Сохраняй посты, комментируй и ставь оценки
Ну что за инженеры? Надо один магнит на крышу приклеить, а второй на палочке повыше. Тогда машина вертикально взлетит вверх аки ракета.
Спрайт - удивительное явление из мира разрядов и довольно вкусный лимонад. Но разряд в первую очередь!
Итак, спрайт - разновидность молний. В отличие от обычных молний, которые развиваются на высоте до 20 км, эти товарищи развиваются на высоте около 100 км и могут тянуться на десятки километров как в длину, так и в диаметре. На такой высоте довольно разреженная атмосфера, поэтому требуемое напряжение для пробоя меньше, чем для обычных молний.
Обратите внимание, что спрайт имеет красный оттенок в отличие от обычной молнии - дело в том, что на такой высоте преобладает азот, который и дает красное свечение (в отличие от кислорода, который больше в синие оттенки).
Полноценного физического объяснения я не нашел, скорее всего, его пока и нет. Очевидно, что это форма разряда, но не ясны точные условия, при которых спрайты развиваются. Считается, что спрайты развиваются во время сильных гроз и являются разновидностью разряда в холодной плазме (механизм такой же как свечение в газоразрядных трубках, которые используют в различных лампах).
Спрайт проходит очень быстро - не дольше 0.1 секунды, обычно значительно быстрее.
А вот так спрайты выглядят вкупе с остальной грозой. Увидеть вполне даже можно.
Там постик про плазму выложили, я решил не отставать.
Осторожно! Противные звуки в видосеках!
Довольно интересно дуговой разряд выглядит в магнитном поле. Даже очень интересно. Но строго обязательно смотреть в замедленной съемке!
В видео в качестве одного электрода используется штырь за магнитом, а вторым электродом является сам магнит.
Дело в том, что на движущиеся заряженные частицы в магнитном поле начинает действовать новая сила - сила Лоренца. Эта сила заставляет частицы двигаться по дуге окружности.
Поскольку дуговой разряд является потоком электронов и ионов, то есть, заряженных частиц, то и они попадают под действие данной силы.
На ютубе есть автор по магнитным полям, у него таких видео навалом. Снимает симпатишно, очень рекомендую.
Вот еще тот же эффект с двумя парами электродов.
Давайте пронаблюдаем очень интересный эффект.
Суть эффекта относительно проста. Если разогреть металлическую поверхность и капнуть на нее водой, то произойдет пшик, и капля испарится. Однако если сильно разогреть поверхность, то вместо испарения капля начнет непрерывно бегать по поверхности металла.
Причина такого поведения относительно проста. Если поверхность металла действительно сильно разогрета, то между каплей и металлом мгновенно испаряется небольшой слой воды и создается паровая прослойка. Эта прослойка изолирует каплю от металла, позволяя ей, во-первых, долго не испаряться ввиду отсутствия прямого контакта, а также собираться в почти идеальный шарик, поскольку молекулы воды притягиваются только друг другом, и отсутствуют силы межмолекулярного притяжения со стороны металла.
Но в целом запомним главное. Некоторые предметы являются настолько горячими, что не могут охладиться, создавая вокруг себя изолирующую паровую прослойку. В этом и заключается суть эффекта.
Существует еще красивая демонстрация. Если шарик сильно нагреть и опустить в воду, то вокруг шарика образуется и удерживается паровой пузырь.
В определенный момент шар остывает, и паровая прослойка практически 'взрывается' кипением.
Также данный эффект позволяет совершать физикам буквально безумные опыты!
Вот на видео молодой человек открытой рукой расплескивает жидкий металл.
Вот на видео молодой человек сует руку в расплавленный свинец.
+ А вот на видео молодой человек сует руку в жидкий азот.
Во всех случаях здоровье этих людей защищает образующаяся вокруг кожи воздушная прослойка, возникающая из-за великого и могучего эффекта Лейденфроста.
Убедительная просьба! Не повторяйте эти опыты без соответствующей подготовки! А если уж решитесь повторять - включите заранее запись видео! :)
Спагеттификация - процесс, при котором объект вытягивается и удлиняется в длинную, тонкую форму, когда он проходит слишком близко к сверхмассивной черной дыре. Этот феномен происходит из-за экстремальных гравитационных сил, создаваемых черной дырой, что приводит к разрыванию объекта на "спагетти-подобную" форму.
На самом деле гравитационные силы есть у всех объектов, обладающих массой. Даже когда мы стоим на земле, наши ноги "тянутся" к центру планеты сильнее, чем голова. Но эта разница ничтожно мала, поэтому мы остаёмся целы.
Звучит подобный рассказ о продавце дико и похож на выдумку, но я встречал подобную туристку.
Один из походов, привал, в группе зашла речь о зимних маршрутах. Разговорились, затронули тему радиалок, делимся мнениями по этому поводу и тут одна из участниц говорит, что лучше бы натопить воды заранее, чтоб вернуться, а она уже была.
Я возразил, мол смысла в этом особого нет, если группа уходит из лагеря на весь день при сильно минусовой температуре , т.к. вода замёрзнет без термосов. Можно, конечно, попробовать отсрочить замерзание, завернув воду в спальники, но фиг знает на сколько это эффективно и сколько даст времени на сильном морозе.
Девушка смотрит на меня взглядом "Эврика!" и изрекает: "Блин, а спальники же греют! Точно, ВОДА НЕ ЗАМЁРЗНЕТ, может даже нагреется!" ... после чего я приуныл.
На днях в очередной раз зашел в один из любимых мясных гриль баров. Первый раз обратил внимание на их юр лицо)
Европейская организация по ядерным исследованиям озвучила планы о строительстве адронного коллайдера нового поколения, который будет в три раза больше нынешнего ускорителя заряженных частиц и в семь раз мощнее. Правда, в научном сообществе этот проект восприняли скептически.
В 2008 году на границе Франции и Швейцарии Европейская организация по ядерным исследованиям (ЦЕРН) запустила самую крупную единую экспериментальную установку в мире — Большой адронный коллайдер (БАК). Это ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжелых ионов, а также изучения продуктов их соударений. Ученые сталкивают протоны и другие субатомные частицы со скоростью, близкой к скорости света, чтобы воссоздать условия, существовавшие спустя доли секунды после Большого взрыва.
