Радиоактивны ли метеориты?

Структура металла говорит об уникальности происхождения. Её невозможно получить на земле. Такая структура появляется только при медленном остывании металла в течении миллионов лет.

Он должен был хотя бы раз оторваться от поверхности Красной планеты, а в итоге сделал это 72 раза. Рассчитанный всего на месяц работы, марсианский вертолет прослужил почти три года. Технологический демонстратор, предназначенный для простой проверки концепции, он сделал гораздо больше. Малыш Ingenuity отправляется в отставку, а мы взглянем, как дрон из совсем не предназначенных для космоса компонентов произвел в космонавтике революцию.

К хорошему быстро привыкаешь. Если поначалу за новостями о ходе миссии Ingenuity следил едва ли не весь мир, то на второй год блог марсианского вертолета регулярно проверяли лишь самые преданные фанаты космонавтики. Мысль о том, что он в любой момент может выйти из строя забылась. Летает себе и летает, иногда случаются какие-то неполадки, но ведь с кем не бывает, правда? Ни одной миссии без проблем не бывало. Но физику не обманешь, рано или поздно что-то обязано сломаться.

Тревожные новости пришли 19 января, когда в отчете о полете под номером 72 появилась строчка «связь между марсоходом и вертолетом прервалась до посадки последнего». Через пару дней до Ingenuity удалось «дозвониться» и получить телеметрию, а также снимки с его камер. Финиш. Дальнейшая эксплуатация невозможна — одна из лопастей стала меньше на четверть. Тот факт, что вертолет стоит на своих ножках вертикально, можно сказать, уже чудо.

Что именно произошло в 72-м полете, пока не до конца ясно. Вертолет должен был просто подтвердить свою работоспособность и осмотреться. Предыдущий полет 6 января завершился экстренной посадкой из-за срабатывания защитной программы, поэтому команда миссии не знала точное местонахождение Ingenuity. В свой 72-й полет он поднялся на 12 метров, провисел четыре с половиной секунды и начал снижаться со скоростью метр в секунду. Но на последнем метре связь прервалась, а когда с вертолетом снова установили контакт, его лопасть уже была сломана.

По основной версии, виной всему недостаток данных для системы визуальной ориентации. Во время полета Ingenuity «понимает», где он находится, анализируя снимки марсианской поверхности под ним. Если детали смещаются — значит, он летит. Если остаются на месте — он завис в воздухе. Но когда поверхность монотонная, без единого камушка, система может дать сбой. Это пока что основная гипотеза, которую сообщил Ховард Грип (Håvard Fjær Grip), «почетный пилот» марсианского вертолета на брифинге 25 января. Ее подтверждает тот факт, что при детальном изучении снимков с навигационной камеры повреждения обнаружились и на еще одной лопасти.

Команде миссии не до конца понятно, что именно случилось первым: обрыв связи каким-то образом повлиял на поведение Ingenuity или связь оборвалась из-за того, что вертолет потерял ориентацию в пространстве. Еще один вероятный вариант — банальный износ деталей. Диагностические изображения после 71-го полета показали деформацию лопастей. Возможно, углеродное волокно со временем потеряло прочность, изогнулось или треснуло, что и привело к нестабильному поведению во время полета.

Превзошел все ожидания

До того как перейти к наследию Ingenuity, тому революционному сдвигу парадигмы в освоении космоса, который вызывал успех марсианского вертолета, отдадим должное его рекордам. Первоначальный план подразумевал как минимум один полет и максимум пять полетов в течение 30 солов (марсианских дней). На большее никто не рассчитывал, основная задача Ingenuity — подтвердить саму возможность управляемого механизированного полета в марсианской атмосфере.

Но он взлетел. Да, не с первого раза, были неполадки с программным обеспечением. А затем еще раз. И еще. Полный успех миссии Ingenuity объявили после третьего полета. И возникла забавная ситуация: вертолет полностью исправен, функционирует лучше ожидаемого, но его пора бросать. Дело в том, что началась основная миссия марсохода Perseverance, он больше не мог стоять на месте и наблюдать за своим «младшим товарищем», попутно ретранслируя сигналы на Землю.

