19 марта ОИЯИ посетила делегация научно-производственного объединения «Гелиймаш»: генеральный директор Вадим Николаевич Удут, заместитель генерального директора по коммерческой работе Александр Евгеньевич Сычков, заместитель генерального директора по научной работе Олег Максимович Попов. В рамках визита состоялись встречи с дирекцией Института, руководителями ЛФВЭ и ЛНФ, экскурсии на ИБР-2, ускорительный комплекс и криогенную станцию для проекта NICA. О многолетнем сотрудничестве с Дубной и другими организациями, о продукции предприятия, перспективах и реализуемых проектах рассказывают представители «Гелиймаша»; главный инженер ЛФВЭ Николай Николаевич Агапов и начальник научно-исследовательского криогенного отдела Антон Валерьевич Константинов.

1. Комментарий к событию

Разговор начался с недавнего события — в ЛФВЭ доставлена специализированная контейнер-цистерна для жидкого гелия.

— Эта цистерна уникальная, — рассказывает В. Н. Удут. — Технологических компаний, которые производят такие цистерны, в мире меньше, чем, наверное, пальцев на одной руке. Самый крупный производитель Gardner Cryogenics (США), некоторый опыт изготовления был у компании Linde (Германия), французских и японских компаний. Цистерна предназначена для долгосрочного хранения жидкого гелия (до 1 месяца) без потерь продукта и для транспортировки жидкого гелия на далекие и сверхдалекие расстояния. Сейчас весь оборот гелия в мире, от заводов-производителей до компаний и институтов, где этот гелий потребляется, обеспечивается такими контейнерами, всего их около тысячи. Наличие подобной цистерны (на снимке) очень важно для покупателя, потому что дает возможность купить продукт дешевле, получить выгоду. И к тому же позволяет хранить гелий в достаточно больших объемах для научных экспериментов и технологического использования. В жидком виде гелий занимает объем всего около 40 куб. метров в цистерне, а для его газообразного эквивалента — около 25 тыс. куб. метров — надо создавать большие металлические хранилища.

Такая цистерна позволяет в течение месяца хранить жидкий гелий, что обеспечивает необходимый запас в случае непредвиденных ситуаций для проведения физических экспериментов. Ее можно снять с колесной платформы, перенести на судно для транспортировки водным транспортом. А вот для перемещения по железной дороге она не предназначена из-за большой вибрации. До появления в ОИЯИ этого контейнера гелий доставлялся в 1000-литровых дюарах.

— Для нас это очень интересная работа — сравнить технологический уровень «Гелиймаша» с тем, как, например, делают американские производители — говорит А. В. Константинов. — 98 процентов гелия, если мы говорим про жидкий гелий, транспортируются на цистернах Gardner Cryogenics, они мировой лидер по производству, у них огромный опыт. Это вторая цистерна «Гелиймаша», первая была сделана Гелиевым заводом в Оренбурге, проходила обкатку на полигонах «Газпрома». Нам интересно, какие выводы были сделаны по ее использованию. Вскоре мы введем в эксплуатацию нашу цистерну, снимем теплотехнические характеристики, измерим испаряемость и посмотрим, на какой уровень смог выйти «Гелиймаш».

2. О прошлом и настоящем предприятия

НПО «Гелиймаш», созданное в 1931 году П. Л. Капицей (будущим нобелевским лауреатом), является крупнейшим производителем криогенного оборудования, которое работает в 40 странах мира, востребовано во многих значимых исследовательских и промышленных проектах: от научных институтов Китая до производственных комплексов в США. На предприятии работает более 500 высококвалифицированных ученых, конструкторов, технологов, операторов станочного оборудования, сборщиков и испытателей сложной техники.

— Специальности уникальные, — поясняет О. М. Попов, — потому что мы создаем уникальное оборудование, которое необходимо военным, науке, медицине, сельскому хозяйству, нефтегазовому комплексу. Мы делаем ожижение гелия, водорода, азота, природного газа, емкостное оборудование, в котором хранятся все эти продукты. Это сопряжено с необходимостью изготовления теплообменного оборудования, турбодетандеров и так далее. Коллектив уникальный, потому что задачи уникальные. Это получение очень низких температур — для жидкого гелия 4 К. Это большая надежность, маленькие теплопритоки. К примеру, чтобы хранить гелий в контейнере-цистерне в течение 30 суток, необходимо, чтобы теплопритоки к гелиевому сосуду через поверхность 300 кв. метров составляли около 7 Вт, это мощность лампочки для фонарика. Или установки для ожижения — турбодетандеры, которые вращаются с громадной скоростью 5000 об/с. Эти задачи требуют определенных знаний, умения, подходов, квалификации, опыта работы.

