Что такое физика взрыва и зачем её изучать? Спросили учёного

14-16 марта студенты, аспиранты, молодые специалисты и учёные соберутся в Сарове на I Всероссийской школе Национального центра физики и математики (НЦФМ) по газодинамике и физике взрыва. Разбираемся, что это такое и как физика взрыва может спасти мир.

В марте в Нижегородской области, городе Сарове пройдет I Всероссийская школа НЦФМ, посвящённая газодинамике и физике взрыва. Подать заявку на участие можно с 13 декабря в течение месяца на сайте. 

Газодинамика и физика взрыва – одно из 10 направлений научной программы НЦФМ, которую реализуют учёные из 50 ведущих научных институтов, вузов и наукоёмких компаний страны. 

Но что такое эта газодинамика и физика взрыва? Как её изучают и зачем? За разъяснениями редакция Russian Traveler решила обратиться к настоящему эксперту – члену-корреспонденту РАН Игорю Владимировичу Ломоносову. Игорь Владимирович – ученик академика РАН Владимира Евгеньевича Фортова, продолжает развивать его научное направление и школу.

На вопросы отвечал:

Игорь Ломоносов

член-корреспондент РАН, сопредседатель секции научно-технического совета НЦФМ «Газодинамика и физика взрыва», и.о. директора ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН.

Что за наука такая – физика взрыва?

В общем и целом, это изучение процессов, происходящих при высвобождении химической энергии, запасенной в высокоэнергетических материалах – взрывчатых веществах (ВВ). Здесь важно понимать физику, химию, термодинамику, механику и газодинамику одновременно. Эта область науки исследует задачи, которые включают в себя целый комплекс проблем. 

С помощью мощных ВВ методом ударного сжатия создаются уникальные состояния в веществе – невероятно высокие давления и температуры. Они во много раз превосходят те, которые находятся в центре Земли! Такие состояния вещества мы называем экстремальными.

Самое удивительное, что мы можем получать и изучать состояния вещества в таких условиях с помощью лабораторных экспериментов.

Например, при выполнении научной программы НЦФМ нашим коллегам из РФЯЦ-ВНИИЭФ удалось с помощью кумулятивных взрывных систем сжать дейтерий (тяжёлый водород – Прим. редакции) до давления почти 200 Мбар (а это, на секундочку, почти в 200 000 000 раз больше, чем привычное нам атмосферное давление – Прим.редакции).

В чем особенность таких экспериментов?

Это очень непростые эксперименты. Скажем, в статических условиях мы можем сжать изучаемое вещество до мегабар между гранями самого прочного вещества – алмаза (а это отдельная область физики высоких давлений, сжатие в алмазных наковальнях). А вот давления в десятки и сотни мегабар не удержит никакое, даже самое прочное, вещество.

Поэтому мы используем метод ударного сжатия и его вариации, когда мощная ударная волна сжимает и разогревает вещество до таких высоких давлений. В этом случае эксперимент является не статическим, а динамическим. За время, пока вещество находится в ударно-сжатом состоянии, а это от долей наносекунды до микросекунд (1 нс = 10^-9 с, 1 мкс = 10^-6 с), нужно успеть провести измерения.

Как результат, мы получаем фундаментальные знания о свойствах веществ в экстремальных условиях, которые позволяют найти ответы на такие важные вопросы как формирование и эволюция окружающей нас Вселенной, звёздных систем, планет и различных космических объектов. 

А при чем тут энергия?

Чистая, недорогая и почти бесконечная по запасам энергия – термоядерная. В процессе контролируемого инерциального термоядерного синтеза капсула, содержащая дейтерий и тритий в металлической оболочке, за несколько наносекунд сжимается почти в 100 раз до давления в почти миллиард атмосфер и температуры миллион градусов.

Конечно, здесь важно очень хорошо знать свойства топлива при таких экстремальных условиях.

Одним из важных параметров плазмы, показывающим её отличие от известного со школьной скамьи идеального газа, является степень неидеальности, это отношение кулоновской энергии заряженных частиц плазмы к тепловой энергии. Для идеального газа оно равно нулю, а в проводимых нами и нашими коллегами РФЯЦ-ВНИИЭФ экспериментах это десятки единиц.

В работах текущего года мы с коллегами провели компьютерное моделирование экспериментов, выполненных в РФЯЦ-ВНИИЭФ до давлений 200 Мбар, с использованием нашей плазменной модели свойств дейтерия. Сравнивали наши расчеты и экспериментальные регистрации, полученные в этих сложнейших и уникальных экспериментах. В результате получили хорошее согласие и верифицировали нашу плазменную модель.

Теперь мы можем с полным основанием использовать эту модель для прогностических расчетов управляемого термоядерного синтеза. 

Как физика взрыва связана с вопросами безопасности в космосе и на Земле?

Вопросы длительной работы орбитальных станций и спутников, защиты от «космического мусора» и астероидной опасности – отдельная большая тема. Сейчас в плане исследований НЦФМ по нашему направлению её нет, но отдельные задачи есть в рамках других направлений научной программы НЦФМ, таких как «Экспериментальная лабораторная астрофизика и геофизика». Конечно, с помощью наших методов мы можем ответить на ряд вопросов.

Как вы, наверно, помните, в 1986 году нас «посетила» комета Галлея. Её изучили советские межпланетные станции «Вега-1» и «Вега-2» (расшифровывается как «Венера — Галлей», это маршрут аппарата – планета Венера и далее комета Галлея). Одна из станций,  «Вега-1» прошла совсем близко от ядра кометы и «увидела» ее ядро. Станция получила сильные повреждения от кометных частиц, скорость удара была почти 80 км/с, но уцелела.

Академик Фортов и сотрудники его лаборатории, тогда Отделения Института химической физики АН СССР (сейчас это наш ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии) в кооперации с исследователями других институтов разработали модели свойств материалов станций «Вега» и далее сделали то, что мы называем прогностическим компьютерным моделированием. Дело в том, что даже сегодня такие огромные скорости в десятки километров в секунду мы не можем устроить в эксперименте и посмотреть, какая защита станции выдержит удар частиц кометы.

По результатам моделирования моим старшим коллегам удалось подобрать конструкцию защитных экранов аппаратов «Вега». И хотя, как потом выяснилось, оценка количества кометных частиц вблизи ядра была занижена на порядок, защитная конструкция вполне справилась со своей задачей. 

Какова вероятность, что вы погибнете от космического мусора?

читать

Чему посвящено ваше исследование в рамках научной программы НЦФМ по газодинамике и физике взрыва?

В широком смысле тема наших работ – мощные ударные и детонационные волны, их применение для изучения свойств веществ и процессов при экстремальных условиях – является в терминах академиков Зельдовича и Фортова «вечнозелёной».

Здесь до сих пор возникает огромное количество вопросов и всё ещё не решённых задач. Поэтому мне хотелось бы закончить интервью пожеланием молодым исследователям – прийти в это направление и продолжить то, над чем работали наши учителя и что сейчас развиваем мы.

От ядерной астрофизики до прелестных кварков: как проходят школы для молодых ученых в Сарове

читать