Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова

Демобилизоваться мне удалось только после присуждения Сталинской премии за довоенные работы в области производства контактной серной кислоты и запроса Министра химической промышленности М.Г. Первухина[1] в июне 1946 г. Переход к мирной жизни оказался неожиданно трудным. Надо было начинать с младшего научного сотрудника, в то время как довоенные знакомые успели получить за время войны высокие звания, должности и хорошее материальное обеспечение.

В самом начале работы в Научно-исследовательском физико-химическом институте имени Л.Я. Карпова (НИФХИ) возник конфликт. В июне 1946 г. по приказу М.Г. Первухина в институте для разработки промышленного производства тяжелой воды и защиты атомных объектов от взрыва образующейся в ядерных реакторах гремучей смеси были созданы две новые лаборатории: технического катализа под руководством Г.К. Борескова и разделения изотопов под руководством Н.М. Жаворонкова. Я стал сотрудником лаборатории технического катализа. При институте также организовали межведомственный совет по тяжелой воде под председательством проф. Н.М. Жаворонкова. Я был его ученым секретарем. Ученый совет института, заслушав доклад научного руководителя проф. А.А.Жуховицкого, не согласился с приказом об организации лабораторий, считая, что они являются технологическими и не соответствуют научному уровню и профилю института. Это решение отражало идеологию акад. А.Н. Фрумкина[2], не признававшего единство теории и практики. Он считал химическую технологию наукой второго сорта. Возникший конфликт рассматривала комиссия во главе с первым заместителем Министра химической промышленности А.Г. Касаткиным. Она отменила решение и предложила покинуть институт акад. А.Н. Фрумкину и проф. А.А. Жуховицкому[3]. К сожалению, пренебрежение химической технологией и промышленностью сохранилось у большинства членов отделения АН СССР и по сей день.

Отголоски этого возникли в 1957 г. при организации Сибирского отделения. Институт катализа и Институт органической химии им. Н.Н. Ворожцова (младшего)[4] были выведены отделением общей и технической химии из состава Новосибирского академгородка как технологические и не относящиеся к академической науке.

Российский фонд фундаментальных исследований не принимал работы по теории и практике химической технологии. На ХVII Менделеевском съезде, прошедшем в Казани в 2003 г., вообще была исключена химико-технологическая секция.

Возвращаясь к проблеме тяжелой воды, следует упомянуть о решении научного совета по вопросу разработки многих способов ее получения. Сначала разработали и освоили многоступенчатый электролитический метод в сочетании с каталитическим изотопным обменом дейтерием между водой и водородом. Первые заводы получения тяжелой воды построены на основе этого метода, не являющегося с экономической точки зрения наилучшим.

Внедрение промышленной технологии требовало: определить коэффициенты разделения; изыскать катализатор для реакции изотопного обмена HD + Н2O ↔ HDO + H2; определить кинетику реакции изотопного обмена; рассчитать технологическую схему получения концентрированной воды.

Возникли трудности из-за низкого содержания дейтерия в природной воде (0,015 % ат.), что требовало перерабатывать на начальной стадии процесса от 10 до 100 м3 сырьевой воды для получения 1 л тяжелой воды с содержанием в водороде не менее 99,8 % атомов дейтерия, а также построения многоступенчатого каскада из разделительных элементов (РЭ), в которых достигается заданная степень разделения смеси «протий–дейтерий». В 1946 г. в нашем распоряжении не было достаточного количества обогащенной тяжелой воды для проведения масштабных экспериментальных научно-исследовательских работ.

При разработке промышленного процесса получения тяжелой воды возникла идея создания пространственных структурных уровней каталитических систем, которая в дальнейшем стала одним из основных принципов математического моделирования каталитических процессов и реакторов.

Нами были выделены четыре иерархических уровня: микро (атомно-молекулярный – 1–1000 Å) для определения коэффициентов разделения; мезо (зерно катализатора 1–10 мм) для определения кинетики реакций изотопного обмена; макро (слои катализатора РЭ 1 – 3 м) и мегауровень – завод в целом. На первом уровне решалась термодинамическая задача. Метод разделения изотопов водорода основывался на реакциях изотопного обмена между водородом и водой:

коэффициент разделения α = (D/H) /(D/H)        

    (водная фаза / водородная фаза).

