ИЯФ СО РАН - Завод по производству науки

"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.

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. 

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. 

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. 

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.

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.

 "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).

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.

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.

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.