— Турбодетандер — это та область, где Россия может гордиться своими достижениями, — добавляет В. Н. Удут. — В 30-е годы академик П.Л.Капица впервые применил турбодетандеры для производства жидкого кислорода из воздуха. При этом удалось создать технологию с практически неограниченными возможностями по производительности. Образно говоря, кислород стал в 10 раз дешевле, соответственно, сферы применения кислорода стали самые разнообразные. И надо сказать, что в советское время наша страна была номер один по производству продуктов воздухоразделения, по производству жидкого кислорода. В том числе благодаря тому, что сердце этих установок как раз составляли турбодетандеры.

Во время нашего разговора на столе стоял сувенир — реальный турбодетандер в разрезе, закрепленный на подставке. Он отработал положенное и теперь используется для демонстрации принципа работы. «Таких оборотов, 5000 об\c, удалось добиться, — поясняет А. В. Костантинов, — потому что вал турбины подвешивается на газо-масляных опорах, и турбодетандер в принципе не имеет трущихся частей. При должной эксплуатации срок работы такой турбины практически неограничен. А физический процесс до сих пор называется «турбодетандерный цикл Капицы».

Следующий вопрос адресован А. Е. Сычкову — о перспективах сотрудничества с другими организациями и востребованности продукции.

— Перспективы, я считаю, значительные. Например, сейчас мы реализуем проект поставки турбодетандерных агрегатов в блочно-модульном исполнении для применения в составе установок низкотемпературной конденсации компонентов природного газа. Это востребованная и отработанная технология подготовки газа, добываемого на газовых и газово-конденсатных месторождениях, к подаче в газопроводную систему ПАО «Газпром». В текущем году мы должны изготовить такие агрегаты для одного из месторождений Ямало-Ненецкого АО, и эта поставка откроет путь для нашей продукции на крупные стройки, которые запланированы на полуострове. Сейчас речь идет о Ямале, но, наверняка, это распространится на Гыдан и другие регионы. Турбодетандер — это направление, которое очень востребовано в физике сверхнизких температур. Оно стартовало в работах «Гелиймаша» для производства жидкого кислорода, а позже развилось в установки выработки холода на гелиевом уровне, как раз такое оборудование поставлено в ЛФВЭ ОИЯИ. Теперь этот вид продукции используется, как видите, в нефтегазовой сфере. Одни работы дополняют другие, развивают и укрепляют инженерную школу и производственный комплекс, требуют от нас идти в ногу со временем, развивать собственные производственные мощности, думать о строительстве с ОИЯИ стендовой базы на основе имеющегося криогенного оборудования и энергетических мощностей. Это обеспечит научный приоритет наших разработок в области криогенных и холодильных турбодетандеров, в том числе в газовой сфере. А турбодетандер, являясь основной холодопроизводящей машиной низкотемпературных циклов, естественно, связан с соответствующим оборудованием: для подготовки газа (и неважно, какой это газ, гелий, водород или природный газ, принципы физических процессов одинаковые), низко- или высокотемпературной абсорбции, ректификации, что является частью воздухоразделительных установок, теплообменным оборудованием. Поэтому, видя общую направленность и отмечая созидательный тренд в современной науке, в том числе физических, ядерных исследованиях, мы полагаем, что это даст новый импульс российским предприятиям криогенного машиностроения и нашему предприятию. Мы с удовольствием видим успехи ОИЯИ, видим, что участие молодых конструкторов и молодых специалистов, которые привлекаются к этим работам, позволяет нам обеспечить преемственность научных, конструкторских знаний и передачу конструкторско-технологической, экспериментальной и научной базы, что позволяет с оптимизмом смотреть в будущее.

3. Новый совместный проект

В этом году предприятие «Гелиймаш» отмечает 90-летие. За один раз невозможно рассказать обо всех направлениях развития научно-производственного объединения с большой и славной историей. Однако не спросить о новых технологиях, важных для промышленности и населения, было бы неправильно. К тому же есть идея реализовать проект, который имеет непосредственное отношение к нашему Институту. О нем рассказал генеральный директор «Гелиймаш» В. Н. Удут.