Разгон и столкновение частиц происходят внутри 27-километрового кольцевого туннеля, который расположен под землей, на глубине 100 метров.
В 2012 году на Большом адронном коллайдере физики сделали значимое открытие — обнаружили бозон Хиггса, неделимую частицу, которая отвечает за механизм появления масс у некоторых других элементарных частиц. Ее существование 60 лет назад предсказал британский физик Питер Хиггс.
Вместе с другими учеными Хиггс предположил, что в природе должно существовать особое поле, при взаимодействии с которым частицы приобретают массу. Позже это поле назвали в честь Хиггса, а процесс обретения массы — хиггсовским механизмом. Узнать, как работает этот процесс, можно, только измерив свойства хиггсовского бозона. Без обнаружения бозона изучить это поле невозможно. Открытие неделимой частицы и понимание ее свойств стало важнейшей задачей для многих исследователей.
Однако с момента обнаружения бозона физики, работающие с Большим адронным коллайдером, зашли в тупик. За 14 лет исследований никаких значимых научных результатов ученые не добились. Тайны Вселенной, для раскрытия которых строилась установка, — природа темной материи и темной энергии, антигравитация, дополнительные измерения — так и остались неразгаданными.
В 2019 году ЦЕРН задумала строительство нового ускорителя частиц под названием «Будущий кольцевой коллайдер» (Future Circular Collider).
Установку стоимостью в 20 миллиардов евро собираются построить под землей, на глубине почти 200 метров, между Предальпами и горным массивом Юра на границе северо-запада Швейцарии и востока Франции. Новый коллайдер будет представлять собой 91-километровый кольцевой туннель, внутри которого ученые смогут сталкивать протоны с суммарной энергией 100 тераэлектронвольт. Сегодня на Большом адронном коллайдере сталкивают протоны с максимальной суммарной энергией 14 тераэлектронвольт.
Планируется, что с помощью нового ускорителя физики смогут совершить прорывные открытия в области темной материи и темной энергии, которые описаны теоретиками, но пока не обнаружены экспериментально, а также в области новых энергий физических явлений, находящихся за рамками Стандартной модели.
Мощностей Будущего кольцевого коллайдера хватит, чтобы детально изучать свойства некоторых фундаментальных частиц — переносчиков слабого взаимодействия (Z-, W-бозонов), Хиггс-бозонов и поля Хиггса, которые невозможно исследовать на Большом адронном коллайдере, и топ-кварков. Измеряя сечение рождения топ-кварка (как парное, так и одиночное) и интенсивность связи топ-кварка с другими частицами, можно проверять предсказания Стандартной модели и искать возможные отклонения от них.
На встрече совета ЦЕРН, которая прошла 2 февраля, на обсуждение вынесли план строительства новой установки и бюджет. Если план утвердят, организация запросит финансирование у стран-участниц в течение следующих пяти лет. В ЦЕРНе надеются, что ускоритель частиц появится в Европе в начале 2040-х годов, по окончании программы Большого адронного коллайдера.
«В случае одобрения плана новый коллайдер станет самым мощным „микроскопом“, когда-либо созданным человеком. С его помощью можно будет изучать законы природы на микроуровне и при самых высоких энергиях. Установка поможет решить целый ряд вопросов в фундаментальной физике и улучшит наше понимание Вселенной», — пояснила Фабиола Джанотти (Fabiola Gianotti), генеральный директор ЦЕРН.
Но многие ученые скептически настроены к проекту Европейской организации по ядерным исследованиям. Например, немецкий физик-теоретик Сабина Хоссенфельдер (Sabine Hossenfelder) из Франкфуртского института перспективных исследований считает, что разговоры о том, будто новая установка раскроет тайны темной материи и темной энергии, лишь «болтовня».
«Правда в том, что, скорее всего, такая машина будет просто лучше измерять некоторые константы Стандартной модели — и все. Если финансирование проекта все же одобрят, что ж, множество умных людей потратят свое время впустую — на исследования, которые не приведут к прогрессу. Физике элементарных частиц пора на покой, наступило время признать, что будущее за квантовой физикой», — раскритиковала планы ЦЕРН по строительству коллайдера Хоссенфельдер.
Чтобы понять скептицизм Хоссенфельдер, напомним: ранее в своем научно-популярном блоге физик утверждала, что темная материя не может состоять из частиц (а коллайдер может открыть ее, только если она сложена из частиц). Любые частицы должны испытывать соударения, тормозящие друг друга, а столкновения галактик и их скоплений в нашей Вселенной происходят так, как если бы никакого торможения от соударений частиц темной материи в них не происходило.
Бывший главный сотрудник правительства Великобритании по вопросам науки сэр Дэвид Кинг (David King) назвал безрассудством вкладывать такие огромные деньги в теоретические исследования, когда мир находится перед лицом климатического кризиса. По мнению Кинга, финансировать нужно прежде всего исследования климата и меры по борьбе с глобальным потеплением.
Сейчас специалисты ЦЕРНа проводят исследование, чтобы выяснить, осуществимо ли строительства Будущего кольцевого коллайдера с помощью современных технологий. Свои результаты комиссия представит в 2025 году, а в 2028-м совет примет окончательное решение по строительству сменщика БАК.
Белоярская АЭС — единственная в мире промышленная атомная электростанция с реакторами на быстрых нейтронах и, соответственно, жидкометаллическим теплоносителем. Такие АЭС разрабатывали во многих странах с конца 1950-х, но, кроме СССР и позднее России, они нигде надолго в эксплуатации не остались (за исключением исследовательских установок). Реакторы на быстрых нейтронах — один из примеров технологий в атомной энергетике, которые испытывали ранее, но оставили без существенного развития из-за низких экономических показателей. Их очень дорого строить. Новые материалы способны спровоцировать ренессанс подобных пока что экзотических схем
Перспективные проекты атомных электростанций в принципе невозможны без разработки новых материалов. Например, сверхкритические водяные реакторы (как ВВЭР-СКД) — в них роль теплоносителя играет вода в сверхкритическом состоянии. То есть ее давление превышает 22,1 мегапаскаля. Это выгодно, потому что позволяет повысить эффективность всей АЭС примерно до 45 процентов против 30-33 у реакторов нынешнего поколения. Сверхкритическую жидкость можно разогреть до более высоких температур, а любая тепловая машина работает тем эффективнее, чем больше разница температур между ее горячей и холодной частями.
