66
Государственные премии 1971 года
Средний работ, удостоенных Государственных премии в области науки и техники в 1971 году, имеются три работы по различным разделам физики и одна работа по астрономии.
Группа научных сотрудников Института атомной энергии и Натчно-исследовательского института электрофизической аппаратуры именя Д. В. Ефремова (Л. А. Арцимович, В. Д. Шафранов, В. С. Стрелков, Д. П. Иванов, К. А. Разумова, В. С. Муховатов, Е. П. Горбунов, С. В. Миронов, А. К. Спиридонов, А. М. Ус, М. П. Петров, Н. А. Моносон), возглавляемая академиком Л. А. Арцимович, удостоена премии за цикл работ «Получение и исследование высокотемпературной термодерной плазмы на установках «Токамак».
Человечество стремится к непрерывному расширению своих энергетических ресурсов. Наряду с тепловыми электростанциями и гидроэлектростанциями недавно появились атомные электростанции. Они способны обеспечить лодей энергий на весы дительный срок. Но еще более богатые энергетические ресурсы связаны с решением проблем управления термодерных реакций.
Если бы мы научились нагревать водород до сотен миллионов градусов и подерживать такую сверхвысокую температуру в течение нескольких минут, вода превращалась бы в величолепенное топливо. При сильных температурах атомные ядра самого легкого в природа элемента — водорода обведнялись бы в более тяжелые ядра геля, освобождая огромное количество энергии. Такой процесс слияния легких ядер физики назвали термодерной реакцией. Термодерная реакция возникнет при взрыве водородной бомбы. Но управлять его в момент взрыва мы не можем.
Уже около давчатки лет учены многих стран ищут пути к осуществлению управления термодерной реакции. Важный вклад в эти исследования внесли советские физики.
При огромных температурах атомы водорода, стальваясь друг с другом, разушаются на электречении загруженные осолки, образуя так называемую плазму. Горячая плазма очень капризна и неустойчива. Она легко преодолевает все преграды и мгновенно отдает свою энергию стенкам того сосуда, в котором она заключана. Для изоляции плазмы от стенок сосуда используются комбинации магнитных полей, ограничивающих движение загруженных частиц. Однако плазма различными способами преодолевает эти искусственные преграды. Поэтому сроки существования горячей плазмы (или, как говорят, время ее жизни) до недавних пор не превышали миллионных долей секунды.
10 лет тому назад в Институте атомной энергии и Натчно-исследовательского института электрофизической аппаратуры именя Д. В. Ефремова (Л. А. Арцимович, В. Д. Шафранов, В. С. Стрелков, Д. П. Иванов, К. А. Разумова, В. С. Муховатов, Е. П. Горбунов, С. В. Миронов, А. К. Спиридонов, А. М. Ус, М. П. Петров, Н. А. Моносон), возглавляемая академиком Л. А. Арцимович, удостоена премии за цикл работ «Получение и исследование высокотемпературной термодерной плазмы на установках «Токамак»).
Торидальная металлическая камера по форме наполнивает обживенную автоматную камеру. Из нее штательно отключают воздействь воздуха, после чего вводят в камеру небольшое количество так называемого тяжелого водорода — действия. Атомы действия тяжелое обживых атомов водорода.
Камера охватывает сердечник мощного трансформатора, соединенного с батареей электречических конденсаторов, энергия которых достигает миллиона джойлелей. При разряде конденсаторов в камере происходит электречский пробой газа и создает действие электречная плазма. В ней возникает индукционный ток. Он нагревает плазму до температуры в 5 миллионов градусов. Магнитное поле, связанное с индукционным током, превращает утечке загруженных части плазмы на внутреннюю стенку тора. Однако изолирующие свойства магнитного поля индукционного тока оказываются неодостаточно сильными, и горяча плазма почти мгновенно попадает на стенку камеры.
В установках «Токамак» на нарушенную поверхность тора одевают катушки, создавшие сильное импульсное магнитное поле, сильные линейного параллельных стенкам тора. Пропяженность дополнительного магнитного поля в камере достигает 40 000 гаус. Это поле существенно улучшает магнитную изоляцию действий плазмы. Время жизни горячего плазмы возрастает до 0,05 секунды.
За такой срок атомные ядра действуют много раз столкнутся друг с другом. При этом образуется атомные ядра геля и возникнет свободные нейтроны. Происходящая в «Токамаках» термодерная реакция может быть записана в виде следующей формулы:
Образующиеся в этой реакции ядра геля придлежат так называемому «легкому» гелю; они втрое тяжелое ядр обживого водорода.