При первичном концентрировании (до 5 % дейтерия) основное значение имела реакция HD+Н2O ↔ НDО+Н2, константа равновесия которой Kp = ([HDO]/[HD])([H2/][H2O]) равна коэффициенту разделения. Экспериментальное изучение коэффициента разделения в те годы было затруднено, а оно определяло каскад разделительных элементов. Возникла задача теоретического определения константы равновесия. В 1946 г. еще не был разработан метод определения химических равновесий по молекулярным данным и мы воспользовались связью свободной энергии Гельмгольца F со статическим интегралом Z:F= –kTlnZ .

По точности определения коэффициент разделения на основе спектральных данных превосходил результаты лабораторных физико-химических измерений концентрации дейтерия, поэтому константа равновесия, рассчитанная из статистических сумм молекул, превосходила полученную экспериментально.

Я подробно останавливаюсь на первой работе в послевоенный период, т.к. она сыграла важную роль в развитии математического моделирования каталитических процессов и реакторов. Результатам математического моделирования в ряде случаев  можно верить больше, чем экспериментальным, если исходная модель построена на экспериментальных данных исследования, более прецезионных, чем обычно полученные в текущих исследованиях на лабораторных и опытных установках.

Катализаторами для реакции изотопного обмена являются металлы VII группы Периодической системы Д.И. Менделеева. В качестве промышленного катализатора создан высокоактивный никель-хромистый катализатор с развитой внутренней поверхностью и высокой дисперсностью частиц никеля. Разработана также технология его производства. Завод по выпуску катализатора построили без предварительных испытаний и наработок на опытных установках Чирчикского электрохимического комбината еще до пуска основных цехов по производству тяжелой воды.

Большой вклад в освоение производства тяжелой воды внес заместитель начальника завода по технике Роман Алексеевич Буянов[5]. С ним я познакомился в 1949 г., когда он был еще студентом физико-химического факультета Московского химико-технологического института им Д.И. Менделеева, на кафедре разделения изотопов. Он закончил институт в 1950 г. и был направлен на работу на Чирчикский электрохимический комбинат, где руководил строительством и пуском цехов по получению тяжелой воды и участвовал в освоении производств. В эти годы нас особенно сблизили трудности в создании нового производства тяжелой воды путем ректификации жидкого водорода, а также общие взгляды на жизнь.

Ректификация жидкого водорода при температуре 20–24К – один из наиболее эффективных методов. Он разработан в СССР под руководством Президента АН СССР акад. Анатолия Петровича Александрова[6]. Тяжелый водород (дейтерий) собирают в низу колонны, а протий отбирается в верху. При указанной температуре возможная примесь кислорода в водороде находится в колонне в виде твердых частичек и в процессе эксплуатации накапливается. Из-за взрывов твердого кислорода в водороде за рубежом не удались попытки организовать промышленное производство. Опытная установка ректификации жидкого водорода, построенная в 1950 г. у нас, в Горловке на химкомбинате, также взорвалась.

Для того чтобы не было взрыва, акад. А.П. Александров полагал необходимым за полгода эксплуатации во всей промышленной колонне разделения изотопов накопить не более 5 г твердого кислорода. Это означало, что содержание кислорода в исходном водороде должно быть меньше чем 10–10 долей. В 1953–1955 гг. измерить такую концентрацию не представлялось возможным. По существу, сама промышленная колонна становилась анализатором. Единственным методом определения условий достижения тонкой очистки оставалось математическое моделирование процесса взаимодействия водорода с кислородом. Остановились на никельхромовом катализаторе, активность которого определяли в области концентрации кислорода, доступной для точного измерения при низкой температуре на опытной установке в Институте физических проблем АН СССР. Режим области внешней диффузии установили по скорости процесса, определяемой диффузией кислорода к наружной поверхности зерен катализатора, и по насыщению водородом пористого никелевого катализатора. Установили необходимое количество катализатора в реакторе очистки водорода. Кроме того, был принят ряд решений, необходимых для конструирования  аппаратуры, исключающей соприкосновение чистого и грязного водорода. За проведенные работы и освоение производства Р.А. Буянову, Л.А. Костандову[7], И.А. Гельперину, мне и другим в 1960 г. было присвоено звание лауреатов Ленинской премии.

