Giải thưởng Nhà nước năm 1971

66

Giải thưởng Nhà nước năm 1971

Số lượng công trình trung bình được trao Giải thưởng Nhà nước về lĩnh vực khoa học và công nghệ năm 1971 bao gồm ba công trình thuộc các ngành vật lý khác nhau và một công trình về thiên văn học.

Một nhóm các nhà nghiên cứu thuộc Viện Năng lượng nguyên tử và Viện nghiên cứu khoa học về thiết bị điện vật lý được đặt theo tên của D. V. Efremov (L. A. Artsimovich, V. D. Shafranov, V. S. Strelkov, D. P. Ivanov, K. A. Razumova, V. S. Mukhovatov, E. P. Gorbunov, S. V. Mironov, A. K. Spiridonov, A. M. Us, M.P. Petrov, N.A. Monoson), đứng đầu là Viện sĩ L.A. Artsimovich, đã được trao giải thưởng cho loạt công trình “Thu thập và nghiên cứu plasma nhiệt hạch nhiệt độ cao tại cơ sở Tokamak.”

Nhân loại nỗ lực không ngừng mở rộng các nguồn năng lượng của mình. Cùng với các nhà máy nhiệt điện và thủy điện, thời gian gần đây nhà máy điện hạt nhân cũng xuất hiện. Họ có thể cung cấp rất nhiều năng lượng trong một thời gian dài. Nhưng thậm chí các nguồn năng lượng phong phú hơn còn gắn liền với việc giải quyết các vấn đề kiểm soát các phản ứng nhiệt hạch.

Nếu chúng ta có thể làm nóng hydro đến hàng trăm triệu độ và duy trì nhiệt độ cực cao này trong vài phút, nước sẽ trở thành một loại nhiên liệu tuyệt vời. Ở nhiệt độ cao, hạt nhân nguyên tử của nguyên tố nhẹ nhất trong tự nhiên, hydro, sẽ hợp nhất thành hạt nhân gel nặng hơn, giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ. Các nhà vật lý gọi quá trình hợp nhất hạt nhân ánh sáng này là phản ứng nhiệt hạch. Một phản ứng nhiệt hiện đại sẽ xảy ra khi một quả bom hydro phát nổ. Nhưng chúng ta không thể kiểm soát được nó vào thời điểm vụ nổ xảy ra.

Từ lâu, các nhà khoa học ở nhiều nước đã tìm cách kiểm soát phản ứng nhiệt hạch. Các nhà vật lý Liên Xô đã có đóng góp quan trọng cho những nghiên cứu này.

Ở nhiệt độ cực lớn, các nguyên tử hydro va chạm với nhau và phân hủy các mảnh điện tích được nạp vào, tạo thành cái gọi là plasma. Plasma nóng rất thất thường và không ổn định. Nó dễ dàng vượt qua mọi chướng ngại vật và ngay lập tức truyền năng lượng của mình vào các bức tường của vật chứa nó. Để cách ly plasma khỏi thành bình, người ta sử dụng sự kết hợp của từ trường để hạn chế chuyển động của các hạt được nạp. Tuy nhiên, huyết tương vượt qua những rào cản nhân tạo này theo nhiều cách khác nhau. Do đó, tuổi thọ của plasma nóng (hay như người ta nói, tuổi thọ của nó) cho đến gần đây không vượt quá một phần triệu giây.

10 năm trước tại Viện Năng lượng nguyên tử và Viện nghiên cứu khoa học về thiết bị điện vật lý mang tên D. V. Efremov (L. A. Artsimovich, V. D. Shafranov, V. S. Strelkov, D. P. Ivanov, K. A. Razumova, V. S. Mukhovatov, E. P. Gorbunov, S. V. Mironov, A. K. Spiridonov, A. M. Us, M. P. Petrov, N. A. Monoson), đứng đầu là Viện sĩ L. A. Artsimovich, đã được trao giải thưởng cho loạt công trình “Thu thập và nghiên cứu plasma nhiệt hạch nhiệt độ cao tại cơ sở Tokamak”).