67
В ходе работы по созданию и исследованию термоядерных установок «Токамак» Л. А. Арцимович и его сотрудники построили теории, описывающего поведение плазмы в этих установках и разработали методы измерения различных характераистик плазмы (температуры ионов и электронов, концентрации, временة жизни и т. д.). Многое исследование приведено к заменеальным результатам. Эксперименты показали, что в установках «Токамак» удается подавить влияние всех наиболее опасных механизмов неустойчивости плазмы. Благодаря этому получены рекордные сроки существования горячея плазмы. Впервые в истории науки зарегистрированы потоки термоядерных нейтронов в лабораторных условиях.
Результаты, достигнутые советскими физики, оказались настолько неожиданным, что многие зарубежные учены, узнав о них, выразили сомнение в их достоверности. Однако проведенные в 1969 году совместно советскими и английскими учеными эксперименты по измерению основных характераистик горячея плазмы в установке «Токамак» подвергли эти результаты.
Исследование горячея плазмы в установках «Токамак» стало основным направлением работы по управляемому термоядерному синтезу в СССР. Аналогичные установки строятся сейчас в США, Франции, РФ, Японини, Италии и другие странах. Специалисты считают, что результаты, достигнутые советскими учеными, открывают реалную перспективу создания термоядерных электросистанций на основе установок, подобных «Токамакам». Правда, это потребует увеличения температуры, концентрации и времени жизни горячея плазмы.
Вторая premя по разделу физики присуждана коллективу научных сотрудников физика-энергетического института, Объединенного института ядерных исследований, Института атомной энергии иниции И. В. Курчатова и Центрального института авиационного моторостроения имени П. И. Баранова в составе Д. И. Бложинцева, И. М. Франка, Ф. Л. Шапиро, И. М. Маторы, Е. П. Шебалина, С. К. Николаева, В. Т. Руденко, Ф. И. Украинцева, И. С. Головина, Г. Е. Бложинца, И. И. Бондаренко. Этот коллектив удовлетворяет Государственной premя за создание атомного реактора нового мина — исследовавательского импульсного реактора на быстрых нейтронах (сокращенно его называют ИБР).
Атомные реакторы служат могутми источниками энергии. Одовременно они производят огромное количество свободных нейтронов. Неятроны являются одним из новых средств изучения природы вещества и atomных ядер. С их помощью можно, например, выснить такие детали строения кристаллического решетки, которые не удается установить никакими других методами.
Поток нейтронов из atomного реактора непрерывен. А для многих исследований, напротив, нужны первые пучки нейтронного излучения. Общино их получают при помощи специального устройства, которое называется механическим сектором. Подобно затвору фотоаппарата сектор пропускает нейтроны, ищите по специальному каналу в защитной оболочке реактора, лишь в течение малых промежутков времени. Однако механические секторы очень сильно ослабляют поток нейтронов.
В 1955 году в Физико-энергетическом институте был предложен и расчитан прициплально новый тип атомного реактора — импульсный реактор на быстрых нейтронах. Действуоший реактор этого типа был построен в 1960 году в Дубне. Он является уникальным источником мощных присуществых нейтронных пучков. Его создается, образно госоря, приручили атомный взрыв.
В атомных реакрах быстроствует специальное вещество, замедляющее нейтроны, которые образуют при делении тяжелых ядер и осуществляют целой процесс. В атомной бомбе, направив, замедлитель отсутствует. Там цепной процесс создают быстроствые нейтроны.
Ядерное взрывчатое вещество (уран-235 или плутони-239) обладает так называемой критической массой. Взрыв становится возможным только после того, как масса куска взрывчатого вещества прерынит эту критическую величины. Поэтому в бомбе имеется не один, а два или более куска ядерного. взрывчатого вещества, масса каждой из которых меньше критической массой. Однако навышаяся след за этим цепная реакция деления ядерного прирывается, так как дополнительный кусочek взрывчатого вещества тут же удаляется из зоны реакции.
Конструция реактора ИБР также. Две плоские кросби с плотением-239 разделены на небольшое расстояние друг от друга. В образованный между ними зазор встроенной краей стальной диска диаметром около одного метра. В диске впрессован небольшой плоский вкладыш из урана-235. Скорость вращения диска составляет около 5000 оборотов в минуту. При каждом обороте диска уравновешивается между коробками с плотением, вызвывая возникновение цепной реакции. Но вслед за этим вкладыш удаляется из плутони и цепной процесс обрывается. Таким путем ИБР создает мощные впсплески нейтронного излучения продолжительное в несколько стольчных долей секунд.
68
Они отделены друг от друга значительное большинство интервалом времени, в течение которого никаких нейтронов не возникнет.