Сверхкритическую воду в качестве теплоносителя давно используют в газовых тепловых электростанциях. Это сравнительно отработанная технология. Для атомной энергетики же это не просто новинка, а изменение, требующее пересмотра всей «начинки» АЭС. Да, конструкция реакторов станет проще, следовательно — дешевле и быстрее в изготовлении. Но есть большие проблемы.
Сверхкритическая вода по-другому замедляет нейтроны, может вызывать коррозию там, где обычная вода практически инертна, а также рискует начать разлагаться на кислород и водород под действием ионизирующего излучения в определенных условиях. Иными словами, перспективы огромные, но и вызов непростой.
В сверхкритических реакторах такое высокое давление внутри активной зоны, что при определенных спектрах им не подходят обычные топливные таблетки. Диоксид урана со всеми имеющимися вариантами покрытий просто не работал так, как требовалось физикам. Возможные материалы — кандидаты топлива тоже не подходили.
Наши специалисты долго думали над этой проблемой и пришли к альтернативному решению. Отказавшись от стандартных таблеток внутрь твэла с топливной композицией добавили компенсатор давления. Таким образом внешнее давление компенсировалось топливом, а избыточное распухание топлива забирал на себя компенсатор. Разумеется важны детали: были рассчитаны форма, толщина, подобран правильный материал компенсатора. Наглядная иллюстрация прикладного подхода: если какую-то задачу не получается решить имеющимися или перспективными средствами, имеет смысл объединить усилия ученых разных специальностей и конструкторов.
Не металлами едиными
В примерах выше почти всегда упоминались металлы либо их оксиды. Но это не единственные материалы, которыми занимаются материаловеды атомной отрасли. Естественно, есть еще керамики, пластики, бетоны и многое другое. Большая часть ресурсов уходит на разработку этих типов материалов.
Внимательный читатель уже, наверное, заметил, что не хватает целого спектра различных материалов, которые часто упоминаются в контексте высокотехнологичных отраслей. Да, мы о мета-, нано- и прочих приставках, а также об аддитивных технологиях.
Это не приоритетные направления, но по ним тоже ведут работу. Большие перспективы видны в печати металлическими порошками. У подразделений «Росатома» есть наработки по печати крупных деталей, вплоть до целой выгородки реактора — внутренних структур активной зоны, которые окружают тепловыделяющие элементы. Тем не менее есть большая проблема со специалистами в области экзотических материалов. Их огромный дефицит. Можно сказать, что экзотика в области материаловедения для атомной энергетики — крайне выгодное направление для выбора нынешними студентами.
Довольно часто это невероятно интересные и «красивые» технологии, уникальные люди, которые создают материалы с нестандартными сочетаниями свойств. Но нам не хватает людей. Причем речь идет не о специалистах в единственном числе, а о командах. Все наши разработки — это долгие проекты, за редким исключением. И мы должны гарантировать выход материала в промышленном масштабе к определенному сроку готовности изделия. В чем риски? Вот мы взяли сотрудника, он перспективный, занимается уникальной и очень многообещающей экзотикой. Но что делать, когда он заболеет? Женится? Поменяет приоритеты в жизни? Немного цинично, но это прагматизм прикладной науки.
Именно поэтому особо ценятся команды специалистов, научные школы, устойчивые кооперации. Да, договориться порой непросто: научные споры — зрелище не для слабонервных. Но и результат учитывает мнение не одного гения, а еще опыт эксплуатации прежних разработок и так далее. Для проверки своих возможностей у нас есть программа аванпроектов — сравнительно небольшое финансирование на перспективные идеи, которые мы поможем проверить с помощью своих ресурсов, главное — ответственно обосновать ожидаемые свойства материала.
В последние годы научная этика поменялась, и теперь в перечень работ по подготовке большого НИОКР принято включать не только аналитические обзоры, но небольшое исследование в обоснование разрабатываемой гипотезы. Все это помогает в реализации НИОКР и получении финансирования.
Какое будущее готовят уже сегодня
Материаловедение в атомной отрасли существует на стыке фундаментальных и практических дисциплин. Это одна из тех сфер человеческой деятельности, где всегда есть место чему-то новому, удивительному и при этом максимально связанному с реальностью, практикой.
Ближайшие десятилетия для ядерной энергетики обещают быть временем множества прорывов и революций, на нее возлагают большие надежды во всем мире. Назревает атомный ренессанс, и российские атомщики прямо сейчас воплощают в реальность проекты, которые наверняка будут востребованы уже завтра.
Особенно впечатляет, насколько сильна и важна кооперация в «атомном» материаловедении. Нет ни одного универсального предприятия или научной организации, слишком сложная дисциплина. За корпуса реакторов отвечает ПАО НПО «ЦНИИТМАШ», внутрикорпусные материалы делает и разрабатывает ЦНИИ конструкционных материалов «Прометей» (Курчатовский институт) — список можно продолжать долго. При этом без постоянного тесного взаимодействия и обмена опытом успех невозможен.
Была у нас забавная история. Материаловеды в лаборатории, как оказалось, не совсем представляли возможности производства. Разработали кандидатный материал, изготовили образцы, подтвердили характеристики — и казалось бы, прямая дорога к масштабированию. Заказали изготовление промышленного полуфабриката на завод. Те посмотрели спецификацию, все сделали, как написано, отправили пробную партию обратно. В лаборатории смотрят, а свойства сильно различаются: чистота слишком высокая, нужных примесей нет. Звонят на завод: как так, куда подевали, всегда же были. Там им и отвечают: в спецификации же указали верхнюю планку, без нижней (обычно материаловеды уточняют, ведь есть привычный минимальный уровень), вот мы для вас выполнили заказ по высшему классу — оборудование позволяет. В итоге, с одной стороны, потратили время, с другой — подтвердили значимость примесей в определенной металлической матрице. Вывод: надо знать все нюансы технологии производства.
Это благодатная почва для развития не только самой атомной отрасли и молодых специалистов как ее части. Новые материалы, инженерные решения и сопутствующие открытия в фундаментальных науках двигают общий научно-технический прогресс в стране.
Помимо энергетики, разрабатываемые атомной отраслью материалы и решения применяют в точном машиностроении, медицине, электронике и космонавтике. Это мощнейший стимулятор роста и развития всех смежных областей экономики и промышленности.
