Освобожденная материя: конкурентные преимущества российской науки в области физики взрыва

Жизнь современного человека невозможно представить без миллионов маленьких взрывов — ​например, ежесекундно происходящих в двигателях автомобилей. Человечество обязано взрыву не только современным комфортом, но и самим фактом своего существования.

Согласно теории, которая так и называется — ​теория Большого взрыва, Вселенная возникла в результате взрыва и представляла собой высокооднородную и изотропную среду с необычайно высокими значениями плотности 10⁹³ г/см³, температуры 10³² К и давления 10¹¹³ Па. В Национальном центре физики и математики (НЦФМ) в распоряжении ученых есть уникальные экспериментальные комплексы и технологии, позволяющие охватить исследованиями широчайший диапазон параметров физики взрыва: от сверхплотных твердых веществ до экстремально сжатой газовой плазмы.

Подробнее о работах в этом направлении рассказывают сопредседатели секции научно-технического совета НЦФМ «Газодинамика и физика взрыва»: и. о. директора Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии РАН член-корреспондент РАН Игорь Ломоносов и директор Института экспериментальной газодинамики и физики взрыва Российского федерального ядерного центра «Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики» (РФЯЦ-ВНИИЭФ) Сергей Ерунов.

Предмет исследования

Игорь Ломоносов: Мы изучаем процессы и свойства веществ при экстремальных условиях. Хокинг говорил: «Есть много чего известного в окружающем нас мире, но самое неизвестное относится к экстремальным состояниям в природе». Это вызов и выход на предельные возможности современной науки. Например, более 90 % так называемого барионного вещества во Вселенной находится в экстремальном состоянии. Это мир очень высоких давлений, очень больших температур и очень сильных электромагнитных полей. Мы исследуем вопросы, как образовалась и эволюционировала Вселенная, как рождаются и умирают звезды, планеты и другие астрофизические объекты.

Сергей Ерунов: В Солнечной системе есть газовые планеты-гиганты. Считается, что там, возможно, находится металлизированный водород. Есть гипотеза, что это уникальное вещество — ​сверхпроводник. Так это или нет, мы можем проверить в наших экспериментах. В лабораторных условиях создается то, что возникло естественным образом на огромном расстоянии от нас.

Практическая сторона

И. Л.: В первую очередь, конечно, речь о проблеме инерциального управляемого термоядерного синтеза, где за характерное время, до 10 наносекунд, зажигается термоядерная реакция. Это самая неограниченная, чистая и безопасная энергия из всех существующих. Нужно знать свойства веществ, так как там огромное давление, температура и очень сложные процессы. Как сжать горючую термоядерную смесь, чтобы зажечь новое Солнце? Это наши научные направления — ​исследования свой­ств и неустойчивостей, которые возникают в среде с экстремальными условиями, где еще и происходят различного рода реакции.

С. Е.: Поведение термоядерной смеси в условиях зажигания изучается расчетным способом, но, чтобы расчет был точным, необходимо его откалибровать на экспериментальные данные. Те рекорды, которые мы получаем при сжатии плазмы легких газов, приближают нас к области зажигания. Например, в рамках научной программы НЦФМ в 2022 году вышла публикация о достижении давления 180 млн атмосфер в дейтерии и гелии. Это рекордное давление — ​почти в 20 раз больше, чем в других мировых лабораториях. Чем выше в термодинамических координатах лежит экспериментальная точка, тем точнее расчетный прогноз той области, где происходит термоядерное зажигание. Для построения уравнения состояния нужны совершенно разные эксперименты.

Важно, что результаты экспериментов в области газодинамики и физики взрыва применимы во многих других областях развития науки и техники. Недавно мы с коллегами-астрофизиками из Российской академии наук опубликовали статью о том, почему некоторые звезды взрываются, а некоторые просто угасают. Мы показали подобие процессов, сопровождающих взрыв наших экспериментальных устройств, и эволюции звезд. Оказалось, что есть критическая масса звезды, при которой по завершении процесса стремительного сжатия плазмы энергия расталкивающей силы начинает преобладать над энергией схлопывания, и тогда происходит разлет и взрыв. Если же система уравновешена, то процесс колебания размера звезды проходит плавно и приводит к затуханию.

Объединение умов

И. Л.: Кооперация в рамках НЦФМ объединяет выдающихся ученых, работающих в РФЯЦ-ВНИИЭФ, в других научно-исследовательских институтах и научных центрах, в Российской академии наук. Мы давно знаем друг друга, разговариваем на одном языке, решаем близкие задачи и используем понятные нам методики. Эти контакты получили новое развитие в рамках НЦФМ.

Мы объединяем усилия, обмениваемся идеями и проблемами, понимаем, что делается в наших и в ведущих мировых научных лабораториях, пытаемся совместно получить новые знания. Любые новые знания всегда востребованы и обязательно найдут применение в фундаментальной или прикладной области.

С. Е.: Кооперация ученых в рамках научной программы НЦФМ позволяет ускорить процесс научного развития, мы дополняем друг друга. Например, наши коллеги из Академии наук не имеют возможности проводить такие масштабные эксперименты, как мы. И то, что они развивают теоретически, мы можем проверить опытным путем при больших давлениях. А чем шире исследованный диапазон давлений, тем точнее будет уравнение состояния.

Совместные исследования также позволяют молодым специалистам реализовать свой научный потенциал: публиковаться, выйти на защиту кандидатской или докторской диссертации. Два года мы работаем по научной программе НЦФМ, и виден всплеск активности среди молодых ученых. Количество статей, которые мы публикуем с ними, существенно выросло, активно начались и защиты диссертаций.

