Материалы портала «Научная Россия»

0 комментариев 1430

ИЯФ СО РАН - Завод по производству науки

В Институте ядерной физики имени Г.И. Будкера СО РАН пытаются приручить плазму, ищут отклонения от Стандартной модели и создают уникальные установки для терапии онкологических заболеваний

"Завод по производству науки" — так однажды назвал Институт ядерной физики ученый из Всероссийского научно-исследовательского института экспериментальной физики В.А. Аринин. И неспроста. В далеком 1957 году, когда создавалось Сибирское отделение Академии наук СССР, в числе первых институтов формировался именно Институт физики. Руководителем института стал Герш Ицкович Будкер — легендарная для отечественной науки фигура, уже в те годы автор многочисленных открытий и изобретений в области физики плазмы и физики ускорителей. Будкер был не только выдающимся физиком, но и прекрасным организатором. По словам нынешнего директора ИЯФ, Павла Логачева, Будкер понимал, что на обычных заводах невозможно делать то, чего никто никогда не делал — создавать буквально с нуля уникальные установки для науки. Нужна была специальная площадка и творческие люди, работающие по тем же принципам, что и научное сообщество в Институте ядерной физики — принципам равенства, ответственности и единства. Спустя десятилетия Институт продолжает разрабатывать источники синхротронного излучения, коллайдеры и другие установки не только для российской науки, но и в рамках международных проектов.

Здание Института ядерной физики им. Г.И. Будкера в Академгородке

Здание Института ядерной физики им. Г.И. Будкера в Академгородке

Николай Малахин / Научная Россия

Институт ядерной физики по сей день остается одним из ведущих мировых центров в области физики высоких энергий и ускорителей, физики плазмы и управляемого термоядерного синтеза. В Институте проводятся крупномасштабные эксперименты по физике элементарных частиц на электрон-позитронных коллайдерах и уникальном комплексе открытых плазменных ловушек, разрабатываются современные ускорители, интенсивные источники синхротронного излучения и лазеры на свободных электронах. Уникальные установки и оборудование Института составляют основу инфраструктуры для широкого спектра междисциплинарных научных и научно-технологических исследований, проводимых в созданных с участием Института центрах коллективного пользования: Сибирском Центре синхротронного и терагерцового излучения, Центре геохронологии кайнозоя, Центре радиационных технологий. Их возможностями ежегодно пользуются сотни организаций.

НАСЛЕДИЕ БУДКЕРА

В 50-е годы прошлого века Будкер предложил концепцию коллайдера — ускорителя элементарных частиц на встречных пучках, в котором частицы сталкиваются не с фиксированной мишенью, а с летящими им навстречу другими частицами. Это предопределило будущее развитие ускорительной техники и физики в целом. В последние десятилетия было создано много крупных установок, основанных на этом принципе. Например, предшественником Большого адронного коллайдера в европейском CERN был Большой электрон-позитронный коллайдер (Large Electron-Positron Collider - LEP), закрытый в 2000 году.

Сегодня ученые из Института ядерной физики работают с электрон-позитронным коллайдером ВЭПП-2000, разработка которого началась в 2000 году. Коллайдер ВЭПП-2000 стал своего рода младшим братом LEPа. Их отличает энергия частиц. Так, в европейском коллайдере энергия достигала 100 гигаэлектронвольт на пучок (суммарная энергия — 200 гигаэлектронвольт). У сибирского "коллеги" энергия достигает 2 гигаэлектронвольта. 