Инженеры помещают замедлитель между столбиками топлива и повышают эффективность цепной реакции. Для реакторов, в которых теплоносителем выступает вода, она же служит замедлителем нейтронов.
Ну а захват «лишнего» нейтрона атомным ядром приводит к его превращению в изотоп. Например, уран-238 становится ураном-239. Поскольку в новом ядре соотношение протонов и нейтронов становится иным, его стабильность почти всегда существенно ниже, чем у изначального атома. В зависимости от того, какое топливо используется в реакторе, захват нейтрона может быть как полезным явлением, так и вредным. Комбинируя замедлители и отражатели нейтронов, активную зону конфигурируют так, чтобы в ней преобладали нейтроны нужных энергий.
Кроме ядерных реакций деления, в атомных реакторах постоянно идут процессы распада. Фактически почти все, что находится в топливных таблетках, радиоактивно: само топливо, продукты распада, ионизированные и подвергшиеся нейтронной бомбардировке материалы связующего для топлива. Это приводит к постоянному потоку альфа- и бета-частиц, гамма-квантов, а в особо редких случаях — непосредственно осколков деления.
Подытоживая все происходящее в реакторе, стоит выделить наиболее критические факторы, определяющие выбор материалов для его конструкции:
При этом воздействие ионизирующего излучения на различные материалы вполне понятно и предсказуемо. А с высокими температурой и давлением инженеры научились работать уже давно — задолго до появления АЭС. Хотя некоторые прорывы возможны и в этой области, она неспецифична для атомной отрасли.
Нейтронное излучение — другое дело. Его эффекты в большой степени хаотичны и порой кажущаяся незначительной корректировка технологий обработки материала или его химического состава радикально изменяет его поведение в реакторе. Поэтому основной фокус внимания ученых-материаловедов «Росатома» и смежных организаций направлен на изучение взаимодействия нейтронного потока с различными материалами или их комбинациями.
Как разрабатывают новые материалы для атомной отрасли
Материаловедение — прикладная дисциплина, решающая в первую очередь практические задачи. Есть конструкция или отдельная деталь, для которых имеющиеся материалы неоптимальны — ищем способы их улучшить или создать новые. В общих чертах это и есть основной принцип разработки новых материалов во всех отраслях. Атомная энергетика здесь не исключение.
Но прежде всего важно определиться с терминологией. Дело в том, что для материаловеда само слово «материал» означает гораздо более узкое понятие, чем мы привыкли в быту.
Материал — это не просто дерево, металл, керамика, стекло или бетон. Конкретная сталь со строго определенным химическим составом, отлитая и закаленная — это один материал. Если она же кованая — уже другой. Или она закаленная, отпущенная при разных температурах — и ее свойства будут отличаться в широких пределах.
Для материаловеда важна биография образца: как и где добыли сырье для его изготовления, какие процедуры подготовки оно проходило, что именно с ним делали в процессе обработки. какие свойства приобрел этот материал в результате всех манипуляций с ним.
Выше, на видео симуляция каскада столкновений, вызванного попаданием тяжелого иона (трииодид бора) в металл (железо). Нейтронное излучение приводит к аналогичным эффектам, лишь вероятность взаимодействия отличается. Единичная частица, попадая в материал, вызывает смещение не только того атома, с которым сталкивается, но и всех его соседей. Им передается часть кинетической энергии, причем ее количество гораздо больше, чем при теплопереносе. В результате выбитыми со своих мест в кристаллической решетке могут оказаться не только атомы на поверхности, но и глубоко внутри материала. Так образуются полости, смещения фаз кристаллической решетки и даже микротрещины
Контроль и надзор в сфере ядерной безопасности, а соответственно, одобрение использования тех или иных материалов в ядерных установках осуществляет Ростехнадзор. Для конструктора оборудования АЭС существует объемный «справочник всех материалов», в котором содержится список всего, что прошло аттестационные испытания под определенные условия эксплуатации. Каждая строчка в этом документе — отдельный материал, который инженеры-конструкторы могут использовать в допустимых пределах.
Вне зависимости от того, насколько революционным и по всем расчетам безопасным получится проектируемое изделие, если в нем хоть где-то используют неаттестованные материалы, контролирующий орган такое строительство никогда не одобрит. Именно поэтому все новые материалы нужно тщательно испытывать и проверять на соответствие требованиям, установленным в стандартах и конструкторской документации.
В общих чертах идеализированный процесс разработки нового материала выглядит следующим образом. Сначала на этапе подготовки проекта, если выясняется, что существующих материалов недостаточно, ставится задача создать новые. Расчетными методами, моделированием подбирают список материалов-кандидатов, которые проходят первичную проверку в лабораторных условиях. Так тестируют их коррозийную устойчивость, механические и химические свойства. Одновременно проверяют возможность производства этих материалов на оборудовании, имеющемся в распоряжении самого предприятия или у его подрядчиков.
Образцы, которые подтвердили свои свойства во время первичных анализов, отправляют на облучение. Раньше приходилось загружать образцы в исследовательский реактор на несколько лет — только так можно оценить реальный эффект воздействия нейтронного потока. Он выражается в СНА, смещениях на атом кристаллической решетки, — единице дозы облучения, позволяющей сравнивать уровень повреждений в реакторах с различным нейтронным спектром и при облучении различными частицами.
Выше на картинке просвечивающая электронная микроскопия образца из титана, который подвергся жесткому нейтронному облучению. Белые многогранники — пустоты, возникшие в результате выбивания атомов с их мест в кристаллической решетке нейтронами. Темные продолговатые области — полосы осажденных титана, рения и осмия. Последние два элемента — результат трансмутации титана при захвате нейтрона. Исследование воздействия нейтронного потока на материалы критически важно не только для атомной энергетики, но и для термоядерной
Сейчас реактор используют только для финальных испытаний. На первых этапах отсева материалов-кандидатов можно применять ионный ускоритель. Его воздействие на образцы с практической точки зрения идентично нейтронному излучению. Так, пороговые дозы СНА набираются за считаные дни.
Помимо экономии времени, ускоритель делает разработку радиационно стойких материалов несравнимо дешевле — реакторное время очень дорого. Вдобавок после облучения материалы не нужно оставлять в бассейне выдержки еще на год, чтобы они потеряли наведенную радиоактивность.