Một buồng kim loại hình xuyến có hình dạng lấp đầy buồng tự động hoạt hình. Không khí thường xuyên được tắt khỏi nó, sau đó một lượng nhỏ cái gọi là hydro nặng được đưa vào buồng. Các nguyên tử hoạt động nặng nề với các nguyên tử hydro sống.

Buồng bao gồm lõi của một máy biến áp mạnh mẽ được kết nối với pin tụ điện, năng lượng của nó đạt tới một triệu joules. Khi các tụ điện phóng điện trong buồng, sự cố điện của khí xảy ra và plasma điện tạo ra hoạt động. Trong đó xuất hiện một dòng điện cảm ứng. Nó làm nóng plasma đến nhiệt độ 5 triệu độ. Từ trường liên kết với dòng điện cảm ứng làm cho phần plasma được nạp bị rò rỉ ra thành trong của hình xuyến. Tuy nhiên, đặc tính cách điện của từ trường của dòng điện cảm ứng không đủ mạnh và plasma nóng gần như ngay lập tức chạm vào thành buồng.

Trong lắp đặt Tokamak, các cuộn dây được đặt trên bề mặt bị hư hỏng của hình xuyến, tạo ra một xung từ trường mạnh, mạnh và tuyến tính, song song với các thành của hình xuyến. Cường độ của từ trường bổ sung trong buồng đạt tới 40.000 gauss. Trường này cải thiện đáng kể khả năng cách ly từ tính của hoạt động plasma. Tuổi thọ của plasma nóng tăng lên 0,05 giây.

Trong thời kỳ này, các hạt nhân nguyên tử sẽ va chạm với nhau nhiều lần. Trong trường hợp này, hạt nhân nguyên tử của gel được hình thành và neutron tự do xuất hiện. Phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở Tokamaks có thể được viết dưới dạng công thức sau:

$$2^{1}D + ^{2}D \rightarrow ^{3}He + ^{1}n.$$

Các nhân gel hình thành trong phản ứng này thuộc về cái gọi là gel “nhẹ”; Chúng nặng gấp ba lần hạt nhân nặng của hydro sống.

67

Trong quá trình sáng tạo và nghiên cứu các cơ sở lắp đặt nhiệt hạch Tokamak, L. A. Artsimovich và các cộng tác viên của ông đã xây dựng các lý thuyết mô tả hoạt động của plasma trong các cơ sở lắp đặt này và phát triển các phương pháp đo các đặc tính khác nhau của plasma (nhiệt độ của các ion và electron, nồng độ, tuổi thọ, v.v.). Nhiều nghiên cứu đã dẫn đến kết quả sai. Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng trong quá trình lắp đặt Tokamak, có thể ngăn chặn ảnh hưởng của tất cả các cơ chế mất ổn định plasma nguy hiểm nhất. Nhờ đó, người ta đã đạt được tuổi thọ kỷ lục của plasma nóng. Lần đầu tiên trong lịch sử khoa học, dòng neutron nhiệt hạch được ghi nhận trong điều kiện phòng thí nghiệm.

Kết quả mà các nhà vật lý Liên Xô đạt được hóa ra lại bất ngờ đến mức nhiều nhà khoa học nước ngoài khi tìm hiểu về chúng đã tỏ ra nghi ngờ về độ tin cậy của chúng. Tuy nhiên, các thí nghiệm do các nhà khoa học Liên Xô và Anh cùng thực hiện vào năm 1969 để đo các đặc tính chính của plasma nóng trong cơ sở Tokamak đã mang lại những kết quả này.

Nghiên cứu về plasma nóng trong các cơ sở Tokamak đã trở thành hướng nghiên cứu chính về phản ứng tổng hợp nhiệt hạch có kiểm soát ở Liên Xô. Các cơ sở lắp đặt tương tự hiện đang được xây dựng ở Mỹ, Pháp, Nga, Nhật Bản, Ý và các nước khác. Các chuyên gia tin rằng kết quả mà các nhà khoa học Liên Xô đạt được mở ra triển vọng thực sự về việc tạo ra các nhà máy điện nhiệt hạch dựa trên cơ sở lắp đặt tương tự Tokamaks. Đúng, điều này sẽ đòi hỏi phải tăng nhiệt độ, nồng độ và tuổi thọ của plasma nóng.