Электрон-позитронный коллайдер ВЭПП-2000

Электрон-позитронный коллайдер ВЭПП-2000

Николай Малахин / Научная Россия

 

Заместитель директора ИЯФ СО РАН по научной работе Иван Борисович Логашенко

Заместитель директора ИЯФ СО РАН по научной работе Иван Борисович Логашенко

Николай Малахин / Научная Россия

Заместитель директора ИЯФ СО РАН по научной работе Иван Борисович Логашенко: "ВЭПП-2000электрон-позитронный коллайдер, где сталкиваются пучки электронов и позитронов. Такие пучки представляют собой очень маленькие сгустки, длинной несколько сантиметров и тоньше человеческого волоса. Они летают в противоположных направлениях и сталкиваются в двух специальных местах столкновения — внутри детекторов КМД-3 и СНД. При столкновении рождаются новые частицы, которые фиксируются детекторами. Анализируя продукты столкновения пучков электронов и позитронов, мы изучаем то, как устроены законы природы на самых малых масштабах. 

Коллайдеров во всем мире не так немного. Это очень редкий прибор. С помощью каждого из них изучаются единые физические законы, несмотря на разные используемые частицы: электроны, позитроны, протоны и другие. Особенность электрон-позитронных коллайдеров состоит в точности измерений. Тогда как протонные коллайдеры способны достигать самых высоких энергий".

Заместитель директора ИЯФ СО РАН по научной работе Иван Борисович Логашенко рассказывает о специфике работы коллайдера 

В декабре 2020 года ученые Института ядерной физики на коллайдере ВЭПП-2000 с высокой точностью измерили сечение процесса электрон-позитронной аннигиляции в два пи-мезона (пиона). Полученные данные приблизили научное сообщество к решению одной из фундаментальных задач современной физики — измерению и сравнению с теоретическими расчетами величины аномального магнитного момента мюона. Это сравнение позволит сделать вывод о существовании отклонения от Стандартной модели. Физики более 10 лет пытаются решить эту загадку. 

На детекторе СНД уже достигнута точность лучше 1%. Ведется работа по достижению еще более высокой точности на втором детекторе — КМД-3. Эти результаты  позволят приблизиться к решению загадки аномального магнитного момента мюона. 

"ПУТЬ" К ТЕРМОЯДУ

Латинское слово iter означает путь. Оно же обозначает сегодня одну из крупнейших в мире установок — ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) — проект международного экспериментального термоядерного реактора. Задача ИТЭР — продемонстрировать возможности коммерческого использования термоядерного реактора, а также решить физические и технологические проблемы, которые могут встретиться на этом пути.

Наблюдая за звездами, изучая их, британский физик Артур Эддингтон предположил, что в недрах звезд из водорода синтезируется гелий. Сегодня мы знаем, что звезды подвержены целому каскаду реакций, которые приводят к термоядерному синтезу и выделению большого количества энергии. Ученые видели в этом возможность создания уникального источника энергии. Сегодня научное сообщество продолжает грезить о запуске термояда на Земле. Но загвоздка в том, что для поддержания термоядерного синтеза требуется слишком много энергии и сохранение определенных условий, иначе процесс быстро затухает.

К разгадке управляемого термояда подошли в свое время советские физики. Для контроля над термоядерным синтезом ученые придумали "тороидальную камеру с магнитными катушками". От начальных слогов этого выражения родился термин "токамак", используемый сегодня во всем мире. Камеру наполняют топливом — тяжелыми изотопами водорода — дейтерием и тритием. Затем подают газовый разряд, отрывая от них электроны. Получается плазма, которую нагревают до 150 миллионов градусов Цельсия. А это в десять раз выше температуры внутри Солнца. В раскаленной плазме из ядер дейтерия и трития рождаются ядра гелия. А сам процесс сопровождается выбросом быстрых нейтронов, чья энергия  может передаваться теплоносителю, например воде, и служить для выработки тепло- и электроэнергии, как на ТЭС или АЭС.