После облучения материалы-кандидаты снова всесторонне изучают, их характеристики проходят тщательную проверку. И почти наверняка цикл повторяется, потому что ничего не подошло под целевые параметры. Иногда цикл выполняется несколько раз.
В итоге через несколько лет (ранее — спустя десятилетия) кропотливой работы получаются образцы новых материалов с заданными свойствами. Скорее всего, отработано даже их промышленное производство малыми партиями. Остаются только сертификационные испытания в реакторе, после которых контролирующие органы смогут выпустить заключение о допуске материала к использованию в определенных условиях. На все про все — не менее 10-12 лет с начала разработки до получения аттестации материалом.
Последние несколько лет на помощь материаловедам пришли цифровые технологии, в том числе искусственный интеллект. Алгоритмы машинного обучения, основанные на механизмах деградации и базах данных свойств известных материалов, значительно экономят время, проводя первичное отсеивание материалов-кандидатов или решая «обратную» задачу: подбирая состав и структуру материала под заданные условия эксплуатации по целевым характеристикам. Единственное, с чем ИИ пока справляется плохо, — способы обработки, но и этот недочет скоро будет исправлен: ученые и программисты «Росатома» работают в этом направлении.
Почему нельзя стоять на месте
Атомная энергетика — постоянная технологическая гонка. И разработка материалов для нее выступает лишним подтверждением этого тезиса. Учитывая длительность цикла разработки, сейчас внедряют то, что начинало создаваться три-четыре декады назад, а прошло аттестационные испытания 10-20 лет назад. Проще говоря, работа над сегодняшними проектами обеспечивает технологическое превосходство в 2040-2050-х годах. И любая заминка потенциально приводит к высокому риску отстать от темпа конкурентов на этих отдаленных рубежах планирования.
Благодаря этому непрерывному процессу развития отрасли не существует ни одной полностью идентичной АЭС. Каждый следующий проект в чем-то лучше предыдущего, даже если они принадлежат к одной серии. Иногда события в мире приводят к завышенным требованиям потенциальных потребителей, появляются новые уровни защиты, которые на следующем этапе отсекаются по экономическим соображениям. Это ни хорошо, ни плохо — просто особенность, нормальный ход событий.
Второй важнейший стимул развития материаловедения в ядерной энергетике — экономика. Атомные электростанции наконец-то снова становятся не единичными проектами, а практически серийными изделиями. Кроме них, в обозримом будущем заменить угольные и газовые электростанции базовой нагрузки нечем. Никакие ветряки и солнечные панели эту роль в энергосистеме занять не смогут, даже если им на помощь придут сверхъемкие накопители энергии.
Это означает, что стоимость выработанного АЭС киловатт-часа электроэнергии становится не просто существенным фактором оценки всего ее проекта, а критически важным. Она, в свою очередь, зависит от целого спектра параметров, часть из которых способны удешевить новые материалы. Снижение стоимости, габаритов или сроков изготовления любых деталей, агрегатов и узлов в масштабах столь колоссальных объектов, как АЭС, оборачивается экономией в миллионы или даже миллиарды.
Наверное, самый простой ответить на вопрос «Зачем разрабатывать для АЭС новые материалы?» — потому что АЭС со старыми материалами никто не купит. По совокупности причин, из которых экономика будет решающей. Даже несмотря на затраты НИОКР, современные станции экономически эффективнее старых — либо по срокам строительства, либо по стоимости эксплуатации.
Не стоит забывать и о психологическом факторе. Атомная энергетика, пожалуй, вызывает самую напряженную дискуссию в поле общественного мнения. Поэтому, если какая-то инновация не приносит заметного повышения экономических характеристик АЭС, но повышает ее безопасность в каких-либо даже самых маловероятных сценариях, ее имеет смысл реализовать.
В России разработку новых материалов и технологий ведут в рамках комплексной программы развития атомной науки, техники и технологий — КП РТТН. Мы создаем не только новые материалы для перспективных энергосистем, но и опытные целевые изделия, которые тоже проходят испытания. В результате на выходе мы получаем и технологию, и материал, готовые к промышленному внедрению, причем не только в атомной энергетике, но и авиации, машиностроении и других смежных отраслях.
Из последних разработок могу привести в пример технологию изготовления новых марок стали с повышенными прочностными свойствами, в том числе для атомных энергетических установок малой мощности. Тем самым мы решаем задачу уменьшения массогабаритных характеристик оборудования вокруг реакторной установки и получаем существенный выигрыш в массе — этот параметр весьма критичен для атомных станций малой мощности. В этом году как раз проходят аттестационные испытания по всему комплексу свойств новой стали.
И, конечно же, без Гервидса Валериана Ивановича, которому отведен целый плейлист на канале МИФИ, наша подборка тоже невозможна. Замечательный преподаватель. Тонко, аккуратно, с юморком.
На видео демонстрируется лестница Иакова, названная так в честь ветхозаветной лестницы между Землей и Небом. Лестница представляет собой две металлические пластины под напряжением, расстояние между которыми увеличивается с высотой.
Принцип работы прост. Прикладываемого напряжения достаточно только для того, чтобы пробить воздух в самом узком месте, то есть, внизу. Однако затем нагретый разрядом воздух начинает подниматься вверх благодаря силе Архимеда. Поскольку теперь этот воздух имеет много свободных заряженных частиц, то дуга может пройти и в более широких местах лестницы. По сути, мы имеем плавучую перемычку между двумя электродами. Красота, да и только!
Как ведёт себя жидкость во вращающемся резервуаре.
Подрабатываю репетитором.
Всем добрый день! Решил составить подборку полезных и интересных каналов на ютубе, в которых вещают про физику. Начнем от самых известных и пойдем глубины... Все указанные каналы снабжены ссылками для удобного перехода.
Как обычно предлагаю присоединиться к моему телеграм-каналу, на котором мы обсуждаем физику и математику. Подготовка к ЕГЭ в наличии, реклама отсутствует.
1. @pvictor54
Автор - Павел Андреевич Виктор
Не устану настоятельно советовать физику от этого замечательного человека, который записал полный курс лекций по школьной физике по программе Перышкина. Павел Андреевич показал, что если просто планомерно, размеренно и качественно выполнять свою работу, то можно достичь небывалого успеха.
