Новосибирск и Новосибирская область: свежие новости, объективный анализ, актуальные комментарии

Ловушки для плазмы, борьба с раком и тайны движения мельчайших частиц: что ещё разрабатывают сегодня в ИЯФ?

Так выглядит КОТ, на котором будут обкатываться новые способы удержания плазмы.

Конечно, в центре внимания любого, кто интересуется работой Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН, — всё, что имеет отношение к проекту Сибирского кольцевого источника фотонов. Значительная доля начинки СКИФ будет создана именно здесь. Например, вакуумная система — только в вакууме и может существовать синхротронное излучение, не теряя своих свойств по нескольку дней. А это вакуумная часть бустерного и накопительного колец, каналы транспортировки, электронная пушка, линейный ускоритель — всего более 900 метров вакуумных камер!

В институте уже изготовлены первые десятки метров бустерного кольца (его периметр — 160 метров), а также прототипы частей вакуумной камеры. Например, трубка, точность изготовления которой — 5 микрометров. Она, по словам доктора физико-математических наук, заместителя директора ИЯФ по научной работе Евгения Левичева, будет нужна для охлаждения при синхротронном излучении. Или датчики, которые в количестве около двух сотен будут установлены по периметру кольца, чтобы фиксировать положение электронного пучка в вакуумной камере. А точность для этого тоже понадобится максимальная — один микрон и меньше.

Кроме вакуумной системы, к основным компонентам ускорителя относятся магнитная система и высокочастотная ускоряющая система, разгоняющая частицы до скорости света. Первые изделия этой системы ИЯФ изготовит к февралю следующего года.

Люди всё активнее начинают задумываться над вопросом: где брать энергию, когда нефть, газ и уголь в недрах Земли закончатся? А это неминуемо произойдёт если не в течение ближайших 100, то 150 лет. Альтернативные источники нынешней «зелёной» энергетики — тоже не панацея: ветер, солнце, геотермальные источники использовать сложно, поскольку их энергия слишком рассеянная. Например, чтобы обеспечить один дом геотермальной энергией, надо охватить батареей площадь, равную футбольному полю. Атомная энергетика имеет свою обратную сторону, которую мир увидел на примерах Чернобыля и Фукусимы. Остаётся энергетика термоядерная — пока ещё не приученная человеком. Свой вклад в этот процесс должен сыграть созданный в этом году в ИЯФ компактный осесимметричный тороид, или просто КОТ — прототип плазменной установки, в котором можно воспроизвести условия, близкие к необходимым для термоядерной реакции в промышленном реакторе.

— В одном литре морской воды содержится столько дейтерия — тяжёлого водорода, — что его энергии хватит, чтобы заменить бочку бензина, — говорит старший научный сотрудник ИЯФ Сергей Мурахтин. — Именно такая энергия питает наше Солнце, но возле него она удерживается гравитационным способом, который в лаборатории реализовать нельзя. Зато мы можем позволить себе магнитное удержание термоядерной энергии. А для этого можно сделать как закрытую ловушку — типа токамаков, так и открытую — наш КОТ.

Идеальной ловушки термояда не существует, у каждой из них есть свои достоинства и недостатки. В закрытых ловушках линии магнитного поля замкнуты сами на себя и плазма не может покинуть установку, но такая система слишком дорого стоит. В открытых магнитные системы проще, однако линии поля не замкнуты, плазма удерживается там как в воздушном шарике и понемногу оттуда вытекает. Минимизировать потери можно, усилив магнитное поле, но это дорогая и непростая задача.

— В КОТ мы попытались совместить достоинства удержания плазмы в закрытых системах и простоту конструкции открытых систем. Магнитная конфигурация в этой установке становится похожа на бублик с дыркой посередине — её линии выворачиваются наизнанку, и плазма становится замкнутой сама на себя. Если мы получим такую магнитную конфигурацию, то минимизируем потери плазмы вдоль силовых линий ведущего магнитного поля и наши усилия будут направлены на изучение методов стабилизации полученного состояния плазмы FRC (Field-Reversed Configuration), — говорит Сергей Мурахтин.