В числе стран-участниц международного проекта — Россия. Сразу несколько ведущих физических институтов выполняют те или иные задачи для ITER. Среди них и Институт ядерной физики. им. Г. И. Будкера. ИЯФ СО РАН занят в изготовлении и последующей поставке части диагностических систем для измерения различных параметров плазмы. Специалисты ИЯФ СО РАН участвуют в разработке диверторного монитора нейтронного потока (системы, которая позволяет путем прямых измерений демонстрировать достижение термоядерного синтеза в реакторном масштабе). Также специалисты Института принимают участие в создании вертикальной нейтронной камеры, предназначенной для измерения профиля пространственного распределения источника нейтронов и альфа-частиц, образующихся в результате термоядерного синтеза. Ясно, что для уникального проекта необходимы и специальные условия. Так, в одной из лабораторий ИЯФ был создан высокотехнологичный испытательный стенд — чистая комната, где поддерживаются определенная температура, уровень влажности и содержание пыли. В помещении сотрудники лаборатории собирают и тестируют диагностические системы ITER. 

Название изображения
Название изображения

 

Кантователь для экваториального порта № 11

Кантователь для экваториального порта № 11

Николай Малахин / Научная Россия

Старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Андрей Алексеевич Шошин

Старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Андрей Алексеевич Шошин

Николай Малахин / Научная Россия

Старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Андрей Алексеевич Шошин"В чистой комнате мы работаем с кантователем для экваториального порта № 11одного из четырех диагностических портов ITER. Институт ядерной физики разрабатывает и интегрирует, то есть собирает разные диагностические элементы. Кантователь как раз позволяет собрать нужные части порта воедино. Сам корпус порт-плагамодуля, позволяющего разместить системы для диагностики параметров плазмы внутри реакторасейчас изготавливается во Франции. В течение года его доставят сюда, а мы начнем сборку".

Старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Андрей Алексеевич Шошин демонстрирует кантователь

УДЕРЖИВАЯ ПЛАЗМУ

На пути к использованию термоядерного синтеза необходимо решить одну из важнейших задач, связанную с эффективным нагревом плазмы. Например, в строящемся ITER плазма будeт нагреваться до 150 миллионов градусов. Для достижения такой высокой температуры применяется метод инжекции пучков нейтральных атомов, которые генерируются высоковольтным инжектором. В высоковольтном инжекторе ИЯФ СО РАН отрицательные ионы водорода ускоряются до энергии 1 миллион электрон-вольт, а затем с высокой эффективностью преобразуются в пучок быстрых атомов. Сам прототип инжектора по размерам сопоставим с двухэтажным домом. 

Название изображения
Название изображения
Советник дирекции ИЯФ СО РАН Александр Александрович Иванов

Советник дирекции ИЯФ СО РАН Александр Александрович Иванов

Николай Малахин / Научная Россия

Советник дирекции ИЯФ СО РАН Александр Александрович Иванов"Установка создана совместно с американской компанией Tri Alphа Energy (TAE). Она предназначена для нагрева плазмы в крупных термоядерных установках. Задача по нагреву плазмы до сотен миллионов градусовдостаточно сложная. Но нам удалось найти решение. Пучок из ионов водорода разгоняют до 14 тыс. км/с. Так он с высокой эффективностью преобразуются в пучок быстрых атомов и входит в установку, где плазма нагревается до нужной температуры".

Советник дирекции ИЯФ СО РАН Александр Александрович Иванов о высоковольтном инжекторе

СКУЁМ ИЗ ПЛАЗМЫ ТЕРМОЯД!

Такой девиз выбрали для себя сотрудники, работающие с комплексом ДОЛ (Длинные Открытые Ловушки). Это инфраструктурный комплекс, состоящий из нескольких специализированных электрофизических установок, нацеленных на создание физической базы знаний, которая необходима для сооружения термоядерного реактора на основе открытой ловушки, и для развития сопутствующих перспективных плазменных технологий. Когда будет запущен ITER, встанет вопрос — на основе какой системы с магнитным удержанием строить коммерческий термоядерный реактор. Среди основных известных на сегодня систем распространены токамаки, стеллараторы и конфигурация с обращенным полем. А ИЯФ СО РАН занимается одним из альтернативных направлений — открытыми ловушками для удержания плазмы. Так, на установке КОТ исследуется физика формирования и удержания компактного плазменного тороида с предельно высоким относительным давлением плазмы.

