Текст уведомления здесь

Релятивистский инженер

К 100-летнему юбилею Герша Будкера

1 мая 1918 года, ровно сто лет назад, родился Герш Будкер — советский физик, чьим именем назван Институт ядерной физики в Новосибирске. Он известен в первую очередь как специалист по ускорителям заряженных частиц, хотя его не обошла и самая горячая тема послевоенных лет — разработка уран-графитовых ядерных реакторов. Лев Ландау назвал однажды Будкера «релятивистским инженером», чем последний очень гордился. Корреспондент «Чердака» рассказывает, какие проекты и исследования принесли Гершу Будкеру славу.
Добавить в закладки
Комментарии
Лев Шерстенников, «Академик Будкер». Фото предоставлено Музеем российской фотографии
Лев Шерстенников, «Академик Будкер». Фото предоставлено Музеем российской фотографии

Герш Ицкович Будкер (1918−1977), которого в среде коллег больше знали как Андрея Михайловича, закончил Московский университет в 1941 году, защитив диплом под руководством знаменитого физика-теоретика, будущего лауреата Нобелевской премии Игоря Тамма. Тема была скорее теоретическая — разработка математического описания электродинамики движущихся сред. Сразу после госэкзаменов, буквально через три дня, Будкер отправился на фронт и до 1945 года служил на Дальнем Востоке зенитчиком.

Вернувшись с войны, физик поступает на работу по специальности, причем снова под началом суперзвезды: его руководителем стал Игорь Курчатов. За невзрачным названием «Лаборатория № 2 Академии наук СССР» скрывался советский атомный проект, где молодому исследователю поручили разработку уран-графитового реактора.

Уран-графитовый реактор представлял собой сравнительно простое, по современным меркам, устройство. В юбилейной статье с биографией Будкера для журнала «Успехи физических наук» неслучайно говорится о «конечной уран-графитовой решетке». Американские физики, сумевшие построить первый реактор еще в 1942 году, не мудрствуя, назвали свое детище «поленницей»: установка представляла собой штабель из графитовых блоков, внутри которых размещались урановые слитки и каналы для управляющих стержней. Советский Ф-1, «первый физический» реактор, тоже сложили вручную из графита и урана, вот только форма его отличалась от американского: физики в США собрали параллелепипед, а их советские коллеги — шар. И тот и другой реактор не имели даже системы охлаждения: Ф-1 обдували вентиляторами, а «чикагская поленница» в принципе не предназначалась для какой-либо долговременной работы.

«Чикагская поленница-1», она же CP-1, первый в мире искусственный ядерный реактор
«Чикагская поленница-1», она же CP-1, первый в мире искусственный ядерный реактор

Немного теории

Ядерный реактор генерирует энергию за счет цепной реакции распада радиоактивных элементов. В начале этой реакции ядро урана-235 (или, реже, иного радиоактивного элемента — плутония, например) самопроизвольно распадается, испуская два-три нейтрона, которые далее могут попасть в другие ядра урана-235 и инициировать уже их распад, порождая еще больше нейтронов и осколков деления. Таким образом можно добиться лавинообразного нарастания числа делений ядер и, соответственно, высвободить очень большое количество энергии — такой процесс хорошо виден издалека благодаря характерной вспышке, сносящей все в радиусе нескольких километров ударной волне и еще более характерному грибовидному облаку.

«Поленница» ядерного реактора Ф-1 в музее при Национальном исследовательском центре «Курчатовский институт». Фото: Валерий Шарифулин / ТАСС
«Поленница» ядерного реактора Ф-1 в музее при Национальном исследовательском центре «Курчатовский институт». Фото: Валерий Шарифулин / ТАСС

Для того чтобы выделение энергии не носило столь катастрофического характера, часть нейтронов намеренно выводят из реакции и благодаря этому поддерживают число делений ядер в секунду на приемлемом уровне. Кроме того, способность нейтронов инициировать распад ядер зависит от энергии: если нейтроны слегка затормозить, цепная реакция облегчается; именно для замедления нейтронов урановые слитки помещали внутрь графитовых блоков. А чтобы нейтронов не становилось слишком много, в реакторах (от первых «поленниц» до самых современных) заранее делают каналы, по которым внутрь опускают управляющие стержни из поглощающего нейтроны материала.