Говорю сейчас абсолютно серьезно - вы или ваш ребенок можете абсолютно бесплатно и без всяких репетиторов выучить физику по урокам Павла Андреевича. Для этого просто нужно сесть и заниматься. Все уроки разбиты на темы, идут подряд, полностью соответствуют школьной программы и подаются совершенно понятно и интересно.
Больше всего меня на уроках Павла Андреевича восхищает огромное количество нетривиальных и интересных экспериментов. Волшебно!
2. @getaclassphys
Авторы - Андрей Иванович Щетников и Алексей Александрович Колчин
Два очень веселых физика, которые при помощи довольно простых лабораторных приборов и самодельных установок раскрывают глубинные таинства физики. У авторов очень необычная и интересная подача материала и хорошее качество. Больше всего меня восхищает нестандартность всех рассматриваемых вопросов.
Кроме нестандартных вещей у авторов есть очень полезные разборы вполне стандартных вопросов - что такое центростремительное ускорение, зачем нужны радианы, про КПД и так далее.
В общем, смотрим, участвуем, любим физику!
3. Плейлист НИЯУ МИФИ - Гервидс Валериан Иванович
Автор - Гервидс Валериан Иванович
Плейлист памяти замечательного физика содержит три сотни коротеньких видео с различными экспериментами и объяснением происходящего. Многие из экспериментов уникальны и не имеют повтора на ютубе. Просто стандартных экспериментов с хорошим объяснением тоже достаточно. Крайне рекомендую к просмотру.
Остальные каналы перечислю покороче.
1. @PhysFromPobed, @MakarSvet13/videos, @physiovisio/videos, Физика от Галилео - очень качественная и интересная публицистика
2. @mapenkin/featured и @shkolkovo_phys/videos - хорошие занятия по школьной, ЕГЭшной и олимпиадной физике.
3. @physicsfun/videos - веселые и интересные эксперименты из-за бугра.
4. @VideoTutorialsForSchool/playlists - школьная физика (и не только) в экспериментах с объяснениями.
5. @user-rf1hk2nh4f - теоретическая и прикладная механика. Актуально для олимпиадников.
6. @user-pt8mk4jl8g/videos - хорошие лекции по физике для школьников и студентов.
7. @user-xp6pr5ow4g - учебники Перышкина в видеоформате от школьника. Очень необычно.
8. @Kirsanov2011/videos - лекции по механике и математике для студентов.
9. @user-qs4dn6zq5t/videos - уроки для школьников
10. Лекции и уроки по физике от различных универов:
а. @physicsitmo
б. @nauka_v_regiony/videos - МФТИ для школьников
в. @mipt_study - МФТИ для студентов
г. @user-pl8nb4qz9p/videos - МФТИ для студентов
д. @NAUKA0/featured
е. @mfugntu - хорошие лекции по механике
ё. @NWTU/about
P.S. По всем вопросам - alexjuriev3142@gmail.com
Для ЛЛ - очень интересно, но н*и*х*у*я не понятно. Начнем.
Почти все СМИ Рунета (но не только) заявили о том, что ученые якобы зарегистрировали распад ложного вакуума. Это результат плохого понимания вопроса: в реальности первый же такой распад был бы концом света в буквальном смысле слова, а зарегистрировать его было бы некому. Naked Science рассказывает, что произошло на самом деле.
Многие российские СМИ дали новости вроде «Физики увидели распад ложного вакуума». К сожалению, это были новости о событиях, которые не происходили. Чтобы понять почему, стоит вспомнить, что такое ложный вакуум. Это чисто гипотетическое состояние в квантовой теории поля, причем многие люди, занимающиеся квантовой механикой, скептически оценивают саму возможность его существования, которое, предположительно, наблюдается в нашей Вселенной сейчас.
Очевидно что его отличие от истинного вакуума заключается в том, что в ложном вакууме энергия находится не на минимально возможном уровне, как в истинном, а на субминимальном. При распаде ложного вакуума минимальный энергетический уровень в вакууме для нашей Вселенной снизится. Согласно большинству расчетов по этой теме, такой распад ложного вакуума будет означать мгновенное исчезновение барионной материи. Есть небольшое число моделей, при которых такой распад не уничтожает сразу всю обычную материю, но вот жизнь нашего типа при этом все равно будет, мягко говоря, маловероятна
На картинке выше изображено базовое энергетическое состояние нашей Вселенной зависит от потенциала поля Хиггса. Если сейчас Вселенная находится в состоянии с минимальной возможной энергией (что вполне вероятно), тогда вакуум в ней истинный, и она вполне стабильна. То есть она хоть и может сжиматься или расширяться, но не может мгновенно измениться до неузнаваемости. А вот если мы находимся в области лишь локального минимума (состояния с не самой низкой энергией вакуума), тогда вакуум нашей Вселенной ложный. Соответственно, она тогда могла бы мгновенно туннелировать в состояние истинного вакуума, при этом погибло бы все живое
Иными словами, это событие почти наверняка означало бы мгновенное уничтожение всех земных наблюдателей. Поэтому реальная регистрация подобного распада маловероятна: если он все же случится, регистрировать будет некому. К тому же это событие, если вообще возможно, очень маловероятно. Ожидаемое минимальное время до него — десять миллиардов триллионов триллионов триллионов триллионов лет (10 в 58-й степени). Учитывая, что нынешний возраст наблюдаемой Вселенной примерно в триллион триллионов триллионов триллионов раз меньше, возможность такого события в ближайшее время не слишком велика. О чем же тогда пишут СМИ?
Они пытаются, в меру сил и возможностей, описать научную работу, опубликованную в журнале Nature Physics (впрочем, даже полное название журнала корректно смогли указать не все). Проблема в том, что она отнюдь не описывает ложный вакуум в квантовомеханическом смысле этого слова: авторы разбирают симуляционную модель перехода из состояния с одной минимальной энергией в состояние с чуть более низкой минимально возможной энергией.
Для этого ученые из Италии провели эксперимент с образованием пузырьков в ферромагнитной сверхтекучей жидкости, где до массового образования пузырьков было метастабильное состояние с одной минимальной энергией, а после образования пузырьков наступило иное, но тоже стабильное состояние (только с более низкой энергией). Опыт проходил в среде с температурами в районе долей градуса выше абсолютного нуля. Однако он не касался вакуума в физическом смысле этого слова, в том числе потому, что происходил в среде, насыщенной атомами.