Название изображения
Название изображения

 

Заместитель директора по научной работе ИЯФ СО РАН Петр Андреевич Багрянский

Заместитель директора по научной работе ИЯФ СО РАН Петр Андреевич Багрянский

Николай Малахин / Научная Россия

Заместитель директора по научной работе ИЯФ СО РАН Петр Андреевич Багрянский"Мы занимаемся удержанием термоядерной плазмы в магнитных системах, похожих на бутылку. Идея заключается в том, чтобы удерживать плазму с давлением близким или превышающем давление магнитного поля. Такой подход позволяет создавать компактные установки, которые способны работать даже на альтернативных топливах, например, на дейтерии, запасы которого неисчерпаемы. А это путь к решению глобальной энергетической проблемы".

Заместитель директора по научной работе ИЯФ СО РАН Петр Андреевич Багрянский рассказывает об установке КОТ

Другая установка ГОЛ-NB представляет собой симбиоз центральной газодинамической ловушки и секции с многопробочным магнитным полем. Такой комбинированный метод позволяет уменьшить потерю плазмы. Благодаря особенностям рассеяния частиц плазмы в гофрированном магнитном поле плазма не просто вытекает из ловушки, а как бы трется о «гофрировку» магнитного поля. Из-за этого плазменный поток будет существенно замедляться, а значит, и потерь будет меньше.

Установка ГОЛ-NB

Установка ГОЛ-NB

Николай Малахин / Научная Россия

Старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Владимир Валерьевич Поступаев

Старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Владимир Валерьевич Поступаев

Николай Малахин / Научная Россия

Старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Владимир Валерьевич Поступаев: "Установка по-настоящему уникальна. Это ловушка для удержания высокотемпературной плазмы. Впервые нам удалось объединить два разных принципа удержания плазмы. Есть основное центральное ядрогазодинамическая ловушка, в которой плазма будет нагреваться и удерживаться. К этой центральной ловушке пристыкованы две секции, формирующие сильное магнитное поле."

Старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Владимир Валерьевич Поступаев об установке ГОЛ-NB

 "МЯСОРУБКА" ДЛЯ ПЛАЗМЫ

Как известно, на Солнце плазму удерживает гравитационное поле. Чтобы приблизиться к подобным условиям на Земле советские физики выдвинули идею создания термоядерного реактора на основе принципа магнитного удержания и предложили концепцию замкнутой магнитной ловушки. Примерно в то же время появились и альтернативные методы, в том числе ловушки открытого типа. Физики из плазменных лабораторий ИЯФ пошли еще дальше: для подавления продольных потерь плазмы из открытой ловушки ученые используют магнитное поле с винтовой симметрией, позволяющее при помощи вращения управлять течением плазмы. Для проверки этой концепции была разработана и построена небольшая экспериментальная установка СМОЛА (Спиральная Магнитная Открытая Ловушка).

Экспериментальная установка СМОЛА

Экспериментальная установка СМОЛА

Николай Малахин / Научная Россия

По словам старшего научного сотрудника ИЯФ СО РАН Антона Судникова, установка напоминает шнек мясорубки, который крутит измельченное мясо в нужном направлении. С двух сторон от центрального отсека с плазмой создается винтовая нарезка поля, но сразу с двумя винтами — правым и левым. С одной стороны магнитное поле тащит плазму влево, с другой — вправо, буквально закачивая плазму обратно. Конечно, полностью избавиться от потерь при этом нельзя, тем не менее физики ИЯФ уже сильно продвинулись по параметрам удержания плазмы.

Старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Антон Вячеславович Судников

Старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Антон Вячеславович Судников

Николай Малахин / Научная Россия

Старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Антон Вячеславович Судников: "Академик Арцимович говорил, что в 1958 году казалось, что до термоядерного синтеза достаточно пройти из точки А в точку Б. Потом оказалось, что нужно не идти, а ехать на велосипеде. Затем, что на велосипеде нужно ехать по канату, натянутому над пропастью. После оказалось, что велосипед одноколесный. И в конце концов, выяснилось, что нужно ехать с завязанными глазами. Поэтому здесь в ИЯФ мы едем с завязанными глазами над пропастью на одноколесном велосипеде.