Циклотрон и кандидатская

После того как Будкер успешно справился с теоретической задачей по проектированию уран-графитового реактора, ему поручили разработать теорию циклических ускорителей, циклотронов. Большой циклотрон на тот момент строился в Дубне и предназначался уже не столько для работ над ядерным оружием, сколько для фундаментальных исследований: при помощи ускорителя физики рассчитывали разобраться в процессах, протекающих при взаимодействии частиц с энергиями в десятки и сотни раз больше той, что характерна для ядерных реакций.

За работу над циклотроном — на тот момент крупнейшим в мире — Будкер получает и Сталинскую премию 1949 года (в советских биографиях семидесятых годов эту награду назовут «Государственной премией», хотя таковая будет учреждена много позже), и репутацию состоявшегося исследователя.

Зал циклотрона У-400. Фото: Юрий Туманов / Фотохроника ТАСС
Зал циклотрона У-400. Фото: Юрий Туманов / Фотохроника ТАСС

Циклотрон — это один из типов ускорителей заряженных частиц. Не вдаваясь в детальное описание разных принципов ускорения частиц электромагнитным полем, укажем два важных момента.

Первый: именно ускорители позволяют получить частицы с очень большими по земным меркам энергиями. Если вылетающие при ядерной реакции осколки (ядра атомов с меньшей массой) имеют энергию в несколько мегаэлектронвольт (МэВ), то крупнейший на сегодня ускоритель, Большой адронный коллайдер, выдает пучок протонов с энергией в 7 ТэВ, или 7 миллионов МэВ. Вся работа по изучению частиц высоких энергий без ускорителей немыслима.

Второй: циклотроны позволяют осуществлять те ядерные реакции, которые в естественных условиях не протекают — например, с их помощью получают не существующий в природе элемент технеций; он сегодня используется для производства специальных меток для медицинских исследований. Кроме того, пучок разогнанных циклотроном ионов иногда используют в лучевой терапии, для прицельного уничтожения злокачественных опухолей, так что назвать эти порожденные фундаментальной наукой инструменты совершенно бесполезными «для народного хозяйства» нельзя.

Термояд и известность

После работы над циклотроном Будкер приобретает известность уже как специалист по управляемым термоядерным реакциям. Впрочем, тут нужна оговорка: даже сегодня, в 2018 году, человечество не умеет управлять термоядерной реакцией так, как хотелось бы, поэтому работа физиков в этом направлении серьезно отличается от, скажем, пресловутого моделирования уран-графитового ядерного реактора.

Будкер первым придумал схему, которая до сих пор применяется на практике, — плазменную ловушку с магнитной пробкой, она же пробкотрон (независимо от него такую же схему придумал Ричард Пост из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса). Эта конфигурация мощных электромагнитов позволяет удерживать высокотемпературную плазму на месте и проводить опыты по ее нагреву. Гипотетически достаточно нагретая в такой ловушке плазма может достичь параметров, необходимых для начала реакции термоядерного синтеза с положительным выходом энергии.

Американская установка 2XII, работающая по схеме Будкера — Поста
Американская установка 2XII, работающая по схеме Будкера — Поста

Кроме разработки этой схемы физик исследовал и релятивистскую (с движением частиц на околосветовых скоростях) плазму. В своей работе «Релятивистский стабилизированный электронный пучок» Будкер предложил добавлять к пучку ускоренных до очень высокой скорости электронов небольшое количество положительно заряженных частиц, ионов: по его собственным словам, «это приводит к тому, что пучок стягивается (за счет электростатического притяжения разноименных зарядов — прим. „Чердака“) в тонкий шнур с громадными электрическими и магнитными полями на поверхности и представляет собой, по-видимому, устойчивое и весьма долгоживущее образование». Подобные плотные пучки частиц были интересны и специалистам по ускорителям, и тем, кто разрабатывал термоядерные установки.

Ядерная реакция — это распад одного ядра атома на несколько частей (примером служит уже упоминавшийся уран-235). Термоядерными же реакциями называют слияние нескольких ядер в одно: этот процесс тоже идет с выделением энергии, если брать не тяжелые атомы из второй половины таблицы Менделеева, а что-то вроде водорода или гелия.