— Новое направление, которым мы занимаемся в последнее время, — это получение сжиженного природного газа на территории Российской Федерации на действующей системе магистральных газопроводов, когда происходит редуцирование потока природного газа перед крупными тепловыми электростанциями, теплоэлектроцентралями. Давление газа сбрасывается с 50 атмосфер до менее 10, на этом потоке мы ставим турбодетандеры и получаем дополнительный продукт — сжиженный природный газ, СПГ. Его уникальность состоит в том, что мы используем энергию, которая ранее растворялась в окружающей среде. Это дает возможность газифицировать небольшие районы, города, транспорт, карьерную технику продуктом, который дешевле традиционного. Например, СПГ в три раза дешевле дизельного топлива, соответственно, при использовании его в автобусах, на карьерной технике предприятия получают значительную выгоду. В прошлом году мы вместе с РАО ЕЭС России закончили большой цикл работ, связанных с созданием комплекса по захолаживанию сверхпроводящего кабеля на температурах сверхкритично кипящего азота порядка 70 К. Работа тоже очень интересная, потому что позволяет в 10 раз сэкономить электроэнергию при трансформации и передаче ее между городскими станциями распределения (не секрет, что сейчас до 30 процентов энергии уходит на нагревание проводов). Это тоже очень важно, особенно для мегаполисов.

И еще одно очень интересное направление, о котором в последние два года говорят и в России, и Европе, — это водородная энергетика. Концентрация СО₂ в воздухе из-за деятельности человека катастрофически повышается, и многие ученые опасаются, что мы подойдем к границе, когда углекислый газ перестанет усваиваться биомассой. Поэтому приветствуется производство энергии без выделения СО₂. В частности, много говорят о том, что альтернативные источники энергии (ветровая энергия, гидроэнергия, энергия волн и другие виды) позволят получать водород, распределять его логистическим способом и, сжигая на месте потребления, получать обычную воду — экологически чистый продукт. Таким образом мы вырабатываем энергию, необходимую для нашей жизнедеятельности. В ходе построения этой инфраструктуры важно, чтобы водород получался с меньшей себестоимостью, был ожижен, погружен в контейнеры и доставлен до рынка сбыта — внутри страны или за границей. В прошлом году первый такой контейнер мы поставили для предприятия Роскосмоса в город Пересвет и планируем, что после испытания заказы на эти контейнеры увеличатся как для задач космической промышленности, так и для энергетики.

Сегодня в беседе с академиком Г. В. Трубниковым мы поднимали вопрос о необходимости объединения инженерных и научных усилий для создания тестового полигона, где новое водородное оборудование могло бы проходить обкатку, мы могли бы получать характеристики этого оборудования, добиваться его совершенствования. Одним из возможных мест, наверное, наиболее подготовленным для этих целей, является инфраструктура ЛВФЭ с мощной энергетикой, опытным коллективом, эксплуатирующим криогенную технику, и с источником низких температур. В этом случае выигрывают все стороны, и безусловно, будут оправданы средства, которые потрачены государством на создание такой великолепной базы. Эти исследования не помешают научным, в промежутках между экспериментами можно использовать инфраструктуру для тестирования водородного и другого низкотемпературного оборудования.

И я хочу сказать, что благодаря таким заказчикам, как ОИЯИ, которые начинают сложные научно-технологичные проекты, транслируют их промышленности, мы, решая данные задачи, можем выпускать новые интересные продукты. Совместная коллаборация ОИЯИ и «Гелиймаша» создала именно синергетический эффект, вместе мы сделали на порядок больше, чем смогли бы поодиночке. Это первое. И второе, мы сохранили базис технологий высокого уровня, который позволит перейти к энергетике будущего. Все понимают, что углеродный век рано или поздно закончится, наступит эра, когда знания будут порождать установки по производству электроэнергии за счет ядерных процессов — плазменный процесс, ядерный, термоядерный или объединенный в какой-то цикл — это будущее человечества. И здесь, надо сказать, закладывается надежный камень в этот фундамент.

Николай Николаевич Агапов, непосредственный участник сотрудничества с «Гелиймашем» в течение многих десятилетий, подвел итог:

— Самый главный результат этого взаимодействия, я считаю, это сохранение научной школы криогеники. Круг специалистов, которые занимаются криогеникой, достаточно узкий и замкнутый. Например, в 2019 году, когда исполнилось 125 лет со дня рождения выдающегося ученого П. Л. Капицы, мы открывали мемориальный комплекс в «Гелиймаше». А Александр Григорьевич Зельдович, основатель школы криогеники в Дубне, был очень близким соратником Петра Леонидовича. И все основы работы, взаимодействия науки и промышленности в ОИЯИ заложил именно Зельдович. Наш большой проект NICA позволит нам эту научную школу не только сохранить, но и расширить по объему внедрения разных разработок.

