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.
![](https://storage.yandexcloud.net/storage.yasno.media/nat-geo/images/2022/12/14/801359385d244949825cc781328afe99.max-2000x1000.jpg)
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:
![Lomonosov_IV_росатом НЦФМ](https://storage.yandexcloud.net/storage.yasno.media/nat-geo/images/2022/11/22/267dee956f604d85a895a717a290568b.2e16d0ba.fill-200x200.jpg)
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.
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.
![](https://storage.yandexcloud.net/storage.yasno.media/nat-geo/images/2022/12/14/95ae36d6512b457286e25c8c058d7395.max-2000x1000.jpg)
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?](https://storage.yandexcloud.net/storage.yasno.media/nat-geo/images/2022/7/26/bced73d2e3d144a9bcc406be1715aa0a.2e16d0ba.fill-300x200.jpg)
Какова вероятность, что вы погибнете от космического мусора?
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.
![](https://storage.yandexcloud.net/storage.yasno.media/nat-geo/images/2022/12/14/621faecfbd2948d2808104a57b2a8efe.max-2000x1000.jpg)
![От ядерной астрофизики до прелестных кварков: как проходят школы для молодых ученых в Сарове](https://storage.yandexcloud.net/storage.yasno.media/nat-geo/images/2022/11/29/9a80ab009da842c089eaab5d0bb9e188.2e16d0ba.fill-300x200.jpg)