От фундаментальной физики к инновациям

Гендиректор ФЭИ, лауреат премии Правительства РФ в области науки и техники Андрей Говердовский выступил в рамках проекта «Научные чтения». Приводим выдержки из лекции «Фундаментальная ядерная физика как драйвер инноваций «Росатома».

— Сегодня мы поговорим о чистой науке, но в названии лекции есть слово «инновации». У меня довольно сложная задача — фундаментальную ядерную физику привязать к сегодняшней проблематике «Росатома». В первую очередь я буду говорить о делении ядер. Если бы не было открыто деление ядра, не было бы «Росатома».

— Ядра состоят из нуклонов, протонов и нейтронов и составляют примерно одну миллионную объема атомов. Потрясающая вещь: мы с вами все пустые, то, что мы видим, — обман зрения. Вся наша масса, все наше существо сконцентрировано в одной миллионной объема каждого из нас. Как и всего, что нас окружает.

— Что такое энергия? Энергия — это масса. Масса — это энергия. Взаимная трансформация массы и энергии — один из столпов, на которых держится наш мир. При делении ядра выделяется энергия. Часть массы разделившегося ядра переходит в энергию. Один наш гигаваттный блок каждый год лишает Землю килограмма материи. Правда, эта материя потом появляется в другом месте, когда вы крутите ротор машины, нагреваете атмосферу и т. п.

— Если вы будете растягивать каплю воды, то она рано или поздно разорвется. То же самое происходит и с ядром. Почему — мы до сих пор не понимаем.


«ОКАЗАЛОСЬ, ЧТО В ОБЛАСТИ ПОЛНОЙ ТЕПЛОТЫ РЕАКЦИИ ОБРАЗУЕТСЯ БОЛЬШОЕ КОЛИЧЕСТВО СФЕРИЧЕСКИХ ХОЛОДНЫХ ОСКОЛКОВ. ФАКТИЧЕСКИ МЫ УВИДЕЛИ ЛЬДИНКИ В СТАКАНЕ С ГОРЯЧИМ ЧАЕМ»


— В процессе деления ядро по какой-то причине начинает вытягиваться вдоль одной из осей координат и становится похожим на гантель. Перемычка, или шейка, как ее называют специалисты, в какой-то момент рвется. Получаются два обособленных осколка — ядра, которые еще не сбросили возбуждение, наработанное в процессе вытягивания. Они настолько восхищены были делением, настолько возбудились, что оказались способны выкидывать нейтроны. В этом и заключается суть использования процесса: при делении ядра образуется несколько нейтронов. Лишние нейтроны способны делить ядро дальше. Возникает цепная реакция.

— Важнейшая вещь, связанная с физикой деления ядра, — барьер деления. Деление — это квантовый эффект, ему препятствует огромная потенциальная энергия. Если ядро поглощает нейтрон, появляется внутреннее возбуждение, которое может превышать барьер, тогда деление происходит стопроцентно.

— Расчеты показали, что на поверхности ядра есть долина деления, вдоль которой идет движение, увеличивающее деформацию. А есть долина слияния, которая имеет отношение к синтезу сверхтяжелых элементов. Существует некий холм между двумя долинами. Есть вероятность, что его можно преодолеть, совершить квантовый переход из одного потенциала в другой. Это можно изучить только экспериментально. И такие эксперименты надо проводить.

— Одно из интересных направлений фундаментальных исследований в физике деления ядер — спектрометрия фрагментов. Ученые используют ионизационные камеры с цифровым анализом данных. Эта техника позволяет определять массу осколков деления, их заряды, формы. Самое интересное в микромире — это форма. Что такое электрон? Наверное, шарик. А вот осколки тяжелых ядер имеют самые вычурные формы.


«ПОТРЯСАЮЩАЯ ВЕЩЬ: МЫ С ВАМИ ВСЕ ПУСТЫЕ, ТО, ЧТО МЫ ВИДИМ, — ОБМАН ЗРЕНИЯ. ВСЯ НАША МАССА, ВСЕ НАШЕ СУЩЕСТВО СКОНЦЕНТРИРОВАНО В ОДНОЙ МИЛЛИОННОЙ ОБЪЕМА КАЖДОГО ИЗ НАС. КАК И ВСЕГО, ЧТО НАС ОКРУЖАЕТ»


— Раньше ученые думали, что при делении ядра образуются два одинаковых по массе и энергии осколка. Но спектрометрический анализ показал, что в реальности почему-то один осколок чаще всего тяжелее другого. Важно объяснить, почему так происходит.

— Холодное деление — еще один раздел фундаментальных исследований. Это деление, при котором осколки остаются холодными, не выделяют нейтроны. Ученым мало было получить холодные фрагменты — им захотелось разделить абсолютно холодное ядро. Тут имеет смысл поискать, эта область не исследована. Сегодня появились инструменты, которые, возможно, позволят создать ядру соответствующие условия. Первая задача — найти абсолютно холодное ядро, которое вообще не возбуждено. Искать надо в той области, где ядра сферические, потому что деформированные ядра почти всегда хоть чуточку, но возбуждены. В Радиевом институте проводили эксперимент: в течение года облучали торий. Оказалось, что в области полной теплоты реакции образуется большое количество сферических холодных осколков. Фактически мы увидели льдинки в стакане с горячим чаем.

— Давайте про инновации. Для «Фукусимы» надо было создать детектор, была жесточайшая конкуренция между российской командой — Tenex, «РосРАО», НИИТФА и ФЭИ, японцами и французами. Победили русские, потому что подошли с умом к проблеме. Мы использовали опыт, который наработали при исследовании осколков деления, и создали цифровую дозиметрию. Повысили надежность, информативность и чувствительность детекторов.

— Еще один пример инновации, к которой приводит увлечение фундаментальными исследованиями. Чтобы облучать ядра и холодные осколки, ученые получили очень короткие чистые пучки на ускорителе. И тут нам в голову пришла удивительная мысль. А почему бы не облучить клетки? Клетка тоже делится. Надо было посмотреть, как такой пучок повлияет на живую материю. Оказалось, что этот метод можно использовать для лечения рака, для разрушения раковых клеток.

Далее