Термоядерные реакции человечество пока умеет использовать только в водородных бомбах и нейтронных генераторах. В первом случае энергия выделяется одномоментно и в слишком большом количестве, а во втором мы имеем, напротив, много электроэнергии на входе и небольшой пучок нейтронов на выходе, нейтронные генераторы представляют собой источник излучения, который можно, в отличие от радиоактивного элемента, включать лишь на время работы.

Термоядерные реакции, которые протекают «всерьез», то есть с выделением приличного количества энергии, требуют миллионов градусов и достаточной плотности плазмы. Соответственно, физики с 1950-х годов активно ищут способ нагреть и сжать плазму в заданном объеме. Так как никакие стенки тут не годятся, используются либо магнитные поля, либо сжатие плазмы лазерным излучением или еще каким-нибудь способом. Плазма, будучи смесью заряженных ионов с электронами, хорошо направляется электромагнитным полем, и идея ловушки Будкера основана именно на этом: если линии магнитного поля сходятся в пучок, то большинство частиц плазмы в этом месте разворачивается в противоположную сторону. На русском языке такая ловушка называется магнитной пробкой, а англоговорящие специалисты используют термин «магнитное зеркало». Подобные установки активно строили с 1950-х годов для исследования высокотемпературной плазмы.

В 1980-х расчеты показали, что магнитные пробки проигрывают по всем параметрам токомаку, тороидальной камере с магнитными катушками (плазма свернута в замкнутый бублик — эту идею предложили в 1951 году учитель Будкера, Игорь Тамм, и еще малоизвестный тогда Андрей Сахаров). От строительства новых дорогих установок по схеме магнитных пробок отказались, однако в 2015 году в новосибирском Институте ядерной физики имени Будкера исследователи показали, что «невозможные» по меркам тридцатилетней давности параметры вполне достижимы и сбрасывать со счетов «будкеровские» установки пока рано.

Ускорители

Пучки релятивистких частиц — это в первую очередь ускорители, устройства, при помощи которых добыта вся информация о строении материи на уровне ниже, чем уровень атомного ядра в целом. В 1953 году Будкер оставляет чисто теоретические исследования и становится во главе Лаборатории новых методов ускорения. Поначалу под его руководством работает всего восемь человек, но уже в 1958 эта группа вырастает в Институт ядерной физики при тогда еще совсем молодом Сибирском отделении Академии наук. Сам Герш Будкер же становится, в частности, ведущим специалистом по ускорителям со встречными пучками частиц.

В своей статье «Ускорители со встречными пучками частиц» в 1966 году Будкер отмечал, что если построить ускоритель с неподвижной мишенью и энергией электронов в 2 триллиона электрон-вольт практически невозможно, то при столкновении встречных пучков те же научные результаты вполне достижимы. Более того, установка, на которой в том году начинали работать в Новосибирске, имела диаметр всего полтора метра!

«Идея встречных пучков не нова, она является тривиальным следствием теории относительности. Впервые, как мне известно, ее высказал академик Зельдович, правда, в весьма пессимистическом тоне. Пессимизм вполне понятен. В этом случае мишенью служит второй пучок, плотность которого на 17 порядков меньше плотности конденсированной среды — мишени обычного ускорителя. Однако это огромное число можно существенно уменьшить, заставив пучки проходить друг сквозь друга много раз», — писал исследователь.

Именно на встречных пучках работает Большой адронный коллайдер и абсолютное большинство используемых в фундаментальных исследованиях больших современных ускорителей. По этой причине Герша Ицковича Будкера можно считать одним из тех физиков, которые стояли у истоков современной физики элементарных частиц, с экспериментальным подтверждением бозона Хиггса и поиском чего-то за пределами Стандартной модели.

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы

Science Slam Economics

Научная битва в области экономики

В начале апреля прошел первый в России Science Slam по экономике, на котором соревновались студенты Российской экономической школы (РЭШ). У каждого участника было 10 минут, чтобы доступно и интересно рассказать о своей идее в области экономики и финансов. А публика определяла аплодисментами лучшего. Кому в России нужна возобновляемая энергетика? Сдерживают ли курильщики обещание бросить курить?
Добавить в закладки
Комментарии

Анастасия КИМ, студентка Российской экономической школы:

— Всем привет! У меня ко всем просьба: давайте в течение следующих 10 минут представим, что мы находимся в кругу анонимных невротиков. И вы сейчас услышите мою историю. Пожалуйста, отнеситесь к этому серьезно.

