Статьи

Президент РАН Владимир Фортов, выступая  на общем собрании академии, которое прошло в конце марта 2015 года, в числе выдающихся научных достижений России отметил мировой рекорд, который  установили специалисты РФЯЦ-ВНИИЭФ, сумевшие сжать плазму гелия и дейтерия при экстремально высоких давлениях до 50 миллионов атмосфер.

Эти исследования помогут приблизиться к созданию так называемого металлического водорода. Согласно расчётам, находясь в атомарном состоянии и испытывая огромное давление, водород совершает фазовый переход и становится твёрдым (также существую исследования, посвящённые жидкому металлическому водороду).

Ожидается, что в таком состоянии водород обладает важными с практической точки зрения свойствами, в том числе высокотемпературной сверхпроводимостью. В условиях земного эксперимента металлический водород не был получен, но считается, что он может содержаться в больших количествах в недрах планет-гигантов, таких как Юпитер.   

О работах по этой тематике рассказал ведущий научный сотрудник Института гидродинамики и физики взрыва (ИФВ) Российского федерального ядерного центра – ВНИИЭФ (г.Саров) доктор физико-математических наук Михаил Мочалов.

Расскажите подробнее о сути эксперимента в популярной форме. Как и на каком оборудовании были достигнуты рекордные показатели?

– Прочная стальная оболочка заполняется газом под давлением в несколько сотен атмосфер, которая помещается в заряд мощного взрывчатого вещества (ВВ), одновременно инициируемого по всей поверхности. Используемые стальные оболочки и ВВ могут иметь цилиндрическую или сферическую форму. После взрыва и выхода ударной волны из оболочки в газе формируется сравнительно слабая первая ударная волна.

После достижения центра, ударная волна отражается и вторично проходит по уже сжатому и нагретому газу. Последующее отражение ударной волны в газ происходит уже от медленно сходящейся к центру оболочки. 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 достигается максимальное сжатие при существенном снижении доли теплового давления и более длительном удержании вещества при высоком давлении по сравнению с воздействием однократной ударной волны.

Мы уделяем большое внимание разработке прочных экспериментальных устройств, в которых стремимся устранить элементы, искажающие симметричность процесса сжатия, что необходимо для повышения точности эксперимента. Так в опытах по измерению сжимаемости гелия и дейтерия давлением ~50 миллионов атмосфер использовалось устройство сферической формы, признанное Федеральной службой по интеллектуальной собственности изобретением.

Целью эксперимента является измерение размера полости оболочки со сжатой плазмой в момент ее «остановки». В этот момент и достигается максимальное сжатие плазмы.

Для регистрации положения оболочки, при наличии больших масс металла и мощного ВВ, во ВНИИЭФ широко используются импульсные рентгеновские излучатели с малым временем экспозиции. Наибольшее распространение получили конструкции безжелезных импульсных бетатронов (БИМ), разработанные А.И. Павловским с сотрудниками.

Для регистрации теневого изображения границ оболочки, сжимающей газообразный дейтерий, одновременно используется рентгеновское излучение трех мощных бетатронов с граничной энергией электронов ≈ 60 МэВ, расположенных под углом 45° друг к другу в защитном сооружении.

Особенностью рентгенографического комплекса является возможность каждого излучателя работать в трехимпульсном режиме, что позволяет за один эксперимент зарегистрировать 9 фаз движения оболочки и проследить за динамикой процесса сжатия газа.

Что было сделано во ВНИИЭФ в последние годы?

Стоит рассказать о серии экспериментов по уточнению уравнения состояния водорода и его изотопов в мегабарной области давлений, которая началась в 2000 г. в Институте физики взрыва (ИФВ) ВНИИЭФ.

Основная цель исследований была связана с необходимостью дополнительного экспериментального подтверждения данных по сжимаемости водорода из работ С.Б. Кормера с сотрудниками (1972 г), но в опытах с устройствами иной геометрии.

В отличие от опытов 1972 года, в новых экспериментах использовались двухкаскадные устройства цилиндрической геометрии и рентгенографический комплекс ИФВ. Для наполнения экспериментальных устройств газом были использованы термодесорбционные источники газообразного дейтерия.

В течение 2001-2006 гг. в ИФВ была проведена серия экспериментов по измерению сжимаемости газообразного дейтерия в интервале давлений до 5 милиионов атмосфер. Благодаря применению цифровой регистрации рентгеновских изображений с использованием фотохромных экранов, были получены рентгеноснимки недостижимого ранее качества.

Основным результатом исследований стало то, что в неисследованной ранее области давлений (1,25-2,7 миллионов атмосфер) был экспериментально зарегистрирован скачок в плотности газообразного дейтерия на » 20 %, который, возможно, связан с плазменным фазовым переходом.

Данные этих исследований были опубликованы и вызвали новый всплеск интереса к исследованию свойств водорода и его изотопов в мегабарном диапазоне давлений. Более того, именно наши работы вызвали широкую дискуссию в научной литературе о наличии и характере фазового перехода.

Факт наличия наблюдаемого нами эффекта был недавно подтвержден в экспериментах группы американских исследователей Известно об экспериментах по поиску фазового перехода в водороде в Сандийской Национальной лаборатории США (о результатах пока не сообщается).

