О том, что фундаментальные исследования электрического разряда очень перспективны, ректор Томского политехнического института, заведующий кафедрой техники высоких напряжений Александр Акимович Воробьев говорил не раз. Он же в конце 50-х годов инициировал эти исследования и курировал молодых политехников, которых смело подключал к решению различных фундаментальных задач.
Так, в 1958 году аспирант кафедры ТВН Г.А. Воробьёв обнаружил само явление, из которого рождался «электроразрядный эффект». А будущий сотрудник проблемной лаборатории «Кедр», с которой начинается история НИИ ВН, А.Т. Чепиков в 1961 году подробно исследовал эффект внедрения разрядного канала в твердые диэлектрические материалы, находящиеся под слоем изоляционной жидкости.
Открытие, совершённое группой авторов - А.А. Воробьев, Г.А. Воробьёв, А.Т. Чепиков, было зарегистрировано в 1998 году.
С момента обнаружения эффекта внедрения электрического разряда в твёрдое тело проведена большая работа, но соответствующего технологического воплощения, к сожалению, до сих пор пока получить не удалось. И причин тому несколько. Во-первых, электроразрядные технологии вообще и электроразрядное бурение, в частности, на момент открытия оказались не востребованными. Во-вторых, в 60-70-х годах была ещё не столь развита мощная импульсная техника. И для того, чтобы Pulse Power стало направлением Третьего тысячелетия, потребовались время и интеллект лучших электрофизиков мира. В частности, годы работы сильнейшей школы, признанной как в России, так и за рубежом, которую возглавляет выпускник кафедры ТЭВН, вице-президент РАН, академик Г.А. Месяц.
Теперь мощные импульсные генераторы, к которым электроразрядные технологии предъявляют довольно жёсткие требования (низкий импеданс; сила тока – десятки-сотни килоампер; напряжение - сотни киловольт), разработаны. В последнее время толчок к дальнейшему развитию тема получила благодаря интересу зарубежных компаний.
В середине 90-х некие перспективы электроразрядных технологий увидела японская Komatsu. Компания фактически контролируют рынок Японии и постоянно расширяет присутствие в Европе, России и мире. Впрочем, производитель мирового брэнда тяжёлой техники очень быстро понял, что до внедрения ещё далеко. И остановился, в достаточном объёме профинансировав своё знакомство с проектом.
В 2001-2002 годах первые финансовые вливания в НИОКР по электроразрядной тематике сделала транснациональная компания Schlumberger, которая рассматривает данный способ в плане его реального использования в глубинном бурении скважин. Одно из преимуществ участия Schlumberger в проекте - возможность комплексных исследований: не столько разработка, изготовление и поставка устройства, сколько создание физических основ электроразрядной технологии.
В свою очередь, исполнителям (НИИ ВН) удалось доказать компании, что электроразрядное глубинное бурение - возможно; а эффективность метода - достаточна. Особенно в сравнении с механическим бурением. Отечественный опыт глубинного бурения в районе города Апатиты таков: за 10 лет пройдено около 10 километров. Скорость бурения мала из-за повышенного износа механического бура при высоких температурах на большой глубине.
На сегодня Schlumberger и норвежские компании Statoil и Unodrill AS финансируют НИР и опытно-конструкторские работы по созданию погружных импульсных генераторов и буровых наконечников. Современный уровень развития Pulse Power позволил перейти к созданию нового поколения импульсных генераторов, оставив 60-м годам вариант неэффективного наземного их размещения. Сейчас в НИИ Высоких Напряжений создаются два варианта погружных генераторов, которые в начале следующего года будут проходить испытания в лабораториях института.
Сборка магнито-тиристорного генератора завершается. Лабораторные буровые испытания обоих генераторов начнутся в начале следующего года. Эти высоковольтные импульсные генераторы, работающие при температуре до плюс 150 градусов Цельсия (что соответствует условиям их работы на глубине 4-5 км), невозможно было бы создать без разработки технологии изготовления уникальных, крупногабаритных изоляторов из поликарбоната. Изоляторы нашли применение в новейших Pulse Power генераторах передовых научно-технических центров России, США, Франции. Кстати, отражатели новых светодиодных светофоров половины перекрестков Томска и других городов (в том числе и корейских) - тоже из поликарбоната и изготовлены в НИИ ВН. Параллельно идут исследования, связанные с созданием физических основ электроразрядных технологий.
Разрабатываются физико-математические модели процессов, описывающие все стадии электровзрыва: зажигание и развитие разряда; внедрение канала разряда в твёрдое тело, находящееся под слоем жидкости; расширение канала, сопровождаемое генерацией ударных волн; поле механических напряжений в твёрдом теле; деформации и трещинообразование, приводящее к разрушению материала. Задача коллектива адекватно описать и научиться моделировать на компьютере все эти явления, которые происходят за единицы микросекунд.
Для НИИ ВН возвращение к электроразрядным технологиям - прямое следствие конверсии. Известно, что до определённого времени институт решал исключительно задачи военно-промышленного комплекса. Но фундаментальные исследования, которые велись тогда, сегодня конвертированы, например, в электроразрядную технологию очистки воды. По направлению разрушения материалов ведутся совместные работы с университетом г. Трондхейма (Норвегия), норвежской нефтегазодобывающей компанией Statоil и Unodrill AS.
По технологии резания НИИ ВН работает с Дрезденским техническим университетом, создавая электрорезак, способный в полном соответствии с высокими европейскими требованиями экологии, резать знаменитый Саксонский песчаник. В рамках этого проекта НИИ высоких напряжений поставил Техническому университету Дрездена демонстрационную установку с тем, чтобы немецкие коллеги могли показать, как это будет, промышленникам Саксонии и привлечь инвесторов. В НИИ ВН по этому направлению работают лаборатории кандидата технических наук В.М. Муратова, доцента кафедры ТЭВН С.А. Лопаткина, профессоров Г.Е. Ремнева и С.М. Лебедева. В составе лабораторий немало молодых сотрудников, аспирантов, магистрантов и студентов, привлечённых по программе УИРС.
Эти же коллективы выполняют работы по двум грантам Американского фонда гражданских исследований (CRDF) и гранту Российского фонда фундаментальных исследований.
Если говорить о конкуренции в мире, то параллельно с Россией ведут исследования Япония, Великобритания, США.
В научном центре г. Карлсруэ (Германия) после приобретения двух установок был даже открыт исследовательский институт электроразрядных и микроволновых технологий. Пока у томских исследователей есть некоторое преимущество, благодаря более глубокому пониманию явления электровзрыва.
Записал О.Н. Плотников