Взрывной характер работы. "В мире науки", №4, 2017

В середине марта на севере Москвы прогремел взрыв. Это произошло в рамках планового эксперимента в стенах Объединенного института высоких температур РАН, где испытывают взрывы газовых смесей в самой крупной в мире стальной камере. Наш корреспондент присутствовал при подготовке и проведении уникального опыта.

Зачем приручать огнедышащего дракона?

Лаборатория по взрывным работам ОИВТ РАН чем-то напоминает секретный бункер, спрятанный от глаз любопытных прохожих в самом обычном с виду корпусе института. Надпись над входом «Осторожно! Проводится эксперимент» подсвечена, значит, скоро здесь начнется завораживающее действо. свидетелем которого вряд ли кто-нибудь захотел бы стать в обыденной, не экспериментальной обстановке. Сколько взрывов в жилых домах, на шахтах прогремело в России за последние годы! В ОИВТ взрывают, чтобы таких случайностей было как можно меньше. Тот физико-химический процесс, что обещают устроить для нас, тоже мог бы разрушить дом. Но цель ученых другая: изучить эту страшную разрушающую мощь — взрыв газа. Безопасность гарантирована: камера способна выдержать силу взрыва в 1 т тротилового эквивалента.

Пока ученые трудятся над установкой, небольшой группе журналистов позволяют подняться внутрь взрывного шара. Как раз туда, где красуется снабженное шутливым рисунком черепа с костями объявление «В камеру не входить! Руками не трогать!». Попав туда, ощущаешь, будто находишься в каком-то другом измерении: любой звук, даже простое шарканье ногой по стенке шара, тут же многократно отражается от стен полости, совсем как эхо в горах, только усиленное и умноженное многочисленными отражателями в сотни раз.

Пока мы любуемся камерой, ученые формируют заряд взрывчатого вещества— тэна, который должен инициировать взрыв и детонацию водородно-воздушной смеси. Для нее  готовят резервуар — подвешивают специальную резиновую оболочку (метеозонд), в который вскоре, в отсутствие людей и после задраивания всех люков, начнет постепенно поступать газ. Общий объем газа в аэростате составит около 1% от объема всей камеры.

Автоматика очень точно дозирует подачу газов. Сначала подают воздух— около 4,6 м³, а затем — 2,4 м³ водорода. Газы запускаются в шар по очереди и перемешиваются специальным вентилятором. На все это требуется от двух с половиной до трех часов.

Пока шар-аэростат внутри стального монстра надувается газовой смесью, директор ОИВТ РАН академик В.Е. Фортов рассказывает, для чего все это нужно: «На современных производствах нефтегазовой отрасли, на атомных электростанциях порой происходят аварийные ситуации с выделением и образованием горючих газов, которые образуют смесь с воздухом. При их возгорании в системе повышаются температура и давление. Далее при ряде условий могут возникать ударные волны. Их разрушительная сила очень опасна для различных сооружений. Хорошо известные аварии в угольных шахтах, на нефтехимических производствах. на трубопроводах или атомных станциях так или иначе всегда имеют в качестве поражающего элемента взрывные волны. Этот опасный процесс очень труден для теоретического и экспериментального исследования. Мы и сегодня далеки оттого, чтобы описывать такие процессы и понимать до конца, что там происходит, но стремимся к этому пониманию. Корпуса института и наша взрывная камера сделаны для того, чтобы изучить взрыв, переход его из горения в детонацию, действие ударных волн на конструкции, ну а после подобрать элементы, которые бы этот взрыв гасили и не давали ему распространяться».

Взрыв в угольной шахте или на АЭС, даже если он и смоделирован специально, не так просто проанализировать. Все сопровождающие его процессы— горение, детонация— протекают очень быстро. за миллионные доли секунды. Ни один человек не сможет уследить за скоростью протекания реакции, давлением в разные отрезки времени, температурными колебаниями и концентрациями газов. Все это под силу только специальной аппаратуре, приборам, частично сделанным нашими учеными, частично купленным заграницей. Камера снабжена ими как внутри, так и снаружи. Весь процесс управляется дистанционно при помощи трехмерной компьютерной программы из специального центра управления взрывом.

«Ну что, все живы?»

Все взрывы на атомных электростанциях можно было бы поставить в один ряд: и на АЭС «Три- Майл-Айленд» (крупнейшая авария в истории коммерческой атомной энергетики США. произошедшая 28 марта 1979 г.), на АЭС в Чернобыле (26 апреля 1986 г.) и на АЭС в японской Фукусиме (11 марта 2011 г.). Тот взрыв, что готовится в ОИВТ, должен способствовать пониманию процессов, происходящих при взрывах водорода на атомных станциях.

Специалисты лаборатории по взрывным работам всегда меняют параметры, при которых производятся взрывы, например концентрации водорода в водородно-воздушной или в кислородноводородной смеси, иногда запускают в камеру метан для моделирования взрыва бытового газа в жилых домах и угольных шахтах.