Giải nhì phần Vật lý được trao cho nhóm nghiên cứu của Viện Vật lý và Năng lượng, Viện Liên hợp Nghiên cứu Hạt nhân, Viện Năng lượng Nguyên tử do I.V. Kurchatov và Viện Kỹ thuật Động cơ Hàng không Trung ương mang tên P.I. Baranov, bao gồm D.I. Blozhintsev, I.M. Frank, F.L. Shapiro, I.M. Matori, E.P. Shebalina, S.K. Nikolaev, V. T. Rudenko, F. I. Ukraintseva, I. S. Golovina, G. E. Blozhintsa, I. I. Bondarenko. Đội này đã đạt Giải thưởng Nhà nước về việc tạo ra lò phản ứng hạt nhân mới - lò phản ứng neutron xung nhanh nghiên cứu (viết tắt là IBR).

Lò phản ứng hạt nhân đóng vai trò là nguồn năng lượng tiềm năng. Đồng thời, chúng tạo ra một số lượng lớn neutron tự do. Neutron là một trong những phương tiện mới để nghiên cứu bản chất của vật chất và hạt nhân nguyên tử. Với sự giúp đỡ của họ, chẳng hạn, có thể xác định được những chi tiết về cấu trúc của mạng tinh thể mà không thể xác định được bằng bất kỳ phương pháp nào khác.

Dòng neutron từ lò phản ứng hạt nhân là liên tục. Nhưng ngược lại, đối với nhiều nghiên cứu, những chùm bức xạ neutron đầu tiên lại cần thiết. Cộng đồng tiếp nhận chúng bằng một thiết bị đặc biệt gọi là khu vực cơ khí. Giống như màn trập camera, khu vực này cho phép neutron đi qua, tìm kiếm nó qua một kênh đặc biệt trong ngăn chứa lò phản ứng, chỉ trong khoảng thời gian ngắn. Tuy nhiên, các lĩnh vực cơ học làm suy yếu đáng kể dòng neutron.

Năm 1955, một loại lò phản ứng hạt nhân mới về cơ bản đã được đề xuất và tính toán tại Viện Vật lý và Kỹ thuật Điện - lò phản ứng neutron xung nhanh. Một lò phản ứng hoạt động loại này được xây dựng vào năm 1960 tại Dubna. Nó là nguồn duy nhất của các chùm neutron tồn tại mạnh mẽ. Theo nghĩa bóng, nó được chính phủ tạo ra và được chế ngự bởi một vụ nổ nguyên tử.

Trong các lò phản ứng nguyên tử, một chất đặc biệt được làm chậm lại nhanh chóng, làm chậm các neutron hình thành trong quá trình phân hạch của hạt nhân nặng và thực hiện toàn bộ quá trình. Trong một quả bom nguyên tử, một khi đã được phóng đi thì không có người điều tiết. Ở đó, một quá trình dây chuyền được tạo ra bởi các neutron nhanh.

Chất nổ hạt nhân (uranium-235 hoặc plutonium-239) có khối lượng tới hạn. Vụ nổ chỉ có thể xảy ra sau khi khối lượng của chất nổ vượt quá giá trị tới hạn này. Vì vậy, một quả bom không chỉ chứa một mà là hai hoặc nhiều mảnh vật liệu hạt nhân. chất nổ, khối lượng của mỗi chất nhỏ hơn khối lượng tới hạn. Tuy nhiên, sau đó, phản ứng dây chuyền phân hạch hạt nhân bị gián đoạn do một mảnh thuốc nổ bổ sung ngay lập tức bị loại khỏi vùng phản ứng.

