Мировой рекорд саровских ученых

В конце прошлого года физики из РФЯЦ-ВНИИЭФ и Российской академии наук установили новый мировой рекорд сжатия вещества: 100 млн атмосфер в дейтерии. О значении научного открытия и перспективах применения результатов рассказывают специалисты Института экспериментальной газодинамики и физики взрыва (ИФВ) РФЯЦ-ВНИИЭФ — ведущий научный сотрудник Михаил Мочалов и начальник лаборатории Антон Бликов.

— Расскажите, пожалуйста, подробнее об эксперименте. Как в ядерном центре добиваются столь высоких степеней сжатия вещества?

Михаил Мочалов: Метод квазиизэнтропического сжатия газов с использованием кумуляции энергии в устройствах цилиндрической и сферической геометрии и оборудование для этих исследований были созданы во ВНИИЭФ в 1960-е годы подруководством члена-корреспондента АН СССР Самуила Кормера. Метод позволяет исследовать свойства легких, благородных газов. Сегодня мы можем создавать давление до 10 тыс. ГПа в гелии и дейтерии с помощью мощных ударных волн в мишенях сантиметровой толщины.

Для генерации волн мы применяем химические взрывчатые вещества массой до 100 кг. Прочная стальная оболочка помещается в заряд и заполняется газом под давлением в несколько сотен атмосфер. Взрывчатое вещество одновременно детонирует по всей наружной поверхности. После взрыва в газе формируется сравнительно слабая первая ударная волна. После достижения центра она отражается и вторично проходит по уже сжатому и нагретому газу. Таким образом во внутренней полости с газом формируется серия ударных волн, которые сжимают и нагревают его. Движение оболочки к центру происходит до тех пор, пока возрастающее давление внутри исследуемой плазмы ее не остановит. В этот момент и достигается максимальное сжатие.

«ФИЗИКА ВЫСОКИХ ПЛОТНОСТЕЙ ЭНЕРГИИ ЛЕЖИТ В ОСНОВЕ СОВРЕМЕННОГО ПОНИМАНИЯ ЭВОЛЮЦИИ ВСЕЛЕННОЙ И ЕЕ АСТРОФИЗИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ГРАВИТАЦИОННЫХ СИЛ И ТЕРМОЯДЕРНЫХ ЭНЕРГОВЫДЕЛЕНИЙ»

Для регистрации фаз движения оболочки, сжимающей исследуемое вещество, используется мощное рентгеновское излучение трех бетатронов. Средняя плотность сжатой плазмы определяется по радиусу оболочки в момент ее остановки с учетом исходного размера. Давление и температура плазмы определяются с помощью газодинамического расчета.

— Какое теоретическое и практическое значение имеют результаты эксперимента?

Михаил Мочалов: Изучение состояний вещества с необычайно высокой концентрацией энергии важно как для фундаментальной науки, так и для оборонной тематики. Физика высоких плотностей энергии также лежит в основе современного понимания эволюции Вселенной и ее астрофизических объектов под действием гравитационных сил и термоядерных энерговыделений. К большому сожалению, нет четкого понимания структуры даже ближайших к нам планет Солнечной системы, таких гигантов, как Юпитер или Сатурн. По теоретическим оценкам, плотность вещества в центре Юпитера может достигать 23 г/см³ при давлении порядка 70 млн атмосфер. Юпитер в основном состоит из водорода и гелия, Сатурн на две трети состоит из водорода. Неудивительно, что к изучению свойств водорода и гелия ученые всегда проявляли повышенный интерес. Для описания строения и эволюции астрофизических объектов необходимо знать их физические свойства в сжатом и разогретом состоянии.

Любая экспериментальная информация о свойствах неидеальной плазмы легких (водород, азот и кислород) и благородных газов (аргон, криптон, ксенон и гелий), углекислого газа, которые могут быть использованы в качестве рабочей среды в перспективных энергетических установках, имеет важное практическое значение для создания и тестирования физических моделей, прогнозирующих их поведение в области мегабарных давлений.

— Много ли ученых участвуют в этих исследованиях?

Михаил Мочалов: Общее руководство исследованиями осуществляет почетный научный руководитель РФЯЦ-ВНИИЭФ, академик Радий Илькаев, директор ИФВ Анатолий Михайлов и начальник отдела физики ядерных зарядов ИФВ Владимир Огородников. Научную поддержку оказывает президент РАН, академик Владимир Фортов. Моя роль — научное руководство разработкой экспериментальных устройств, постановкой экспериментов и анализом полученных данных. Конструкторская документация на взрывные устройства разработана коллективом под руководством начальника научно-конструкторской группы ИФВ Владислава Комракова. Неоценимая роль в расчетно-теоретических исследованиях, выборе экспериментальных макетов, анализе полученных данных принадлежит Антону Бликову. Регистрирует рентгеновские изображения оболочки, сжимающей исследуемый газ, коллектив, возглавляемый заместителем начальника отдела физики ядерных зарядов ИФВ Андреем Рыжковым. При обработке полученных изображений используется функциональный метод, разработанный старшим научным сотрудником ИФВ Владимиром Арининым. Высококлассные профессионалы под руководством заместителя начальника отделения КБ-1 Аркадия Юхимчука разработали уникальные источники гелия и дейтерия, позволяющие достигать в камерах объемом 2 л давления 500 атмосфер. Непосредственно в экспериментах принимает участие большой коллектив инженеров, техников и лаборантов. Анализируют полученные данные как сотрудники ВНИИЭФ, так и ученые академических институтов: Объединенного института высоких температур в Москве и Института проблем химической физики в Черноголовке.

— Кто еще в России и в мире ведет подобные исследования?

Антон Бликов: Среди крупнейших лабораторий мира, где широко исследуются свойства водорода, благородных газов в мегабарной области давлений, следует назвать Ливерморскую (LLNL) и Сандийскую (SNL) национальные лаборатории США. В 1998 году в LLNL с помощью лазерного излучения жидкий дейтерий был сжат до плотности 1 г/см³ давлением 200 ГПа. В SNL в опытах с жидким дейтерием c использованием электродинамического ускорителя (Z-пинч) данные LLNL не были подтверждены.

— Расскажите о ваших планах.

Михаил Мочалов: Необходимо дальнейшее исследование фазовых границ водорода, гелия и их смесей, плазменных фазовых переходов, границ металлизации, оптических свойств и т. п.

Для правильного описания процессов, происходящих в глубинах звезд и планет-гигантов Солнечной системы, нужно иметь экспериментальные данные по их структуре и научиться воспроизводить в лабораторных условиях физические процессы, происходящие в их недрах: давление в ряде крупных планет достигает 60 млн атмосфер при температуре 15–20 тыс.˚С. С этой целью планируется серия экспериментов по измерению квазиизэнтропической сжимаемости смеси гелия и водорода. Особый интерес вызывает то, что, по теоретическим предположениям, в этих планетах смесь водорода и гелия может находиться в металлическом состоянии.

— Какова сегодня роль фундаментальных исследований в РФЯЦ-ВНИИЭФ?

Антон Бликов: Сейчас фундаментальные исследования проводятся отдельными инициативными группами, в основном за счет прибыли предприятия. Роль фундаментальных исследований трудно переоценить, если не забывать принцип Харитона: «Мы должны знать в 10 раз больше, чем нам нужно сейчас». В ходе фундаментальных исследований, в особенности проводимых на стыке различных областей науки, рождаются новые подходы, интересные технические решения и даже открытия.

Далее