Сегодня в метеозонд закачали богатую смесь— такое название ей дано за увеличенное процентное содержание водорода для усиления скорости детонации и давления. Ученые в очередной раз готовятся смоделировать аварийный взрыв, связанный с утечкой газов. Он будет, конечно, в разы слабее взрыва на ЧАЭС, около 5 кг в тротиловом эквиваленте.

Наконец наступает кульминационный момент. Нам предлагают наблюдать его в непосредственной близости от шара. «Не бойтесь, — успокаивают нас сотрудники. — Максимум, что может произойти, — это сильный грохот, напоминающий раскаты грома, вибрация, как при землетрясениях, да пляска предметов на столах». Мы на всякий случай закрываем уши руками, а сотрудники советуют лучше открыть рты. чтобы не оглушило. Когда раздается громкий звук, на барабанную перепонку с одной стороны приходится сильное давление. Чтобы его компенсировать, нужно увеличить давление со стороны среднего уха. Этому и помогает открытый рот.

Руководит взрывом сам директор института В.Е. Фортов. «Приготовились: три, два, один, пуск!» Страшный грохот, сопровождающийся протяжным гулом и вибрацией, заполняет помещение.

Это электрический импульс достиг взрывчатки, подвешенной внутри наполненного газом шара, последовал взрыв, который разорвал шар на лоскутки, выделяя мощную энергию. Скачок давления внутри составил около 20 атмосфер. Ударная волна заставила колебаться стенки камеры в течение пяти минут.

«Ну что, все живы?» — в шутку на фоне не утихшего еще шума спросил руководящий процессом академик.

Мы-то живы, но ощутить настоящее землетрясение в получасе езды до МКАД я никак не рассчитывала. Все свидетельства мощной взрывной волны были хорошо слышны даже на улице. Хорошо, что в округе возле института нет жилых домов.

«Интересно, их жители могли бы ощутить сейсмоволну?» — интересуюсь у сотрудников. — «Нет. Видите, по всей окружности камеры установлены специальные амортизаторы. Это специально для гашения такой волны».

Но вернемся к приборам. Их примерно десяток, и каждый выполнил свою работу на отлично. Собрали информацию с датчиков, установленных внутри и снаружи резиновой оболочки.

«То, где линия на мониторе обрывается вниз, означает, что туда дошел фронт пламени и между электродами прошел электрический ток, — поясняет нам один из сотрудников. — По нижним осциллографам, которые соединены сдатчиками давления, мы определяем также скорость прохождения фронта ударной волны и величину давления газа во фронте сферической детонации».

Знание параметров и особенностей движения ударных волн в различных условиях позволяет вносить в конструкцию АЭС дополнительную защиту— переборки, которые могут ее погасить.

Можно моделировать и саму газовую смесь. Так, в Кемеровской области на шахтах, где нередко образуются метановоздушные смеси, ученые ОИВТ совместно с Институтом структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН предложили горнякам использовать специальные добавки-ингибиторы. предотвращающие возгорания метана.

Взрывы, подобные тому, что мы видели и слышали, для сотрудников института стали уже обыденностью. Они гарантируют, что никаких нештатных ситуаций возникнуть не может, и при этом уверяют, что знают максимум возможностей своей взрывной камеры: довели до него специально лет десять назад, закачав внутрь не 7 м³, а все 920 м³ газовой смеси с 29% водорода. Энергетическое воздействие для инициации детонации произвели при помощи обычной искры. Приборы в момент взрыва зафиксировали на внутренней поверхности камеры давление 190 (!) атмосфер. Дальнейшая работа коллектива связана с выработкой мер, предотвращающих возникновение подобных опасных режимов.

«Когда инженеры и проектировщики планируют атомную электростанцию, они должны быть уверены, что Чернобыль или Фукусима не повторятся. Помочь в этом вопросе должны мы, ученые, предварительно точно просчитав нагрузку, которая ляжет на элементы конструкций в каждом конкретном случае, — резюмирует В.Е. Фортов. — Эта уверенность и позволяет нашим станциям быть самыми надежными в мире. Как, впрочем, и современному оружию, которое также проходит проверку в подобных камерах».

Справка

Взрывная сфера — установка ОИВТ — самая крупная в мире. Ее диаметр составляет 12 м, вес — 450 т, ширина стенок — 10 см. Она была построена по постановлению Правительства СССР. Проектировали ее в ЦНИИ Проектстальконструкция им. Н.П. Мельникова, а создавали в Северодвинске, на судостроительном заводе, где делают подводные лодки, по той же технологии. Когда многотонная махина в 1991 г. была готова, везти ее с Кольского полуострова пришлось по Мариинской водной системе, углубляя фарватер. В Москву ее доставляли на семи тягачах, повредив по дороге около 40 троллейбусных столбов, а чтобы провезти гигантское сооружение через МКАД и железную дорогу, делали специальные переезды и отключали контактные провода.