Спасибо, что вы с нами!

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

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

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

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

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

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