Тогда команда Ingenuity в Лаборатории реактивного движения (NASA JPL) предложила то, о чем во время разработки марсианского вертолета можно было только мечтать. А что если он будет помогать марсоходу, работать разведчиком? Процедуры взаимодействия двух роботов немного пересмотрели, и понеслась. Следующие два с половиной года Ingenuity служил дополнительными «глазами» для своего товарища Perseverance. Он осматривал местность впереди по запланированному маршруту марсохода и делал снимки геологических формаций, до которых тот не мог доехать.

Вместо пяти полетов он совершил 72. Вместо пары минут он провел в марсианском воздухе почти 129 (два часа, восемь минут 55 секунд). Общая дальность полета достигла 17 242 метров. Высота — 24 метров, при плановых 12. И все это смог сделать аппарат, в котором большая часть компонентов никогда не предназначалась для работы в условиях открытого космоса или другой планеты.

Наследие Ingenuity

Начать стоит с того, что марсианский вертолет не должен был случиться. Значительную часть всего времени проработки проекта Mars 2020 (миссия ровера Perseverance) идея добавить к марсоходу технологический демонстратор инопланетного вертолета встречала мощную оппозицию. Руководство Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства США (NASA), многие именитые инженеры и ученые — крупнейшие персоналии в американской космонавтике были против.

Только благодаря энтузиазму, профессионализму и умению убеждать, команда Ingenuity смогла обеспечить своему детищу место под солнцем. Для этого потребовалось буквально доказать, что вертолет никаким образом не помешает работе марсохода и не создаст для него дополнительных рисков. В основную миссию Ingenuity включили едва ли не на птичьих правах — отсюда жесткое окно длительностью 30 солов для тестирования, низкий приоритет в сеансах связи и статус демонстратора технологий.

Оттого и успех вертолета столь значим. В истории космонавтики, если хорошо покопаться, полным полно таких вот диких на первый взгляд идей, вроде «а давайте добавим основному аппарату такой прибор (модуль, сопутствующий маленький аппарат) лишь бы попробовать-проверить». И все они жестко «зарубаются» еще на стадии обсуждения концепции. Из удавшихся затей такого рода с ходу вспоминаются только аэростатные зонды, составившие компанию советским АМС «Вега», которые исследовали атмосферу Венеры. Что характерно — тоже летательные аппараты, только не управляемые и не механизированные.

Сформулируем главные тезисы, подтвержденные на практике без малого тремя годами работы Ingenuity.

• В атмосфере Марсе можно летать.
• Аппарат, собранный из компонентов, не прошедших сертификацию для аэрокосмического использования, может успешно работать на другой планете.
• Имеющий низкий организационный и научный приоритет, дешевый технологический демонстратор можно отправить в качестве компаньона основной миссии без риска для нее, а в случае успеха он еще и приумножит ее результаты.

В теории эти пункты не вызывают сомнения, тем более что частично или полностью они уже были проверены. По крайней мере, по отдельности. Фурор Ingenuity заключается в том, что марсианский вертолет «собрал бинго», которое теперь можно использовать в качестве аргумента при планировании следующих миссий. Эффект уже заметен: для сбора образцов грунта к точке отправки с Марса (Mars Sample Return) будут использоваться два вертолета. А на борту аппарата Psyche, отправившегося к одноименному астероиду в прошлом декабре, находится инструмент Deep Space Optical Communications (DSOC) — такой же технологический демонстратор, как и Ingenuity. Только для передачи данных с помощью лазерного луча.

Отдельная история — проекты вроде Dragonfly, мультироторного летающего робота для исследования Титана, спутника Сатурна. Эта миссия разрабатывается с начала 2000-х и успела как минимум дважды поменять свой облик. Успех Ingenuity если не повлиял на эти изменения напрямую, то уж точно добавил уверенности инженерам, которые занимаются разработкой амбициозного аппарата.