А история сотрудничества у нас очень богатая. В ОИЯИ еще в 70-х годах прошлого века для Отдела новых методов ускорения сделали первый большой сверхпроводящий соленоид из японского проводника диаметром примерно 600 мм и длиной порядка 2 метров. И для него первый головной образец промышленной гелиевой установки КГШУ-250 был сделан «Гелиймашем». Мы его запустили, он успешно работал. Дальше мы начали работу по образцам для будущих ускорителей по нашему принципу. Специально по нашему заказу и с нашим участием мы разработали следующую установку мощностью на гелиевом уровне 1600 Вт, и она до сих пор являлась самой крупной установкой в России. Были изготовлены еще три такие установки, на них мы запустили запустили Нуклотрон, который проработал более 50 сеансов. Система оказалось очень надежной. Сейчас по нашему заказу сделан самый крупный ожижитель гелия в России производительностью более 1000 литров в час. Это основа криогеники комплекса NICA. Взаимодействуя, можно сказать, на государственном уровне, мы заказали соответствующий компрессор в Казани. Теперь у нас полный комплект оборудования для охлаждения ускорителей. В принципе наша гелиевая промышленность от санкций не зависит. Криогеника как была самая мощная в России, так и останется. Предложение генерального директора «Гелиймаша» поддержано, и когда у нас ресурсы и энергетика освободятся для таких работ, мы будем дальше развивать взаимодействие, уже по водородной тематике.

4. Криогеника для комплекса NICA

За рамками общего интервью мы поинтересовались, как развивается криогенная система для проекта NICA. И первый вопрос к начальнику научно-исследовательского криогенного отдела А. В. Константинову — рассказать о парожидкостной турбине — разработке «Гелиймаша» для ОИЯИ.

— Первые такие турбины были сделаны в конце 80-х — начале 90-х годов и опробованы на криогенном комплексе Нуклотрон на установках КГУ-1600/4,5. Применение этих парожидкостных турбин вместо дроссельного вентиля позволило увеличить производительность наших установок более чем на 25 процентов. Эти турбины входят в состав криогенных установок, которые охлаждают Нуклотрон. Новые установки для комплекса NICA — ОГ-1000 и гелиевые рефрижераторы РСГ, которые будут охлаждать кольцо бустера и кольцо коллайдера, — также включают в себя парожидкостные турбины. Таким образом была сделана партия таких турбомашин для новых гелиевых установок — в сумме их четыре. Сейчас они находятся в корпусе 1Б, где сосредоточены основные криогенные установки, это будет Центральная криогенная станция.

Гелиевый сателлитный рефрижератор РСГ-2000/4,5 для охлаждения бустера

Если говорить о том, что уже сделано, — смонтированы и произведены пробные пуски гелиевого ожижителя ОГ-1000 производительностью 1000 литров в час, мы уже получили на нем жидкий гелий, провели предварительное измерение производительности, которое оказалось близким к заявленным характеристикам. Это большой этап работы. Затем доставлена 40-кубовая емкость, и в ближайшее время мы начнем ее теплотехнические испытания. Ее ввод в эксплуатацию позволит нам запасать значительное количество жидкого гелия, чтобы проводить сеансы не на одном сверхпроводящем кольце (либо Нуклотрон, либо бустер) — уже осенью мы надеемся провести сеанс на двух кольцах одновременно. Это одна из больших задач.

Блок маслоочистки и осушки гелия МО-800

Помимо новых ОГ-1000 и рефрижератора для бустера, который также находится в стадии наладки, нам предстоит запустить целую азотную систему. Принципиально она работает как гелиевый контур. То есть мы ожижаем гелий, подаем его на ускоритель, он его охлаждает, испаряется, а затем холодный пар мы снова собираем, выполняя замкнутый контур. И по азотному контуру мы будем делать такую же систему. У нас будет азотный ожижитель, реконденсаторы, азотные компрессоры. Это достаточно уникальное явление, поскольку часто жидкий азот используют без рециркуляции, то есть холодные пары выбрасываются в атмосферу. И нам предстоит большой объем работ, чтобы запустить такую систему.

Галина Мялковская, Еженедельник ОИЯИ
фото Игоря Лапенко, Евгения Горячкина