Возникалоше в реакторе нейтроны имеют весыма различные энергии. Однако импульсный реактор позволяет сравнить легко выделять нейтроны с определенной величины энергии то есть осуществлять так называемую нейтронную электрометрию. Для этого достаточно включить регистрирующую аппаратуру в тот момент, когда к ней подойдут нейтроны нужной нам энергии (более быстроные нейтроны пройдут раньше, более медленные — позднее).
Для выделения нейтронов с заданной энергией в Дубне от реактора ИБР до зала, где ставятся эксперименты, пропожена 1000-mетровая металлическая трубка, из которой откачан воздуха. Большая длина пути обладает разделение нейтронов по энергиям (вблизи реактора нейтроны разных энергий идут весыма близко друг от друга), а труда превращает рассеянию нейтронов.
При средней мощности порядка 25 киловатт реактор ИБР во многих экспериментах заменяет обычный реактор непрерывного действия мощностью до 100 000 киловатт, а в некоторых случаях до 1 000 000 киловатт.
На реакторе ИБР выполнен многоценных исследований в области физики атомных ядер и физики твердого тела, получивших широкую международную известность.
Огромную трудность для теоретической физики представляет задачи о взаимодействии нескольких тел. Особенно трудны такие задачи в области квантовой механики, где сама природа взаимодействующих частиц намного сложнее, чем у тел, изучаемых обычной механикой Ньютона. Такие задачи не имеют точных решений, а их приближенные решения требуют отромной вычислительной работы. Ленинградский физик-теорик Л. Д. Фаддеев в цикле работ «Корректиная постановка и исследование квантовой задачи трех частей» («Уравнения Фаддеева») нашел пути к точному решению таких задач. Развитый им метод позволяет решать многое сложные задачи в области атомной и ядерной физики, а также физики элементарных частиц. Этот метод использует для расчет таких систем, как atom и два взаимодействующих с ним электрона, три взаимодействующие ядры (прототипы или нейтроны), ядро и две взаимодействующие с ним ядры частей и т.п. Недавно этот новый метод расчету удалось распространить на случай взаимодействия четырех и более частей. За успешное решение целого классных задач квантовой механики Л. Д. Фаддееву присуждена Государственная премия.
Группа советских астрономов в составе Е. П. Аксенова, В. Г. Демина, Г. Н. Дубошина, Е. А. Гребенникова и М. Д. Кислика удостоена Государственной премии за «цикл работ по современным проблемам и методам небесной механики, опубликованных в 1958—1968 годах».
При решении различных задач о движении планет и искусственных спутников в небесной механике обычно поступают следующим образом. В качестве первого приближения считают траекторию движения исследуемого небесного тела эллиптической. Затем вносят поправки и уточнения, связанные с влиянием различных нечетных объектов стоянств (или, как говорят астроономы, возмущений). К ним относятся: несимметричность центрального пригravиационного тела (например, Земли), влияние соседних планет, пригravение Солнца, собственное врашение исследуемого космического тела и т.д. При этом первоначальная траектория движения искажается: эллипс начинает показывать, поворачивать в плоскости орбиты, которая, в свою очередь, также меняет пространственную ориентацию. Учет возмущений дает сложную траекторию движения.
Однако эти приближенные методы расчета траектория небесных объектов пригодны лишь при условии, что возмущения состояния других объектов, а также отклонения расстояния между формы и неравномерное распределение масс внутренних них незначительных. Они не в состоянии учеть взаимодействие между поступательным и врашательным движением расстояния тел. В действительности даже при исследовании движения долговкувших спутников Земли и Луны расчитать их орбиты на дительный срок обченных методами либо крайней трудино, либо вообще невозможно. Не удалось получить надежные результаты и для спутников Марса, Юпитера, так называемых «резонансных» астроюдов, комет, прохождение близки Юпитера.
Авторы премированного цикла работ предложили совершенное новое метод решения подобных задач. Они откладлись от келлеровских эллиптических орбит и нашли более неэллиптические орбиты, используемые в качестве первого приближения. Построенные им модели гранитционной поверхности небесного точнее, чем в классической механике, описываются гранитические поля Земли, Луны и других небесных тел. Созданная авторами теория возмущений позволяет учитывать взаимное влияние одновременного происходия поступательных и врашательных движений небесных тел.
С помощью этой теории можно рассчитать на дительные сроки точные орбиты искусственных спутников Земли с учетом неоднородностей ее поля тяготения, возмущющего влияния Луны и Солнца, светового давления солнечных лучей и ряда других факторов. Удалось также получить достаточно точные решения задач о движении спутников Марса Фобоса и Деймоса, одного из ближайших спутников Юпитера, «резонансных» астроюдов, комет, близко подходящих к Юпитеру.
В. А. Лешковце