Интересно, что сами ученые, написавшие эту работу для Nature Physics, достаточно однозначно пояснили, что речь идет именно о симуляции квантовых процессов, а не о них самих. Том Биллам прокомментировал ее так: «Использование возможностей экспериментов с ультрахолодными атомами для симулирования квантовых физических процессов в других системах — в данном случае ранней Вселенной — крайне интересная область исследования в настоящий момент». Другой автор исследования, теоретик Ян Мосс, констатировал: «В физике частиц распад вакуума в случае бозона Хиггса изменил бы законы физики, породив то, что называют „последней экологической катастрофой“
Из этого видно, что вины самих авторов работы в том, как странно представили их исследование в СМИ, нет. Они осознают, что проводили симуляцию распада ложного вакуума и регистрировали именно эту симуляцию, а не реальный процесс. Ясно им и то, что если бы такое событие случилось в реальной жизни, оно стало бы последним в нашей истории.
Есть такое ушедшее в хронику эпох устройство под названием лампочка накаливания. Принцип работы прост - по тонкой вольфрамовой нити пропускают электрический ток. Нить раскаляется и начинает светить. Вольфрам применяется в качестве тугоплавкого металла.
Однако, если бы мы зажгли нить без колбы, то нить бы попала под влияние окружающего кислорода, который быстро бы устроил нити реакцию горения. В таких условиях нить не проживет и секунды. Для долговременной работы ее помещают в колбу, из которой откачивают воздух.
Однако изолировать нить от кислорода можно и другим способом. Зачем все эти колбы-вакуумы, если можно просто сунуть лампочку в жидкий азот?
Азот не является окислителем, поэтому вольфрам в нем не сгорает. Плюс низкая температура значительно снижает сопротивление нити, из-за чего металл меньше разрушается под действием проходящего по нему тока.
Светить, конечно, будет хуже, но когда нас это останавливало?..
Человечество хотело добыть и обуздать ядерную энергию — фундаментальные науки обеспечили для этого теоретическую базу. Потребовалось реализовать теорию «в железе» — это сделали с помощью прикладных дисциплин: инженерного дела и материаловедения. Рассказываем, с какими практическими трудностями сталкиваются инженеры, проектирующие реакторы, почему в атомной отрасли приходится постоянно создавать новые материалы и как современные студенты могут стать баснословно успешными, всего лишь выбрав правильное направление обучения в области экзотического материаловедения.
Пожалуй, в любом рассказе об атомной энергетике автор сразу упомянет количество энергии, которое высвобождается при делении ядра атома. Например, распад килограмма урана-235, самого распространенного топлива в энергетических реакторах, в среднем приносит 83 тераджоуля энергии. Это во впечатляющие полтора миллиона раз больше, чем можно получить от сжигания той же массы природного газа (метан, 55 мегаджоулей) или в целых полмиллиона раз больше, чем от килограмма его «зеленой» замены — водорода (141 мегаджоуль).
Как удержать в узде всю эту энергию, чтобы направить ее на полезную работу? Об этой инженерной проблеме зачастую несправедливо забывают.
Столь внушительная разница в энергетическом потенциале химического и ядерного топлива неслучайна. При сжигании горючего высвобождается энергия, заключенная в химических связях. А они, в свою очередь, — продукт электромагнитного взаимодействия. Ядерная энергетика в качестве фундамента использует еще более мощное взаимодействие, оно так и называется — сильное.
Электромагнетизм удерживает вместе атомное ядро и электронные облака, связывает атомы в молекулах, молекулы друг с другом в некоторых формах материи (например, водородные связи в воде и спиртах). Сильное же взаимодействие удерживает вместе кварки, формирующие адроны — протоны, нейтроны — и связывает сами формирующие атомное ядро адроны друг с другом.
Сила этого взаимодействия на интересующих нас масштабах атомного ядра более чем в сотню раз превышает силу электромагнитного взаимодействия. Поэтому деление атома высвобождает настолько больше энергии, чем его участие в любых химических реакциях.
Что самое важное, эта высвобождаемая при ядерном распаде энергия передается окружающей среде не только в виде кинетического взаимодействия атомов друг с другом. При делении ядер энергию уносят их осколки и отдельные элементарные частицы. Они способны взаимодействовать с другими атомами не только по законам электромагнетизма (сталкиваясь с их электронными облаками), но и напрямую, встречаясь непосредственно с атомным ядром. Проще говоря, энергетический поток не просто мощнее — он сфокусирован на гораздо меньшей площади.
Важная ремарка
Здесь и далее многие физические явления мы опишем в очень упрощенном виде и сознательно не станем затрагивать целый ряд физических феноменов. Почему атомы распадаются и делятся, с какой вероятностью это происходит, что получается в результате и какие законы квантовой механики диктуют их стабильные состояния, а также правила всех протекающих с ними процессов — это несколько больших отдельных тем.
Для целей этой статьи важно отметить, что есть определенные соотношения протонов и нейтронов, при которых атомное ядро будет стабильным. Если они не соблюдаются, такой атом рано или поздно претерпевает самопроизвольный распад (это явление называется радиоактивностью). Кроме того, все химические элементы более чем с 82 протонами в ядре (тяжелее свинца) в принципе нестабильны, но иногда вероятность распада чрезвычайно мал
Выше, на картинке пример цепной реакции U-235. Когда в уран-235 попадает нейтрон, он превращается в уран-236 в возбужденном состоянии и с вероятностью 82 процента делится, как правило, на пару осколков с массовыми числами 95±15 и 135±15, соответственно. На иллюстрации показаны барий-144 и криптон-89. Тройные или четверные деления происходят реже. В 18 процентах случаев энергии нейтрона оказывается недостаточно для деления атома урана-236, и тот переходит в менее возбужденное состояние испуская гамма-квант (фотон). Помимо осколков деления, реакция порождает два или три свободных нейтрона, которые могут встретить на своем пути другие атомы, желательно — урана-235. Тогда процесс повторится, и получится ядерная цепная реакция. Одна из главных задач конструкции реактора — поддерживать такую конфигурацию активной зоны, чтобы высвобожденные во время деления топлива нейтроны не улетучивались, а продолжали делить новые атомы топлива, но при этом процесс происходил с контролируемой скоростью
Причину распада можно представить как избыток энергии, который атомное ядро получило при образовании и не может удержать в себе из-за того, что его структура не позволяет это сделать. Эта энергия уносится в виде продуктов распада, среди которых важно выделить:
Распад, продукты которого тяжелее альфа-частицы и сопровождающийся высвобождением отдельных нейтронов, называется делением ядра. Его можно спровоцировать, «выстрелив» в атом свободным нейтроном и передав ему тем самым дополнительную энергию. Цепная ядерная реакция возникает, когда высвободившиеся в результате деления нейтроны встречают на своем пути новые, готовые к делению, атомы — и тогда процесс многократно повторяется (так один покатившийся камешек срывает в итоге со склона целую лавину).
