МГД - динамо: пермский проект

В академической среде достаточно распространено мнение, согласно которому ученые призваны заниматься в основном фундаментальными исследованиями, не размениваясь на решение практических задач. А поиски приложения научных идей — дело других. Но немало в Академии и тех, для кого практические результаты — это логическое продолжение фундаментальных разработок. Так, сотрудники лаборатории физической гидродинамики Института механики сплошных сред ПНЦ УрО РАН сочетают фундаментальные и прикладные направления вполне успешно и без ущерба для «чистой» науки. Уже несколько лет под руководством зав. лабораторией доктора физико-математических наук профессора Петра Готлобовича Фрика здесь реализуется программа развития экспериментальной базы для работы с жидкими металлами, поддержанная грантом Международного научно-технического центра и рядом грантов Российского фонда фундаментальных исследований. В рамках этой программы создана база для экспериментов с жидким галлием, жидким магнием и жидким натрием, позволившая значительно активизировать и ранее проводившиеся работы по прикладной магнитной гидродинамике, а также развернуть экспериментальные исследования эффекта магнитогидродинамического (МГД)-динамо.

Эффект МГД-динамо заключается в том, что при достижении определенных критических параметров движущаяся проводящая среда может самопроизвольно генерировать магнитное поле. Так, по современным представлениям, магнитные поля планет, звезд, галактик обусловлены именно эффектом МГД-динамо. Эта проблема чрезвычайно интересна как с фундаментальной, так и с прикладной точки зрения. Существует множество теоретических моделей МГД-динамо, но для полного понимания этого чрезвычайно сложного нелинейного явления необходимы эксперименты. Проведение экспериментов в лабораторных условиях осложняется тем, что динамо относится к критическим явлениям и возникает только при достижении критических режимов, возможных лишь в течениях больших масс хорошо проводящей жидкости, с высокими скоростями, да еще и характеризующихся достаточно сложной топологией. 

Динамо-эксперименты долгое время оставались мечтой специалистов, и только в последнее десятилетие начались работы по реализации динамо в лабораториях. Соответствующие динамо-проекты ведутся сегодня в Германии, Франции, США и Латвии. Создаются установки, стоящие миллионы долларов и потребляющие большое количество энергии. В Перми предложили оригинальный путь решения проблемы, отказавшись от идеи реализации динамо в стационарном потоке металла. Пермский проект направлен на реализацию эффекта динамо в импульсном режиме. Жидкий натрий заключен в тороидальный канал, который раскручивается до больших скоростей, накапливая тем самым значительный запас кинетической энергии. После разгона канал резко останавливается, и силы инерции, прогоняя жидкий металл через специальные крыльчатки-диверторы, обеспечивают в канале интенсивное течение с заданной геометрией. При достижении расчетных параметров поток металла должен обеспечить генерацию магнитного поля в течение короткого (порядка секунды) времени, достаточного тем не менее для регистрации эффекта и его исследования. Идея была опробована на установках-прототипах и вызвала большой интерес в кругу специалистов. 

В этом году в Перми должна быть запущена натриевая динамо-установка. До конца года ожидается пуск двух альтернативных динамо-установок (во Франции и США) и в начале 2005 года в Перми намечено международное совещание по проблеме МГД-динамо, на котором будут представлены результаты всех экспериментальных групп, работающих над проблемой, а также физиков-теоретиков и астрофизиков, специализирующихся на изучении природы космических магнитных полей. 

Исследование эффекта самопроизвольного возникновения магнитного поля  важно с практической точки зрения. Охлаждение атомных реакторов происходит с помощью жидкого натрия. При увеличении размера реакторов соответственно увеличиваются объемы жидкого металла, который движется с большой скоростью и проводимость которого очень высока. В результате может самопроизвольно возникнуть магнитное поле, изменится процесс тепло- массопереноса, а это очень опасно. Такую возможность надо предвидеть и предотвращать.      

Исследования в области магнитной гидродинамики имеют и другие практические приложения. Дело в том, что электромагнитное поле активно воздействует на жидкий металл. Меняя величину магнитного поля, его конфигурацию, а также величину электрического тока, который пропускается через жидкий металл, можно управлять потоками металла. 

Изучение электровихревых течений, обусловленных взаимодействием сильного тока в жидком металле с собственным магнитным полем, позволяет разрабатывать различные насосы, перемешиватели, сепараторы для очистки жидких металлов. В лаборатории физической гидродинамики под руководством кандидата физико-математических наук Станислава Юрьевича Хрипченко создан новый класс электровихревых насосов для перекачивания цветных металлов. Эти насосы уже используются на Березниковском титано-магниевом комбинате и Соликамском магниевом заводе. Перемешиватель жидкого алюминия для приготовления полунепрерывных слитков нашел применение во Всероссийском алюминиево-магниевом институте. Сейчас в лаборатории разрабатываются новые МГД-насосы и перемешиватели, а также сепаратор для очистки жидкого металла.

Подготовила Е. ПОНИЗОВКИНА