Место НЦФМ в мире

И. Л.: Помимо фундаментальных исследований мы реализуем крупные проекты в интересах госкорпорации «Росатом». Используем наши экспериментальные площадки и применяем высокоэнергетические материалы для того, чтобы получать экстремальные состояния вещества и изучать их. Это дорогостоящие работы на перспективу.

То, что мы сегодня делаем, наверное, реализуется еще лишь в двух-трех центрах в мире. В США это ключевые национальные лаборатории, такие как Лос-Аламосская, «Сандия», Ливерморская, годовой бюджет каждой — ​миллиарды долларов. Лазерные установки для таких исследований есть и во Франции.

Наши работы в этой области находятся на передовом уровне. Например, наработки по сжатию изотопов водорода и гелия до почти 200 млн атмосфер. У нас крупные установки и эксперименты по сжатию веществ макроскопических, миллиметровых, размеров, что существенно повышает достоверность результатов.

Конечно, давление в десятки и сотни миллионов атмосфер создается и на лазерной установке NIF в Ливерморской лаборатории. Там 192 лазера по 2 кДж каждый, и при конверсии лазерного излучения в рентгеновское в капсулу с горючим вкладывается до сотни килоджоулей, но по сравнению с нашими экспериментами это микроскопический объект, он требует изощренных диагностических методов.

На Z-машине Национальных лабораторий «Сандия» в аналогичных нашим экспериментах речь идет о толщинах сжатого вещества в десяток микронов, прямого измерения проводимости нет, она определяется по коэффициенту отражения лазерного излучения. В целом это пример получения важных данных с помощью разных методов в сильно отличающихся экспериментальных условиях.

С. Е.: В этом году мы закладываем базу перспективных результатов в ранее неизвестной области знаний. Ожидаем получить в следующем году новые экстремальные состояния вещества. Важный результат и то, что в процессе мы совершенствуем экспериментальные устройства, на которых работаем. Благодаря хорошему финансированию НЦФМ мы запускаем дорогостоящую подготовку экспериментов на протонографическом комплексе с более высокой по сравнению с рентгенографическим просвечивающей способностью. Это новый инструмент, который позволит расширить область наших представлений о поведении вещества на плоскости термодинамических координат давление — ​плотность.

На новом оборудовании мы также сможем изучать системы, исследования которых были приостановлены, — ​например, газодинамический термоядерный синтез. Проблема состояла в несовпадении нейтронного выхода по расчетам и в эксперименте. Сейчас у нас есть гипотеза, почему это могло происходить. В рамках научной программы НЦФМ и на новом, технологически более совершенном оборудовании мы сможем проверить корректность гипотез. Таким образом, мы вдохнем новую жизнь в проводимые ранее исследования.

На мой взгляд, наше конкурентное преимущество — ​самобытный путь, которым пошла отечественная наука в области газодинамики и физики взрыва. Благодаря этому мы имеем технологии, которые выводят нас вперед.

Шанс для молодых

И. Л.: Создаются уникальные условия, чтобы молодежь интересовалась научной деятельностью не только с целью получения образования, но и ради научного творчества — ​с целью создать что-то особенное, остаться в науке на всю жизнь. Мы в НЦФМ стараемся сделать научные работы привлекательными для талантливых ребят. Сегодня мы знаем, что будем делать, понимаем, какие у нас для этого есть ресурсы. Самое время рассказать об этом молодежи. Делается это под руководством наставников, имеющих опыт преподавания спецкурсов в ведущих университетах страны, опыт подготовки и воспитания кандидатов и докторов наук.

При решении приоритетных научных задач подготовка кадров высшей квалификации выходит на первый план. Важно, чтобы молодежь, которая пришла в НЦФМ, понимала, что государство и «Росатом» оказывают центру в Сарове серьезную поддержку, что их предстоящая деятельность востребована. Здесь их ждут, здесь они нужны, здесь на молодежь надеются.

С. Е.: Я рассчитываю, что благодаря НЦФМ к нам увеличится поток молодых специалистов, из которых мы сможем отбирать лучших. Если посмотреть оценки на вступительных испытаниях в технические вузы, то самые высокие баллы в Москве. Это означает, что ребята с большим потенциалом оказываются не в нашем регионе. Но именно их мы хотим рассматривать как кандидатов. Мой четырехлетний опыт руководства институтом показывает, что гигантскую роль играет настрой на работу. Если у человека есть интерес к тому, чем он занимается, тогда точно будет хороший результат.

СЛОВАРЬ

Барионное вещество состоит из барионов — ​тяжелых элементарных частиц, включающих протоны и нейтроны (вместе называемые нуклонами), и ряда короткоживущих частиц, которые при распаде порождают протоны. Все вещество, с которым мы имеем дело и из которого сами состоим, является барионным.

Уравнение состояния связывает соотношение термодинамических систем между характеризующими их макроскопическими физическими величинами, такими как температура, давление, объем, химический потенциал, энтропия, внутренняя энергия, энтальпия и др. Если изучаемый объект допускает термодинамическое описание, то это описание выполняют посредством уравнений состояния, которые для реальных веществ могут иметь весьма сложный вид.

Протонный радиографический комплекс — ​созданная специалистами РФЯЦ-ВНИИЭФ и Института физики высоких энергий им. Логунова НИЦ «Курчатовский институт» единственная в мире установка класса мегасайенс, которая позволяет проводить углубленное изучение физики быстропротекающих газодинамических процессов. Имеет существенные преимущества перед широко распространенной импульсной рентгенографией — ​пространственное и временное разрешение, многокадровость, просвечивающая способность мишеней, динамический диапазон регистрации и проч.