Первая плазма на установке КОТ была получена совсем недавно — сам прибор заработал только в ноябре, очередь за установкой атомарных инжекторов, которые создадут нужное для удерживания плазмы магнитное поле. Инжекторы, кстати, изготовляют здесь же — в 9‑й лаборатории ИЯФ под руководством доктора физико-математических наук Александра Иванова. Кроме того, сотрудники ИЯФ сейчас работают над газодинамической многопробочной ловушкой (ГДМЛ) — прототипом термоядерного реактора, на котором будут отрабатываться разные сценарии удержания плазмы с термоядерными параметрами. Работа на КОТ — самое начало большого исследовательского пути, который только через несколько десятков лет сможет привести к реальному получению термоядерного топлива.

Элементы будущей вакуумной системы СКИФ требуют колоссальной точности в размерах.

Постоянный источник термоядерной энергии — не единственный предмет многолетнего поиска учёных-ядерщиков всего мира. Есть ещё аномальный магнитный момент мюона, который пока никому не удалось измерить максимально точно. Для чего же это нужно?

— Мюон — это тяжёлый аналог электрона, своего рода маленький магнит. Если к этой частице приложить внешнее магнитное поле, она начнёт вращаться. Но это магнитное поле искажается в вакууме, что влияет на частоту вращения мюона. А само искажение происходит от того, что вакуум не пустой, в нём содержатся различные частицы вещества, в том числе и неизвестные нам до сих пор, — поясняет доктор физико-математических наук, заместитель директора по научной работе ИЯФ Иван Логашенко.

Подсчитать магнитный момент мюона можно двумя способами: теоретически — учитывая его взаимодействие со всеми известными видами частиц, и практически. Расхождение между получившимися результатами и будет аномальным магнитным моментом, который покажет, как сильно реальный мир элементарных частиц отличается от составленной учёными так называемой Стандартной модели, описывающей в теории все возможные взаимодействия элементарных частиц.

Сама аномалия мюона была обнаружена при эксперименте в американской Брукхейвенской лаборатории 20 лет назад, проведённый в 2021 году эксперимент Фермилаб не только подтвердил наличие разницы между теорией и практическим результатом измерения, но и увеличил её с трёх до четырёх единиц. Дополнительную информацию к размышлению учёным дали также результаты, полученные в ИЯФ на коллайдере ВЭПП‑2000. Напомним, что эта установка института —самая мощная в своём роде в мире, позволяющая получить энергию до 2 гигаэлектронвольт (ГэВ) и в 2021 году она показала максимальную производительность за всё время работы, позволив собрать небывалый прежде объём статистических данных. Группа, работающая с криогенным магнитным детектором КМД‑3, зафиксировала тонкий эффект зарядовой асимметрии в канале рождения двух пионов — конечно, речь здесь идёт не о цветах, а о самых лёгких субатомных частицах. Чтобы понять, что это такое, сначала надо представить зарядовую симметрию: именно так в теории — симметрично — должны разлетаться частицы после своего столкновения. Однако в канале рождения пионов обнаружилась разница в один процент между разлётом положительно и отрицательно заряженных частиц. Этот самый процент ещё ненамного, но приблизил точность измерения аномального магнитного момента мюона и корректировку Стандартной модели.

Ещё одну задачу федерального масштаба ИЯФ получил после визитов в Новосибирск в 2021 году премьер-министра РФ Михаила Мишустина и его заместителя Дмитрия Чернышенко. Последний поручил создать в Москве на базе научно-медицинского исследовательского центра им. Н. Н. Блохина, специализирующегося на раковых заболеваниях, центр бор-нейтроннозахватной терапии — новейшего метода лечения рака на клеточном уровне. При таком лечении в клетках опухоли накапливают изотоп бора, а затем бомбардируют его потоком нейтронов.

По словам доктора физико-математических наук, заместителя директора ИЯФ по научной работе Петра Багрянского, в 2022 году институту предстоит изготовить ускорительный источник нейтронов для центра имени Блохина. Тем временем в Москве под него будет готовиться помещение, чтобы к середине или концу 2023 года сделанный в Новосибирске комплекс заработал.

Закономерный вопрос: почему не сделать такой комплекс сразу и для Новосибирска? «Мы должны продемонстрировать успех проекта вначале в столице, чтобы потом ряд таких центров построить по всей стране, и в Сибири тоже», — пояснил Пётр Багрянский.