№ 4

Декабрь/2022

Russian Traveler 04/2022

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:

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.

Более 90% барионного, то есть наблюдаемого вещества Вселенной, находится именно в экстремальном состоянии, и оно буквально окружает нас. Например, давление в центре ядра Земли составляет 3,6 Мбар (миллионов атмосфер), газовых гигантов – Сатурна и Юпитера – 40 и 80 Мбар, а внутри нашей звезды – Солнца – 200 миллиардов атмосфер (Гбар).

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).

Исторически сложилось, что газодинамика и физика взрыва – одно из основных направлений исследований, которые проводят учёные Российского федерального ядерного центра – ВНИИЭФ. Во Всероссийском НИИ экспериментальной физики даже существует целый институт с одноименным названием – Институт экспериментальной газодинамики и физики взрыва (ИФВ РФЯЦ-ВНИИЭФ).

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. 

Где можно применить эти знания?

С практической точки зрения наиболее важными применениями этих знаний являются энергетика и космос.

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.

Есть такой термин – неидеальная плазма, вот при сжатии она как раз и образуется.

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. 

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.

Рекламодатель: ЧУ «Центр коммуникаций». 2Vtzqw4u8GH