Итак, меня зовут Настя и я верю в возобновляемую энергетику. Ну и в мир во всем мире, конечно же. Я верю в то, что когда-нибудь ветряки, солнечные панели и мини-гидроэлектростанции станут неотъемлемой частью нашей жизни — такой же, как когда-то стала электроэнергия. [ ... ]

Читать полностью

Штаны вне школьной программы

Как популяризаторы и педагоги советуют мотивировать школьников к изучению наук

Как вырастить Эйнштейна? Этим вопросом сейчас задаются не только педагоги и родители, но и некоторые школьники, которым самим хотелось бы вырасти в Эйнштейна. Все они собрались на круглом столе, который «Чердак» провел 20 апреля в рамках Московского международного салона образования на ВДНХ. Мы предложили ведущим преподавателям и популяризаторам науки поделиться своим опытом (в том числе и на практике). И вот что из этого получилось.
Добавить в закладки
Комментарии

Участники круглого стола представляли разные области науки: Илья Колмановский (ведущий подкаста «Карманный ученый», журналист, редактор, ученый) — биологию, Владимир Сурдин (автор и редактор научно-популярных книг по астрономии и астрофизике) — астрономию, Григорий Тарасевич (главный редактор научно-популярного журнала «Кот Шредингера») — историю и социологию, а Владислав Цой (шеф-редактор сайта «Кота Шредингера») выступал с точки зрения потребителя научно-популярного контента. Модерировал круглый стол руководитель редакции «Чердака» Егор Быковский.

Понял то, что раньше знал

Первым микрофон взял Илья Колмановский. Причем взял он его не в две, а в три руки — третья у Ильи резиновая. Именно с ее помощью он демонстрирует свой главный тезис: «Главное в естественных науках — актуализация опыта». Или, если перевести с педагогического языка на человеческий: в ходе обучения нужно обязательно потрогать руками что-то настоящее (или резиновое).

Испытуемым становится случайно выбранный юноша из зала, представившийся Максом. Колмановский выстраивает сложную конструкцию: Макса сажают за стол, просят положить обе руки на стол, между ними помещают резиновую руку. Между настоящей правой рукой и фальшивой ставят перегородку (которую держит Егор Быковский, чтобы эксперимент не развалился в буквальном смысле слова), сверху руки и плечи Макса накрывают пледом, из-под которого торчат только кисти. В результате Макс не видит свою настоящую правую руку, в поле его зрения только левая и правая резиновая. Затем Колмановский начинает поглаживать одновременно его настоящую и резиновую правые руки. Максу приказано не отрывать глаз от муляжа. Зал затаил дыхание, круглый стол превращается практически в сеанс гипноза. И через пару минут оказывается, что Макс испытывает странные ощущения. «Не знаю, как их описать, но они интересные», — признается он. По его словам, настоящая правая рука ощущает легкое онемение, кажется даже, что ей становится сложно управлять. Колмановский добавляет, что если по резиновой руке теперь ударить ножом, то настоящая может даже почувствовать несуществующую боль. [ ... ]

Читать полностью

Человек, добывавший драконов

Иван Ефремов — писатель и палеонтолог

Автор этой заметки уже неделю страдал от отита, когда узнал о том, что скоро со дня рождения Ивана Ефремова исполняется 110 лет и «Чердак» должен срочно что-то об этом написать, поскольку Ефремов известен не только как писатель-фантаст, но и крупная фигура в палеонтологии. Упустить такой шанс больше узнать о любимом им авторе сотрудник «Чердака», даже вконец измученный антибиотиками, не мог — и взялся за работу.
Добавить в закладки
Комментарии

Часть первая,

в которой рассказывается о том, как корреспондент дозванивается в Палеонтологический институт, чтобы поговорить об Иване Ефремове

Когда-то Ефремов работал в Палеонтологическом институте РАН, да еще и заведовал там лабораторией палеогерпетологии (раздел палеонтологии, который занимается древними земноводными и рептилиями, в том числе динозаврами). Туда я и написал.

Мне ответила ученый секретарь и посоветовала связаться с заведующим лабораторией палеогерпетологии Андреем Герасимовичем Сенниковым. Писать письма времени у меня уже не было, так что я сразу позвонил. [ ... ]

Читать полностью