В наших последующих работах диапазон исследований сжимаемости дейтерия и гелия расширен до плотностей 8 г/см3 в области давлений до 50 миллионов атмосфер. Результаты этих работ и были отмечены в докладе Президента РАН, академика В.Е. Фортова на общем собрании РАН (март 2015).

За период с 2010 г. по результатам наших экспериментальных исследований свойств гелия и дейтерия опубликовано пять статей в Российских научных рецензируемых журналах  и получено четыре патента РФ (два патента на изобретения и два - на полезную модель).

Что эти результаты дадут фундаментальной и прикладной науке и как они могут быть использованы в дальнейших исследованиях?

Результаты наших исследований всегда воспринимаются с большим вниманием и интересом, в том числе и иностранными учеными. Это не удивительно.

Во-первых,

без данных о физических свойствах неидеальной плазмы в мегабарном диапазоне давлений в настоящее время невозможна интерпретация результатов земных и космических измерений, а также построение на их основе моделей эволюции, структуры и энергетики астрофизических объектов.

Для планет-гигантов, например, Юпитера, важно установить размеры области, занимаемой металлическим водородом и смесью водорода с гелием. Здесь наши ударно-волновые и квазиизэнтропические эксперименты имеют большое значение для установления этих границ.

Кроме того, фундаментальные исследования свойств неидеальной плазмы гелия, дейтерия и их смесей, изучаемой во ВНИИЭФ, имеют непосредственное отношение к установлению возможных плазменных фазовых переходов в исследованных материалах и оценке внутренних энерговыделений при фазовом разделении вещества, так как дают новую и важную информацию о свойствах неидеальной плазмы.

Учет этих факторов повышает качество  уравнений состояния исследуемых газов, используемых в газодинамических расчетах, с помощью которых прогнозируется поведение различных устройств, разрабатываемых во ВНИИИЭФ.

Интерес к физике экстремальных состояний остается всегда на высоком уровне из-за большого числа астрофизических, энергетических и оборонных приложений.

Решающая роль в этих исследованиях связана с созданием новой лабораторной ударно-волновой техники генерации сильно-сжатых состояний веществ, не имеющих ограничений по давлениям и недоступных при статическом нагружении.

В этом направлении в последние годы мы получили результаты по сжимаемости гелия и дейтерия, превышающие мировой уровень.

При этом любая экспериментальная информация о свойствах неидеальной плазмы газов, которые могут быть использованы в качестве рабочей среды в энергетических установках будущего, а также составляющие основу астрофизических объектов, имеет важное практическое значение для создания и тестирования физических моделей, прогнозирующих их поведение в области мегабарных давлений.

Получение сверхвысоких давлений до 50 миллионов атмосфер в гелии и дейтерии оказалось возможным с использованием разработанного в ИФВ двухкаскадного сферического экспериментального устройства.

Использование таких конструкций позволяет в лабораторных условиях воспроизводить состояния вещества и изучать физические процессы, происходящие в недрах таких планет-гигантов Солнечной системы, как Юпитер и Сатурн, в основе своей состоящих из водорода, гелия и их смесей.

С использованием разработанных нами цилиндрических и сферических устройств достигаются более высокие степени сжатия (в 10-50 раз) и менее высокие температуры по сравнению с однократным ударно-волновым сжатием. Это позволяет исследовать свойства многокомпонентной плазмы в условиях, когда наряду с термической ионизацией определяющую роль играет ионизация давлением – так называемая «холодная» ионизация.

В каком направлении будут продолжаться работы?

В настоящее время при поддержке научного руководителя ВНИИЭФ академика РАН Радия Ивановича Илькаева сформирована программа экспериментальных исследований свойств дейтерия, гелия и их смесей в области давлений до 100 миллионов атмосфер.

Такие исследования важны, так как  в наших последних экспериментах в области давлений до 50 миллионов атмосфер было зарегистрировано расхождение между экспериментальным и рассчитанным по уравнению состояния ВНИИЭФ значениями сжимаемости дейтерия.

Этот факт нуждается в дополнительной проверке для уточнения теоретической модели уравнения состояния водорода и его изотопов, используемой в газодинамических расчетах ВНИИЭФ.

Вторым направлением деятельности планируется серия экспериментов по измерению квазиизэнтропической сжимаемости смеси гелия и водорода (дейтерия), составляющих основу таких планет Солнечной системы, как Юпитер и Сатурн. Особый интерес вызывает то, что по теоретическим предположениям в этих планетах смесь водород+гелий может находиться в металлическом состоянии.

Наконец, идет планомерная работа по использованию возможностей экспериментальной физики высоких плотностей энергии для исследования свойств сжатых легких (водород, гелий), благородных (аргон, криптон, ксенон) и инертных газов (азот, кислород, углекислый газ) газов в области мегабарных давлений, которые могут быть использованы в качестве рабочей среды в энергетических установках будущего.

Такие исследования характеристик сжатых газов, как – ионизация давлением, фазовые переходы в неидеальной плазме и т.п. дают новую, интересную и важную информацию о свойствах неидеальной плазмы, в том числе составляющей основу астрофизических объектов.