Thiết kế của lò phản ứng IBR cũng vậy. Hai Crosbies phẳng có mật độ 239 được đặt cách nhau một khoảng ngắn. Trong khoảng trống hình thành giữa chúng là một cạnh gắn sẵn của một đĩa thép có đường kính khoảng một mét. Một mảnh phẳng nhỏ làm bằng uranium-235 được ép vào đĩa. Tốc độ quay của đĩa khoảng 5000 vòng/phút. Với mỗi vòng quay của đĩa, nó được cân bằng giữa các hộp nén, gây ra phản ứng dây chuyền. Nhưng sau đó, lớp lót được lấy ra khỏi pluton và quá trình dây chuyền kết thúc. Bằng cách này, IBR tạo ra những vụ nổ bức xạ neutron mạnh kéo dài vài phần giây.

68

Chúng cách nhau một khoảng thời gian đáng kể mà trong đó không có neutron nào được tạo ra.

Các neutron được tạo ra trong lò phản ứng có năng lượng khác nhau đáng kể. Tuy nhiên, lò phản ứng xung giúp dễ dàng tách các neutron có giá trị năng lượng nhất định, nghĩa là thực hiện cái gọi là phép đo điện neutron. Để làm được điều này, chỉ cần bật thiết bị ghi vào thời điểm các neutron có năng lượng mà chúng ta cần tiếp cận nó là đủ (neutron nhanh hơn sẽ đi qua sớm hơn, neutron chậm hơn sẽ đi qua sau).

Để giải phóng neutron có năng lượng nhất định ở Dubna, một ống kim loại dài 1000 mét đã được đặt từ lò phản ứng IBR đến hội trường nơi thực hiện các thí nghiệm, từ đó không khí được sơ tán. Độ dài đường đi dài dẫn đến sự phân tách neutron theo năng lượng (gần lò phản ứng, các neutron có năng lượng khác nhau di chuyển rất gần nhau) và lao động làm biến đổi sự tán xạ của neutron.

Với công suất trung bình khoảng 25 kilowatt, lò phản ứng IBR trong nhiều thử nghiệm thay thế lò phản ứng liên tục thông thường có công suất lên tới 100.000 kilowatt, và trong một số trường hợp lên tới 1.000.000 kilowatt.

Lò phản ứng IBR đã thực hiện nghiên cứu có giá trị trong lĩnh vực vật lý hạt nhân nguyên tử và vật lý chất rắn, đã đạt được danh tiếng quốc tế rộng rãi.

Một khó khăn rất lớn đối với vật lý lý thuyết là bài toán về sự tương tác của một số vật thể. bài toán như vậy đặc biệt khó khăn trong lĩnh vực cơ học lượng tử, trong đó bản chất của các hạt tương tác phức tạp hơn nhiều so với bản chất của các vật thể được nghiên cứu bởi cơ học Newton thông thường. bài toán như vậy không có lời giải chính xác và lời giải gần đúng của chúng đòi hỏi rất nhiều công việc tính toán. Nhà vật lý lý thuyết Leningrad L.D. Faddeev trong loạt tác phẩm “Công thức chính xác và nghiên cứu lượng tử bài toán ba phần” (“Phương trình Faddeev”) đã tìm ra cách để chính xác lời giải của bài toán như vậy. Phương pháp do ông phát triển có thể giải được nhiều bài toán phức tạp bài toán trong lĩnh vực vật lý nguyên tử và hạt nhân, cũng như vật lý hạt cơ bản. Phương pháp này được sử dụng để tính toán các hệ thống như một nguyên tử và hai electron tương tác với nó, ba hạt nhân tương tác (nguyên mẫu hoặc neutron), một hạt nhân và hai hạt nhân của các bộ phận tương tác với nó, v.v. Gần đây, phương pháp tính toán mới này có thể được mở rộng cho trường hợp tương tác từ bốn phần trở lên. Với thành công lời giải của cả lớp bài toán cơ học lượng tử, L. D. Faddeev đã được trao Giải thưởng Nhà nước.