Сама идея использования термоядерного синтеза для энергетики достаточно давняя. Уже проведено множество исследований, и чем дальше, тем ближе мы подходим к реализации этой идеи.

Нам удалось показать, что концепция использования магнитного поля с винтовой симметрией работает и доказывает ранее выдвинутую теорию".

Фотографу "Научной России" удалось "поймать" плазму в момент эксперимента. Ее цвет зависит от вещества. В данном случае используется водород, поэтому плазма имеет розовый цвет

Фотографу "Научной России" удалось "поймать" плазму в момент эксперимента. Ее цвет зависит от вещества. В данном случае используется водород, поэтому плазма имеет розовый цвет

Николай Малахин / Научная Россия

Старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Антон Вячеславович Судников комментирует процесс эксперимента на установке СМОЛА

НОВЫЕ ПОДХОДЫ К ЛЕЧЕНИЮ ОНКОЛОГИЧЕСКИХ ЗАБОЛЕВАНИЙ

В лечении онкологических заболеваний отечественные ученые и медики достигли огромного успеха. Однако до сих пор злокачественные опухоли остаются одной из главных причин смертности в развитых странах, где растет продолжительность жизни. А некоторые из опухолей, например глиобластомы, и сегодня считаются практически неизлечимыми. Ученые всего мира ищут новые подходы и методы борьбы с онкологическими заболеваниями. Одной из перспективных методик лечения скоро должна стать бор-нейтронозахватная терапия. В прошлом году в мире этой методикой начали лечить больных в двух первых клиниках, скоро начнут лечить еще в четырёх, уже построенных. Для одной из клиник в Китае специалистами новосибирского Института ядерной физики СО РАН создан ускорительный источник нейтронов, обеспечивающий лучшее качество терапии.

Установка для БНЗТ

Установка для БНЗТ

Николай Малахин / Научная Россия

Ведущий научный сотрудник ИЯФ СО РАН Сергей Юрьевич Таскаев

Ведущий научный сотрудник ИЯФ СО РАН Сергей Юрьевич Таскаев

Николай Малахин / Научная Россия

Ведущий научный сотрудник ИЯФ СО РАН Сергей Юрьевич Таскаев: "В бор-нейтронозахватной терапии сначала накапливают бор в клетках опухоли, а затем её облучают потоком эпитепловых нейтронов. В результате поглощения нейтронов бором происходят ядерные реакции, которые убивают клетки. Это методика терапии нового уровня – дозу доставляют не в объём, где опухоль, а именно в клетки опухоли, где бы они не находились, щадя здоровые. Сделанный источник нейтронов на основе ускорителя заряженных частиц нового типа и литиевой мишени является ярким примером того, как усилия, знания, опыт, амбиции нескольких поколений сотрудников Института и международное научное сотрудничество воплотились в результат, нужный человечеству".

Ведущий научный сотрудник ИЯФ СО РАН Сергей Юрьевич Таскаев об установке для бор-нейтронозахватной терапии

Впервые побывав в лабораториях Института ядерной физики, становится ясно, что здесь трудятся в том числе для будущих поколений. Все технологии опережают время, а установки, создаваемые в стенах института, приближают человечество к прогрессу не только в области физики, энергетики, но и медицины. Так что выражение "большой завод по производству науки" полностью себя оправдывает. 

институт ядерной физики им будкера со ран итэр плазма сибирское отделение ран термоядерный синтез токамак

Назад

Иллюстрации

Все фото

Социальные сети

Комментарии

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий

Информация предоставлена Информационным агентством "Научная Россия". Свидетельство о регистрации СМИ: ИА № ФС77-62580, выдано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций 31 июля 2015 года.