С 1958  по 1961 гг. Роман Алексеевич Буянов продолжал изучать гетерогенные каталитические процессы при низких температурах от –195 до –252°С, конверсию ортоводорода в параводород в Объединенном институте ядерных исследований (г. Дубна), что обеспечило получение водородных ожижителей. С августа 1961 г. Роман Алексеевич становится главным инженером, заместителем директора по научной работе Института катализа СО АН СССР в г. Новосибирске.

Кинетику реакций изотопного обмена и моделирование каскада разделительных элементов выполнили до начала эксплуатации завода. Весь цикл от исследований до пуска завода в г. Чирчике занял два года. Это яркий пример принципиальной возможности разработки промышленного каталитического процесса без опытных установок. Такой метод разработан в Гипрохиме еще в довоенное время. В 1939 г. создали контактный трехслойный аппарат с промежуточными теплообменниками между слоями для контактного производства серной кислоты К-39, который проектировался и конструировался без опытных установок на основе детального расчета. Эксплуатация первого же К-39 на Воскресенском химкомбинате в цехе № 1 показала хорошие результаты по производительности – 53 т H2SO4 в сутки при конечной степени превращения SO2 0,968. Пусковой подогреватель был отключен уже через сутки после пуска. Впоследствии, также по теоретическим расчетам без использования опытных установок, шла разработка новых аппаратов большей производительности, т/сут: 120 (1950), 240 (1954); 360 (1961), а затем 540 и 1000. За создание этого аппарата присуждена Сталинская премия.

Работа в НИФХИ им. Л.Я. Карпова совпала с научной дискуссией о роли теории резонанса – теории строения химических соединений, в основе которой лежит представление о том, что физико-химические свойства молекул могут быть описаны суперпозицией (резонансом) возможных альтернативных структур. Волновая функция молекул по Полингу представляет собой линейную комбинацию волновых функций структур. Резонанс структур ведет к стабилизации основного состояния молекулы.

Этот подход особенно важен для органической химии. Теория резонанса и ее методологические основы критиковались на ученом совете института. Атака на теорию резонанса была проявлением «лысенковщины», примером отсутствия необходимых физико-математических знаний у ведущих химиков института и страны. Адепты теории резонанса Я.К. Сыркин[8] и М.Е. Дяткина[9] не смогли объяснить смысла математического расчета и разъяснить роль взаимных влияний различных структур.

Возникшей дискуссией руководили акад. В.А. Каргин[10] и проф. Г.С. Жданов. Из всего коллектива института мнения об отсутствии предмета дискуссии придерживались только проф. М.И. Темкин[11] и Л.А. Блюменфельд[12]. Ученых, решительно отстаивающих интересы науки и выступающих против идеологического давления на них в институте, оказалось мало.

Все это свидетельствовало о том, что математическое образование составляет неотъемлемую часть культурного багажа каждого ученого физикохимика и химика-технолога. Его отсутствие ведет к крупным ошибкам и псевдонаучному обсуждению, например, теории резонанса.

Разгром генетики и торжество идеологизированной биологии – образец для химической науки. НИФХИ им. Л.Я. Карпова был заражен идеологизацией физической химии. В.И. Веселовский, В.Л. Карпов[13] и С.Я. Пшежецкий при активном содействии будущего академика Я.М. Колотыркина[14] объявили также теорию переходного комплекса в химической кинетике махистской и резко выступили против проф. М.И. Темкина как представителя буржуазной науки. М.И. Темкин являлся наиболее крупным ученым среди всех физикохимиков института, и критика его была политизированной. Идеологизация научных работ в институте еще больше усилилась, когда его директором стал С.В. Кафтанов[15], отстраненный от должности председателя Всесоюзного комитета по делам высшей школы при Совете Министров СССР. Для любителей идеологических разборок в науке настал звездный час. В январе 1953 г. было проведено совещание по гетерогенному катализу. Об анализе состояния проблемы катализа Г.К. Боресков принял предложение С.В. Кафтанова по идеологии постановочного доклада. Он взял на себя роль идеолога, критиковавшего теорию катализа в МГУ на химфаке и ансамблей проф. Н.И. Кобозева, а также теории, развиваемые в институтах АН СССР. Основная идея доклада о химической сущности катализа тривиальна и не содержала ничего нового, в ней утверждалось только положение о приблизительном постоянстве удельной каталитической активности.