Một nhóm các nhà thiên văn học Liên Xô gồm có E. P. Aksenov, V. G. Demin, G. N. Duboshin, E. A. Grebennikov và M. D. Kislik đã được trao Giải thưởng Nhà nước cho “một loạt công trình về các vấn đề và phương pháp hiện đại của cơ học thiên thể, xuất bản năm 1958-1968”.

Đối với lời giải khác nhau bài toán chuyển động của các hành tinh và vệ tinh nhân tạo trong cơ học thiên thể thường được thực hiện như sau. Trong phép tính gần đúng đầu tiên, quỹ đạo của thiên thể đang nghiên cứu được coi là có hình elip. Sau đó, các hiệu chỉnh và làm rõ được thực hiện liên quan đến ảnh hưởng của nhiều vật thể đứng yên kỳ lạ khác nhau (hoặc, như các nhà thiên văn học nói, sự nhiễu loạn). Chúng bao gồm: sự bất đối xứng của vật thể hấp dẫn trung tâm (ví dụ Trái đất), ảnh hưởng của các hành tinh lân cận, lực hấp dẫn của Mặt trời, chuyển động quay của chính vật thể vũ trụ đang được nghiên cứu, v.v. Trong trường hợp này, quỹ đạo chuyển động ban đầu bị biến dạng: hình elip bắt đầu hiển thị, quay trong mặt phẳng quỹ đạo, do đó, cũng thay đổi hướng không gian của nó. Có tính đến nhiễu loạn sẽ tạo ra một quỹ đạo chuyển động phức tạp.

Tuy nhiên, các phương pháp gần đúng này để tính toán quỹ đạo của các thiên thể chỉ phù hợp với điều kiện là sự nhiễu loạn về trạng thái của các vật thể khác, cũng như độ lệch về khoảng cách giữa các hình dạng và sự phân bố không đều khối lượng của các vật thể bên trong của chúng là không đáng kể. Họ không thể tính đến sự tương tác giữa chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay theo khoảng cách của các vật thể. Trên thực tế, ngay cả khi nghiên cứu chuyển động của các vệ tinh tồn tại lâu dài của Trái đất và Mặt trăng, không thể tính toán quỹ đạo của chúng trong thời gian dài bằng các phương pháp cực kỳ khó hoặc hoàn toàn không thể. Không thể thu được kết quả đáng tin cậy đối với các vệ tinh của Sao Hỏa, Sao Mộc, cái gọi là thiên văn “cộng hưởng”, các sao chổi đi gần Sao Mộc.

Các tác giả của loạt tác phẩm đoạt giải thưởng đã đề xuất một phương pháp hoàn toàn mới lời giải tương tự như bài toán. Họ đã nghiên cứu các quỹ đạo hình elip của Keller và tìm ra nhiều quỹ đạo không phải hình elip hơn, được sử dụng như phép tính gần đúng đầu tiên. Các mô hình bề mặt granit thiên thể mà ông xây dựng mô tả các trường granit của Trái đất, Mặt trăng và các thiên thể khác chính xác hơn so với cơ học cổ điển. Lý thuyết nhiễu loạn do các tác giả tạo ra cho phép chúng ta tính đến ảnh hưởng lẫn nhau của sự xuất hiện đồng thời các chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay của các thiên thể.

Sử dụng lý thuyết này, có thể tính toán chính xác quỹ đạo của các vệ tinh nhân tạo của Trái đất trong thời gian dài, có tính đến tính không đồng nhất của trường hấp dẫn của nó, ảnh hưởng nhiễu loạn của Mặt trăng và Mặt trời, áp suất ánh sáng của tia mặt trời và một số yếu tố khác. Cũng có thể thu được dữ liệu lời giải bài toán khá chính xác về chuyển động của các vệ tinh của Sao Hỏa Phobos và Deimos, một trong những vệ tinh gần nhất của Sao Mộc, các thiên văn “cộng hưởng” và các sao chổi đến gần Sao Mộc.

V. A. Leshkovce