http://93.174.130.82/digest/showdnews.aspx?id=c21f0c9d-f841-4820-9a05-dc625be854c1&print=1© 2024 Российская академия наук
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе — это не котельная или кочегарка, улыбаются его представители. Это ведущий НИИ по теплообмену, гидродинамике и турбулентности и огромный экспериментальный комплекс мирового уровня, где занимаются высокой наукой. А основные направления деятельности: теплообмен, многофазные системы, кипение, разряженные газы, низкотемпературная энергетика и многое другое — были заложены академиком Самсоном Кутателадзе, который возглавил Институт в 1964 году и руководил им до последних дней жизни.
— Самсон Семёнович родился в 1914 году в местечке под Петроградом, — рассказывает его ученик, член-корреспондент РАН Александр Павленко. — В начале 30-х годов он, работая техником в Центральном котлотурбинном институте им. И. И. Ползунова, занялся вопросами теплообмена. Сначала это были чисто технические задачи, связанные с теплоизоляцией трубопроводов для энергетических систем Ленинграда. Но уже тогда у Кутателадзе проявился яркий организаторский талант, и он возглавил комсомольскую бригаду. Занялся вопросами теплообмена при фазовых превращениях, где им были получены важнейшие научные результаты. В 1936 году, когда ему было всего 22 года, он впервые разработал и ввёл критерий термодинамического подобия, так называемое число Кутателадзе, которое входит практически во все современные расчётные зависимости, описывающие теплоотдачу при кипении и испарении. И это — не имея высшего образования! «Нет, ты не думай, что я жалею об отсутствии у меня всяких дипломов и учёных степеней. <…> Может, из меня не вышло такого учёного, каким я думал стать, но всё же кое-чему я научился», — писал он жене Лидочке. Высшее образование он получил в 1952 году, пройдя Великую Отечественную войну и заочно окончив Ленинградский индустриальный институт.
К слову, с учёбой был связан один курьёзный случай. Свою знаменитую монографию о теплообмене при изменении агрегатного состояния вещества Самсон Семёнович выпустил ещё в 1939 году. Тогда ничего подобного в мире не было, и лекции в институте ему читали по его же научному труду. Когда он пришёл сдавать экзамены, преподаватель спросил: «Вы сын Кутателадзе?» — «Нет, я сам», — ответил Самсон Семёнович. Преподаватель отпустил его без экзамена.
«Все мы его ученики»
— Когда я начал работать в лаборатории Кутателадзе, естественно, первым делом изучил его труды, — вспоминает Александр Павленко. — Меня поразила его работа «Основы теории теплообмена» (вначале эта книга, написанная в 1949 году, называлась «Основы теплообмена при кипении и конденсации») — и спектр решённых задач, широта взглядов на эти процессы. Прошло 70 с лишним лет, но и сегодня удивляешься глубине этой книги и количеству тех идей, которые в ней заложены. Эта книга, переизданная в 1952 году, буквально сразу была переведена Атомной комиссией США на английский язык и является самым ёмким учебником по теории тепломассообмена. О научных результатах Самсона Семёновича можно говорить много, но я бы хотел выделить четыре, наиболее значимые для мировой науки. Первый — введение термогидродинамического критерия подобия для фазовых превращений, которое выражается числом Кутателадзе. Второй — связан с изучением критических явлений при кипении. В 50-е годы в стране создавалась атомная промышленность, а специфика теплообмена на атомных электростанциях в том, что на единицу площади выделяется очень большое количество тепла — 1 МВт с одного квадратного метра. И единственный режим теплообмена, который его обеспечивает, это кипение. Сегодня с применением различных способов интенсификации количество выделяемого тепла с единицы площади может возрастать до 10 МВт. Самсоном Семёновичем была впервые предложена гидродинамическая теория кризисов, которая поражает своей простотой. Кутателадзе выделил главный эффект: явление перехода в момент кризиса от эффективного, пузырькового, кипения, когда тепло хорошо снимается, к плёночному режиму, когда поверхность кипящей жидкости отделяется, возникает сплошная паровая плёнка и теплоотдача падает на несколько порядков. Третий важнейший результат — это критерий гидродинамической устойчивости потоков жидкости и пара. А четвёртый — введение понятия об асимптотическом пограничном слое при высоких скоростях газа.
«Все мы считаем себя учениками Самсона Семёновича», — с гордостью говорят сибирские теплофизики. И стараются и сегодня следовать принципам, которые разделял академик.