В 1946–1952 гг. много внимания уделялось каталитическому взаимодействию водорода с кислородом на различных металлах в связи с обеспечением безопасной работы ядерных реакторов. Впервые была сконструирована проточно-циркулирующая установка для измерения каталитической активности как в стационарных, так и в нестационарных условиях, и установлены нелинейные явления при протекании реакции на платиновых катализаторах, гистерезис, множественность стационарных состояний, различие скоростей реакции. Однако мы оказались не подготовлены для понимания нелинейных явлений и большой экспериментальный объем результатов измерений был не понят и пропал.

Академик Абрам Исаакович Алиханов[16] создал атомные реакторы на тяжелой воде. Под влиянием излучений тяжелая вода разлагалась в реакторе на D2 и O2, образуя гремучую смесь. Поэтому газовая фаза реактора продувалась гелием и из гелия в специальном контуре гремучая смесь должна была удаляться путем каталитического взаимодействия D2 и O2. Для этой цели создали высокоактивный палладиевый катализатор с высокой пористостью поверхности. Из реактора газовая смесь выходила насыщенной парами тяжелой воды. Для того чтобы не происходило конденсации тяжелой воды в порах катализатора, приводящей к потере каталитической активности, газовую смесь подогревали на 20 – 30 К путем теплообмена выходного потока с входящим. В связи с длительными сроками эксплуатации реактора возникла необходимость создания в нем избыточного количества катализатора и поверхности теплообмена. Однако это привело к неустойчивости каталитического реактора, что потребовало более глубокого изучения теории устойчивости стационарных режимов и поисков пути его стабилизации. Созданная система успешно проработала несколько десятков лет.

Пуск первой АЭС мощностью 5000 кВт в июне 1954 г. в г. Обнинске имел большое историческое значение и знаменовал переход к мирному использованию атомной энергии. Горючим служил уран, а замедлителем – графит. Тепло, образующееся в процессе ядерной реакции, отводилось водой под давлением около 100 ат по каналам небольшого сечения и поступало в парогенератор. Полученный пар подводился к турбине, которая вращала электрогенератор. Во время пуска возникла необходимость определения содержания гремучей смеси в контуре, образующейся в результате радиолиза воды. В контуре был зарезервирован контактный аппарат для ее удаления. Однако предварительно испытать каталитическую активность платиновых сеток при параметрах контура не представлялось возможным. В ответственный период, перед пуском, Игорь Васильевич Курчатов и Ефим Павлович Славский[17] руководили всеми приготовлениями на месте. Передо мной была поставлена задача определять содержание гремучей смеси в воде до и после контактного аппарата в течение двух недель во время увеличения мощности станции. Результаты измерений через каждые 12 ч показали, что стационарное содержание гремучей смеси в контуре очень мало и не представляет опасности. Оказалось, при высоком давлении и достаточно высокой температуре скорость рекомбинации водорода с кислородом велика. 27 июня 1954 г. состоялся официальный пуск атомной станции. В настоящее время результаты этих работ мало кому известны. Полагаю, что вопрос, почему в контурах нет гремучей смеси, остается интересным для науки и истории становления атомной энергетики в нашей стране.

 

[1] Перву́хин Михаил Георгиевич (19041978) ‒ советский государственный, политический и военный деятель. Первый заместитель Председателя Совета Министров СССР (1955 ‒ 1957), член Президиума ЦК КПСС (19521957), генерал-лейтенант инженерно-технической службы, Герой Социалистического Труда.

[2] Фру́мкин Александр Наумович (18951976) ‒ советский физикохимик, организатор науки, автор основополагающих работ в современной электрохимии; основоположник электрохимической кинетики, создатель советской электрохимической школы. Академик АН СССР (1932), иностранный член одиннадцати академий наук зарубежных стран, лауреат Ленинской премии (1931) и трёх Сталинских премий (1941, 1949, 1952), Герой Социалистического Труда (1965), кавалер трех орденов Ленина, двух орденов Трудового Красного Знамени. Заведующий кафедрой электрохимии МГУ (19331976), директор Института физической химии (19391949) и Института электрохимии (теперь имени А.Н. Фрумкина, 19581976) АН СССР.

