Водородная энергетика – одно из перспективных направлений стратегии развития Росатома. В среднесрочных планах – промышленная наработка водорода в высокотемпературных реакторах. Однако прежде необходимо решить ряд проблем. Помочь в этом готовы учёные из Черноголовки.
Летучий, легко воспламеняющийся, водород опасен своей неуправляемостью. И это до недавних пор сводило на нет все попытки создания масштабной водородной энергетики. Для атомной отрасли даже попутный водород, выделяющийся из воды под действием радиолиза почти на всех этапах производства, – коварный и непредсказуемый враг, с которым крайне сложно договориться.
Значит, нужны надёжные способы нейтрализации водорода. Соответствующие разработки есть, и сейчас они уже проходят обкатку в условиях полигона. За подробностями корреспондент «Страны Росатом» отправился в подмосковный наукоград.
Сегодня Черноголовка более известна как родина одноимённой газированной воды. Но в первую очередь это наукоград, и занимаются здесь газами куда более серьёзными.
Революционная разработка, ради которой я приехал, касается водорода. Её авторы – коллектив учёных Института структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН (ИСМАН). Мой собеседник – идеолог проекта, член-корреспондент Академии наук, профессор Вилен Азатян – интересом к обузданию водорода «заразился» в своё время от главного конструктора атомного оружия – академика Юлия Харитона.
– Взрывное горение газа и урана процессуально родственно, – говорит Азатян. – Его причина – быстрое лавинообразное размножение активных промежуточных продуктов в их реакциях с исходными реагентами. Это и есть цепное воспламенение, аналогом которого является ядерный взрыв. Однако раньше считалось, что роль цепной лавины существенна только в области давлений значительно ниже атмосферного. Такого мнения придерживался и мой учитель – академик Николай Семёнов. Я же предположил, что цепной механизм – основной фактор горения и взрыва газов и при атмосферном, и при повышенных давлениях. Коллективу ИСМАН удалось сначала теоретически, а потом и экспериментально доказать это положение.
– То есть, вы опровергли гипотезу своего учителя?
– С тяжёлым сердцем… да. Но в науке так нередко бывает.
На этом параллели с атомными процессами не закончились. Раз есть цепная реакция, должны быть и её замедлители – ингибиторы. При исследованиях было обнаружено влияние малых примесей на воспламеняемость горючих смесей, причём степень влияния зависела от химической природы добавки. В качестве ингибиторов применительно к горению газовоздушных смесей, содержащих более 10% водорода, были испробованы олефиновые соединения, в частности, пропилен. С помощью этих добавок испытатели не только управляют распространением пламени, но и контролируют переход горения в детонацию, характеристики детонации, научились даже разрушать уже возникшую стационарную детонационную волну.
– Ранее методы, направленные на предотвращение взрыва газов, сводились к использованию огнепреградителей, к разбавлению смеси инертными газами, – рассказывает Азатян. – Устанавливаются мощнейшие системы вентиляции, каталитические дожигатели. Себестоимость энергии возрастает, да и способы эти недостаточно эффективны. Ингибиторы, напротив, гарантированно предотвращают воспламенение в условиях, наиболее близких к условиям работы энергетических и силовых установок. Они коррозионно безопасны, не токсичны для человека и недороги.
– Если продолжить аналогию с атомными процессами, цепная реакция – явление, трудно прогнозируемое в каждом конкретном случае. То же самое с газом, ведь его концентрация и состав варьируются. Насколько вы уверены в новом методе?
– Измерения показали, что для предотвращения воспламенения смесей достаточная концентрация ингибитора – 2%. Для сравнения – инертного газа аргона требуется 80%. Наши ингибиторы успешно прошли тестовые испытания, проведённые межведомственной комиссией из представителей Росэнергоатома, Ленинградской АЭС, МЧС, Ростехнадзора, Совета Федерации и других ведомств. Комиссия дала положительную оценку.
Мы с Азатяном направляемся в лабораторию. До неё пешком по территории института пять минут. Заодно можно осмотреться. В непростые 1990-е годы Черноголовка могла бы, как иные академгородки, прекратить своё существование. Однако выжила, продолжает работать, и даже неплохо сохранилась. В чём-то пришлось потесниться, остальное спасла присущая коллективу взаимовыручка.
По дороге продолжаем разговор.