Что происходит в реакторе
Начнем с самого сердца реактора — таблеток ядерного топлива (спрессованный порошок диоксида урана, обогащенного по изотопу 235U). Именно в них происходит цепная реакция деления, именно они служат первоисточником тепла в атомных электростанциях (АЭС).
Когда тяжелый атом делится, его осколки разлетаются в стороны и сталкиваются с другими атомами, которые встретились им на пути.
Это кинетическое взаимодействие уносит большую часть высвободившейся в результате деления энергии. А поскольку тепло — сумма кинетических энергий всех частиц системы, то так таблетки ядерного топлива и нагреваются.
Причем нагрев этот может быть очень быстрым. А значит, само ядерное топливо, из которого изготавливаются таблетки, должно иметь высокую температуру плавления. Иначе они потеряют свою целостность еще до того, как успеют передать тепло теплоносителю.
Еще одно важнейшее следствие деления — структура таблеток постоянно претерпевает изменения. Ведь внутри них вместо тяжелых атомов появляются более легкие — их больше, и они, разумеется, занимают больший объем. В редких случаях (с вероятностью 0,3 процента) тяжелый атом делится на три легких, один из которых — атом гелия, а еще два — «обычные» осколки деления с массовым числами около 95 и 135. Еще реже происходит четверное деление, в котором вместе с крупными осколками, как правило, образуется два атома гелия.
Помимо крупных осколков, которые почти сразу становятся дочерними атомами, позаимствовав электроны от материнского, в реакции деления образуются и другие продукты. Во-первых — фотоны высоких энергий, рентгеновское и гамма-излучение. При взаимодействии с электронным облаком встретившегося им на пути атома они передают ему свою энергию. Возбужденный таким образом электрон переходит на более высокий энергетический уровень или вовсе становится свободным. А тот атом, которому он принадлежал, становится положительным ионом — ионизируется. Со всеми вытекающими последствиями: он теперь стремится вступить в химические реакции. Гамма-кванты способны пройти большой путь и выйти далеко за пределы топливных таблеток.
Наконец, ключевой для цепной реакции продукт деления тяжелых ядер — нейтроны. У них есть масса, но нет заряда, поэтому они легко «проскальзывают» между электронными облаками и ядрами соседних атомов. Следовательно, способны пройти большой путь, пусть и меньший, чем гамма-кванты.
Но если они встречаются с ядрами, то практически наверняка взаимодействуют с ними. Видов этого взаимодействия три: упругое рассеяние, неупругое рассеяние и захват. Вероятность каждого из них рассчитывается отдельно и называется сечением взаимодействия (ядерное эффективное сечение). У разных материалов разное эффективное сечение для разных энергий нейтронов и разных видов взаимодействия.
При упругом рассеянии и нейтрон, и атомное ядро, с которым он взаимодействует, сохраняют свое внутреннее состояние, но атом может увеличить свою кинетическую энергию (то есть происходит нагрев материи), а нейтрон — изменить направление движения. Правильно подобрав сечение взаимодействия материала для упругого рассеяния нейтронов нужных энергий, можно создать эффективный отражатель нейтронов этих энергий. В таком материале нейтрон с достаточно большой вероятностью будет направлен примерно туда же, откуда прилетел. Это свойство полезно в реакторах для снижения критической массы топливной таблетки.
При неупругом рассеянии нейтрон передает значительную часть своей энергии атомному ядру, с которым взаимодействует. Результатом может стать распад ядра-мишени либо увеличение его энергии — возбуждение.
В последнем случае атом изменит свое положение в пространстве, будто бы отскочит, и может отдать часть энергии в виде фотона. Иногда количество энергии столь велико, что получится высокоэнергетический фотон — так возникает гамма- или рентгеновское излучение от облученных нейтронным потоком материалов (наведенная радиоактивность). «Отскок» атома в материалах с кристаллической решеткой, — например, в металлах — приводит к нарушению ее структуры. Такие материалы теряют прочностные свойства (на сжатие, на разрыв, трещиностойкость, упругость), в них появляются микроскопические полости, они могут даже деформироваться (распухать).
Если взять материал, в котором нейтроны нужных энергий почти не смогут вызывать деление (об этом — ниже), а будут лишь отдавать часть своей энергии, получится замедлитель нейтронов. На выходе из такого материала мы получим нейтроны меньших энергий, чем на входе, при сопоставимом общем количестве частиц. Это полезно, когда делящийся материал производит нейтроны высоких энергий, но имеет высокое эффективное сечение деления для нейтронов более низких энергий.
Выше, на картинке полуфабрикаты таблеток ядерного топлива. Перед тем, как из них соберут тепловыделяющие элементы, таблетки обработают специальным покрытием. Его состав зависит от типа реактора и применяемых технологий. Сама таблетка на фото — спеченный диоксид урана, возможно, с небольшим добавлением связующего, модифицирующего химические свойства топлива. В начале кампании реактора, сразу после загрузки топлива, таблетки состоят практически полностью из диоксида урана, в котором около 96 процентов урана-238 и всего примерно четыре процента урана-235 (степень обогащения по этому изотопу зависит от типа реактора). К концу кампании, когда топливо пора менять, картина иная: урана-238 по-прежнему большая часть, но три процента — продукты деления урана-235 и плутония-239, один процент — плутоний-239 и -240, 0,4 процента — уран-236. Среди продуктов деления — порядка трех десятков химических элементов, часть из которых газы. После двух лет работы в реакторе таблетка может заметно деформироваться и распухнуть
Комментарии