[3] Это были сложные и до сих пор неоднозначно оцененные годы в истории страны. (Примеч. ред.)

[4] Ворожцо́в Николай Николаевич (младший) (19071979) ‒ химик-органик, ученый и организатор науки, доктор химических наук с 1938, академик АН СССР (1966), директор Института органической химии СО АН СССР (г. Новосибирск).

[5] Буя́нов Роман Алексеевич (1927) – советский химик, чл.-корр. АН СССР (1981). Заместитель директора Института катализа СО АН СССР (Новосибирск), лауреат Ленинской премии (1960).

[6] Алекса́ндров Анатолий Петрович (19031994Москва) – советский физик, академик АН СССР (1953), академик РАН (1991; Президент АН СССР (1975 – 86), трижды Герой Социалистического Труда (1954, 1960, 1973). Один из основателей советской ядерной энергетики.

[7] Коста́ндов Леонид Аркадьевич (19151984) – советский политический и государственный деятель. Министр химической промышленности СССР (1965 – 1980), лауреат Сталинской премии (1951), лауреат Ленинской премии (1960), кавалер трех Орденов Ленина и ордена Трудового Красного Знамени.

[8] Сы́ркин Яков Ки́вович (18941974) – советский ученый, физикохимик, академик АН СССР (1964), заведующий лабораторией строения НИФХИ им. Л.Я. Карпова (1032-1952), заведующий отделом в Институте общей и неорганической химии имени Курнакова (1967 – 1974).

[9] Дяткина Мария Ефимовна – старший научный сотрудник НИФХИ им. Л.Я. Карпова.

[10] Карги́н Валентин Алексеевич (19071969) – выдающийся советский физикохимик, специалист по коллоидной химии и полимерам, основатель советской полимерной школы, академик АН СССР (1953), заведующий лабораторией НИФХИ им. Л.Я. Карпова.

[11] Тёмкин Менасий (Михаил) Исаакович (19081991) – советский ученый-физикохимик, один из основателей современной кинетики сложных каталитических реакций, лауреат Государственной премии СССР(1978), заведующий лабораторией химической кинетики НИФХИ им. Л.Я. Карпова (1932-1991).

[12] Блюменфе́льд Лев Александрович (19212002) – советский физик, основатель крупнейшей биофизической школы, заслуженный деятель науки РФ (1999), доктор химических наук, профессор, заведующий кафедры биофизики физфака МГУ им. М.В. Ломоносова.

[13] Карпов Владимир Львович (1907 – 86) – российский химик-технолог, один из создателей отечественной радиационной химии полимеров. Сын Л. Я. Карпова. Лауреат Государственной премии СССР (1969). Заведующий лабораторией НИФХи им. Л.Я. Карпова.

[14] Колоты́ркин Яков Михайлович (1910 – 1995), физикохимик, академик РАН (1970), Герой Социалистического Труда (1980), директор НИФХИ им.Л. Я. Карпова (1948 – 51 и с 1957).

[15] Кафта́нов Сергей Васильевич (19101978) – советский государственный деятель, министр высшего образования СССР (1946 – 1951), директор НИФХИ им. Л.Я. Карпова (1952-1953), ректор МХТИ им. Д.И. Менделеева (1962-1973); кавалер двух орденов Ленина, трех орденов Трудового Красного Знамени.

[16] Алиха́нов Абрам Исаакович (19041970) – выдающийся советский физик. Один из основоположников ядерной физики в СССР и создателей первой советской атомной бомбы. Основатель Института теоретической и экспериментальной физики. Академик АН СССР (1943), трижды лауреат Сталинской премии.

[17] Сла́вский Ефим Павлович (18981991) – советский государственный и партийный деятель, трижды Герой Социалистического Труда (1949, 1954, 1962), один из руководителей проекта по созданию советского ядерного оружия, позднее – руководитель советской атомной промышленности СССР. Лауреат Сталинской (1949) и Ленинской (1980) премий.

Вы можете связаться с нами через эту форму:

CAPTCHA
Этот вопрос задается для того, чтобы выяснить, являетесь ли Вы человеком или представляете из себя автоматическую спам-рассылку.

или по телефону:

+7-915-236-61-23

(Слинько Марина Михайловна)