– Но ведь понятие ингибирования известно довольно давно. В чём принципиальное отличие вашей концепции?
– Она позволяет влиять на горение и взрыв на молекулярном уровне. Сейчас в моде нанотехнологии? Так вот, этот метод, по существу, можно отнести к микронанотехнологии, так как уровень вмешательства в структуру вещества ещё более глубокий.
Распространённое представление о нано-технологиях: нечто очень маленькое, не видимое глазу. Но в лаборатории показывают детонационную трубу, в которой «пробуют на слабину» изучаемую газовую смесь с ингибитором. Труба облеплена датчиками, от них идут патрубки к осциллографам, регистрирующим скорость прохождения газа с точностью до миллисекунд. Всё очень массивно, армировано, пуленепробиваемо.
Ещё более сильное впечатление производит взрывной бункер. Это отдельно стоящее здание внешне напоминает купол обсерватории. Внутри купол поменьше, из бетона метровой толщины. Тяжёлая железная дверь, пара смотровых окон, смахивающих на амбразуры, да вездесущие датчики – вот и вся связь с миром.
Когда, экспериментируя, в бункере взрывают водород и метан, в Черноголовке вздрагивает земля. А если то же самое происходит в детонационной трубе, раздаётся звук гулче пушечного выстрела.
– Ингибитор для газа всё равно что антибиотик для вируса, – улыбается Азатян. – Он гасит болезнь в зародыше, не даёт ей развиться до состояния катастрофы. Но разве вирус видно невооружённым глазом? А вот завод по производству лекарств, испытательная лаборатория – дело другое.
– А как родилась идея использовать ингибиторы именно для подавления взрывоопасных газов в атомной энергетике?
– Существует мнение, что в аварии в США на станции «Три-Майл-Айленд» взрыв водорода сыграл свою роль. А в России горение водородно-воздушных смесей в больших объёмах стало интенсивно исследоваться после аварии на Чернобыльской АЭС. Но, в принципе, наша технология создавалась как универсальная: ингибиторы позволяют регулировать характеристики горения не только водорода, но и синтез-газа и метана.
– Где, на ваш взгляд, стоит внедрять ингибирование в первую очередь?
– Например, в местах хранения жидких высокорадиоактивных отходов. Эта стадия на производстве связана с выделением не только водорода, но и метана и других углеводородов. Обязательно – в шахтах, в угледобывающей отрасли, где существует угроза взрыва природного метана. А вообще, областей возможного применения много: в нефтегазовой, химической промышленности, на транспорте и в электрогенерирующих устройствах, для работы которых используются газы в качестве топлива, и даже в быту.
А дальше слово буквально перехватывают аспиранты Азатяна – парень и девушка. Обоим слегка за 20, весёлые, симпатичные. Рассказывают очень увлечённо: энергетику можно хоть завтра переводить на водородное топливо – экологически чистое, дешёвое, эффективное, а теперь ещё и безопасное. Именно эти ребята со своим научным руководителем «сворачивают шею», и вполне успешно, самым взрыво-опасным газам на свете.
Михаил ОСИН,
для «Страны РОСАТОМ»
Сергей Кириенко:
– В России есть хорошие наработки. Например, проект, который, во-первых, позволяет окончательно уничтожить оружейный и гражданский плутоний, а во-вторых – промышленно нарабатывать водород на атомных высокотемпературных реакторах. Это шаг к водородной энергетике.
СПРАВКА
Общегосударственного свода правил, регламентирующих обращение с водородом, в России до сих пор нет. Пока их заменяют нормы по пожаробезопасности, работе с горючими газами и сосудами под давлением и т. п. Поэтому сейчас усилия создателей новой технологии направлены, в том числе, на формирование национального стандарта по безопасности водородной энергетики, учитывающего опыт, накопленный в результате исследований.
В частности, предложенные ингибиторы и методика их применения были успешно опробованы в Институте им. Макса Планка (Германия) и в Центральном институте авиационного моторостроения (Россия). В настоящее время изыскания в этой области поддерживаются президиумом РАН, а также федеральной целевой программой «Обеспечение ядерной и радиационной безопасности на 2008 год и на период до 2020 года». Так, технология испытывалась в тестовом режиме на ряде предприятий Росатома в сфере обеспечения безопасности перевозки отработавшего ядерного топлива.