировалось закупить оборудование во Франции, но из-за введения санкций аналог создали на заводе имени Чкалова.
«Большинство звезд – это, по большому счету, вращающаяся жидкость: плотность в небесном теле меняется с глубиной, а само оно вращается. Изучать это все необходимо для понимания эволюции нашей Солнечной системы в целом», – пояснил главный научный сотрудник института Евгений Ерманюк.
Такой переход от океана к космосу неслучаен – физические законы едины для всей известной нам части мироздания. Обстановку на одном из полюсов Юпитера описывает другая модель Института гидродинамики: вращающийся цилиндр, вокруг которого движутся восемь потоков разной плотности.
Недра земли разорвут акриловым гелем
Новосибирские ученые занимаются и более приземленными, в прямом и переносном смысле, проблемами. Например, интенсификацией работы нефтяных и газовых скважин. Для этого уже давно используется технология гидроразрыва пласта: в трещину в нефтеносном пласте закачивают гель с пропантом (песком). Это позволяет «оживить» даже истощенную скважину, откуда традиционным способом добывать энергоносители уже невозможно.
Для производства геля используют растение гуар (этот гель, гуаровую камедь, широко используют в производстве косметики и даже пищевых продуктов). Основной поставщик гуара и продуктов из него – Индия. Ученые предложили заменить импортный гуар недорогим полимерным акриловым гелем. В Институте гидродинамики создали опытную установку, которая позволяет моделировать заполнение трещины акриловым гелем с пропантом, варьируя параметры геля. Причем гель можно брать любой, не обязательно акриловый: возможно, вскоре появятся более оптимальные составы. Пока сибиряки работают с гелями, произведенными на Урале.
В подобных исследованиях существует несколько подходов. Ерманюк рассказал, что в США существуют опытные установки длиной в несколько километров, которые полностью воспроизводят условия в заполняемой гелем трещине. Новосибирцы пошли другим путем: модельная установка небольшая, а основная ставка сделана на универсальный программный комплекс, разрабатываемый совместно с НГУ.
На завершение научной части проекта потребуется около двух лет. Ее итогом станет отраслевой регламент, который обеспечит внедрение научных достижений в реальное производство. Ерманюк сравнил этот процесс с использованием СНиПов в строительстве: если сейчас расчеты – это передовая наука, то в будущем они станут стандартной методикой, гарантирующей надежность для любого объекта.
Касаясь экологических аспектов технологии, ученый отметил, что опасность гидроразрыва сильно преувеличена при соблюдении определенных условий. Риск загрязнения грунтовых вод минимален, если работы проводятся в необитаемых регионах, где водоносные горизонты изолированы от целевых нефтяных слоев. В таких случаях технология остается эффективным способом быстрого повышения добычи нефти.
Взрывы в СКИФе и на рельсах
У Института гидродинамики есть конструкторско-технологический филиал. В комплексе на улице Терешковой еще со времен Лаврентьева ставили эксперименты, связанные со взрывами. Эту работу продолжают и сегодня.
Например, специалисты Института гидродинамики участвуют в создании одной из станций Центра коллективного пользования «СКИФ», предназначенной для изучения быстропротекающих процессов. Ученые разработали и изготовили две специализированные взрывные камеры, необходимые для надежной локализации взрывов в ходе экспериментов. Большая способна выдержать взрыв мощностью до 2 килограммов в тротиловом эквиваленте, малая – около 50 граммов, но сложность работы определяется не этим.
«Много юстировочных моментов, систем ввода измерений – оптических, электрических и так далее. Это достаточно серьезное оборудование. Камеры уже изготовлены, стоят на месте, сейчас будем запускать. Осторожно надеемся на первые эксперименты уже в этом году», – пояснил директор филиала Эдуард Прууэл.
Другая взрывная камера поражает своими размерами и «выдержкой» – выдерживает тысячи взрывов мощностью до 8 килограммов тротила. Она предназначена для обработки железнодорожных рельсов.
«Верхний слой высокомарганцовистой стали при мощном импульсном воздействии взрывчатых веществ получается как бы прокованным. Поверхностная твердость резко возрастает, при этом сердцевина остается вязкой, рельс становится прочным, но не хрупким», – рассказал Пруэлл.
Таким образом обрабатывают рельсы для железнодорожных стрелок, испытывающих повышенную нагрузку. Технология известная, в Новосибирске подобное производство работает уже десятки лет, новую взрывную камеру изготовили для Муромского стрелочного завода. Потребность в подобном оборудовании невелика, фактически это штучный товар, в серию его не запустишь. Конструкторское бюро работает непосредственно с промышленным заказчиком. Впрочем, инженеры не жалуются на рутину – у новой камеры усовершенствовали пульт дистанционного управления. Совершеннее – не значит сложнее, оператор использует всего две кнопки для открытия и закрытия камеры, что сводит к минимуму риск ошибок.
Атомные ножницы
Еще один промышленный партнер Института гидродинамики – корпорация «Росатом». Новосибирские ученые разработали уникальное оборудование для переработки использованного ядерного топлива – механической резки тепловыделяющих сборок.
Отработавшая тепловыделяющая сборка – это «веник» из нескольких десятков или сотен тепловыделяющих элементов, трубок, заполненных ядерным топливом. Длина конструкции – около четырех метров, вес – 700 килограммов. Из-за высокого уровня радиации работа с ней требует полной автоматизации. В мире не так много стран, где справились с этой задачей, и одна из них – Россия.
Для извлечения полезных изотопов и последующей утилизации сборку необходимо порезать на фрагменты. «И взрывом пытались, и пилами, и лазером», – перечислил Эдуард Прууэл.
В конце концов в Институте гидродинамики предложили организовать установку по принципу гигантских гидравлических ножниц. Сначала деталь сжимается мощным прессом до расплющенного состояния, и уже в напряженном состоянии производится резка. Сейчас в России работают три такие установки.
Но измельчить радиоактивную конструкцию мало – нужно еще собрать все обломки. Новосибирские ученые предложили использовать для транспортировки обрезков пневмотранспортную систему. С помощью сжатого воздуха компоненты эффективно разделяются: топливо отдельно, трубки отдельно.
Ученые готовятся к масштабированию технологии и созданию новых систем для переработки ядерных отходов.
«Близок к подписанию договор по изготовлению оборудования для наших соседей: горно-химического комбината в Железногорске (Красноярский край)», – уточнил Прууэл, добавив, что комбинат станет второй крупной точкой переработки в России.