— Кутателадзе был человеком практическим. При его активном участии было создано два мощных СКБ, которые внедряли знания, полученные в Институте, рассказывает профессор Виктор Терехов, в своё время работавший вместе с Самсоном Семёновичем. — В послевоенные годы две бурно развивающиеся отрасли — атомная и ракетная — заставили детально рассмотреть возможности технологий, прежде всего, ядерную безопасность, а соответственно и всё, что связано с кипением и конденсацией. Кроме этих отраслей Кутателадзе занимался вещами сугубо практическими, например, теплоэнергетикой. Он был ярым приверженцем доминирования в тепловой энергетике угля и отстаивал необходимость глубокого изучения процессов его сжигания, считая, что это наше будущее. К сожалению, последующая власть не вняла его словам и перешла на более лёгкие способы извлечения энергии. Не то чтобы он был противником атомной энергетики, нет, но понимал, задолго до Чернобыля и Фукусимы, что к ней надо относиться с осторожностью.
От недр до солнца
Ни одно из тех направлений, которые заложил академик Кутателадзе, не было забыто, утверждает директор Института теплофизики, член-корреспондент РАН Сергей Алексеенко. Все они получили развитие и вышли на новый уровень.
— Самсон Семёнович делал попытки заняться углём, но в те времена не было таких возможностей, как сейчас. К сожалению, Россия сегодня занимает одно из последних мест в мире по использованию угля в энергетике, хотя у нас его больше, чем у какой-либо другой страны. В условиях Сибири мы, хотим того или нет, должны заниматься новыми угольными технологиями, экологически чистыми и безопасными. Это глубокая переработка угля, пиролиз, микроуголь, водоугольное топливо — у нас оно готово для использования в промышленности. Много разговоров ведётся о низкопотенциальном тепле и его использовании. Кстати, сам Кутателадзе считал, что одна из главных задач на будущее — использование геотермальной энергии и тепла сухих пород, которые расположены на глубинах от трёх до десяти километров. Если научиться использовать глубинное тепло, можно ничем другим не заниматься: его хватит на всё время существования цивилизации. Но это сложная задача, сравнимая по масштабам с освоением термоядерной физики. Мы сейчас берёмся за это. Также Самсон Семёнович всегда жаловался, что никто серьёзно не занимается кипением. За этот процесс мы взялись очень активно, потому что у таких исследований очень широкий спектр применения — от космоса до атомной энергетики. У нас есть филиал Института безопасного развития энергетики, и мы занимаемся разработкой кодов по безопасности атомных станций. Их основа — кипение, ведь, как известно, кризис кипения приводит к аварии — тому, чего все больше всего боятся. Нужно сказать и о возобновляемой энергетике. Именно там может случиться прорыв. Сюда относится и солнечная энергетика. Пока она самая дорогая, но по некоторым прогнозам к 2100 году её доля в энергетике может достичь 60 процентов. У нас разработаны тонкоплёночные технологии, в частности гибкие подложки. Вы свернули в рулон солнечный элемент и взяли с собой. Да, КПД низкий, зато это самый дешёвый способ получения энергии. Все знают про топливные элементы, считается, что за ними большое будущее, потому что в них самый большой коэффициент преобразования. Они самые эффективные, но пока дорогие. Мы оказались среди тех, кто впервые в мире запустил в массовое производство топливные элементы, причём не на водороде, а на безопасных боргидридах. В основном они используются для подзарядки мобильных телефонов спасательных служб. Но надеемся, что будут разработаны более мощные топливные элементы для автономной энергетики. Один из вариантов — использовать алюминий одновременно как анод и безопасный источник энергии. Такая разработка в действии, есть поддержка по программе Российской академии наук по Арктике. Институт теплофизики является головной организацией по программе энергосбережения Сибирского отделения РАН. И есть надежда, что можно существенно повысить эффективность использования энергии в жилищно-коммунальном хозяйстве. Наконец, все вы видели в новостях, как горит свалка в Бердске. Давно назрел вопрос утилизации отходов в России. Наша страна одна из немногих, где этому почти не уделяется внимание. У нас всего четыре современных завода по переработке отходов: три из них в Москве, один в Череповце. Этого недостаточно! В Институте разработаны разные подходы: низкотемпературные, плазменные — которые решают эту проблему. И здесь тоже может быть прорыв в науке. Все эти примеры показывают, что мы готовы к прорывным решениям. Но здесь нужна и политическая воля, и необходимое финансирование, — уверен Сергей Алексеенко.