Вместо заключения

Марсианский вертолет — далеко не первый проект JPL в частности и человеческой космонавтики в целом, который радикально превзошел все запланированные сроки службы и поставленные задачи. Надеемся, что он не будет последним. В сердцах всех любителей космоса, науки и технологий Ingenuity останется навсегда. Покойся с миром, маленький отважный покоритель внеземного неба.

Около 10,7 миллиона лет назад на Марсе произошло ударное событие, в результате которого фрагменты горных пород выбросило в космическое пространство, а один из осколков упал на нашу планету. Недавно, применив инновационный метод для изучения древнего метеорита под названием Лафайет, международная исследовательская группа обнаружила, что до того, как оказаться на Земле, он контактировал с жидкой водой.

Лафайет окутан тайнами: в 1931 году метеорит обнаружили в запасниках Университета Пердью (США), но больше о находке ничего не известно. Сам фрагмент, однако, хранит в себе важную информацию о прошлом Красной планеты и входит в группу так называемых нахлитов — вулканических пород, которые образовались на Марсе примерно 1,3-1,4 миллиарда лет назад и были выброшены в космическое пространство в результате удара астероида (около 10,7 миллиона лет назад).

Метеориты, непосредственно связанные с Марсом, встречаются редко и позволяют ученым больше узнать о прошлом и геологии соседней планеты. Факт, что этот фрагмент марсианских пород когда-то контактировал с водой, давно известен, однако точный временной промежуток удалось установить только сейчас. Напомним, метеориты марисианского происхождения определяют по соотношению изотопов, уникальному для каждой планеты Солнечной системы (за исключением Земли и Луны, поскольку последняя формировалась из земного материала).

Результаты исследования, опубликованного в журнале Geochemical Perspectives Letters, показали, что марсианские горные породы контактировали с водой около 742 миллионов лет назад (с точностью до ±15 миллионов лет). Это самая точная на сегодняшний день оценка времени, когда на поверхности Красной планеты присутствовала жидкая вода в значительных объемах.

Так как традиционные методы были недостаточно точными, команда ученых из Университета Альберты (Канада) и Университета Глазго (Великобритания) применила усовершенствованный метод 40Ar/39Ar-датирования, который измеряет соотношение изотопов аргона, позволяя определить время формирования минерала.

С его помощью ученые точно датировали иддингсит внутри Лафайета — красновато-коричневую смесь силикатов, которая возникает в результате взаимодействия горных пород с жидкой водой. Результаты показали, что жидкая вода присутствовала на марсианской поверхности около 742 миллионов лет назад. Это означает, что водная активность на Красной планете не связана с изначальным формированием горных пород или известными ударными событиями, как считалось ранее.

Авторы научной работы также предположили, что причиной присутствия жидкой воды могла быть вулканическая активность: тепло от этих геологических процессов, вероятно, растопило местную вечную мерзлоту, тем самым создав кратковременные условия для химического взаимодействия жидкой воды с горными породами.

Такие локализованные гидрологические циклы на Марсе в Амазонийский период (геологический период, характеризующийся холодными и сухими условиями, который начался около 2,9 миллиарда лет и продолжается до сих пор) происходили редко, но не были исключительными.

Таким образом, результаты исследования имеют важное значение для понимания геологической и климатической истории Марса, а также поддерживают идею, что планета все еще может быть геологически активна, так как под ее поверхностью могут существовать источники тепла, способные создавать подходящие для жидкой воды условия.

Вот, например, крошечный «Egg Rock», размером 4х5 см.

В июле 2024 года в Канаде произошло уникальное событие. Владелец дома в Маршфилде (на острове Принца Эдуарда) вернулся с собакой после прогулки и обнаружил на своей подъездной дорожке россыпь пыли. Он просмотрел видео с камеры наблюдения и увидел падение какого-то предмета.

Специалист по метеоритам Криc Хёрд из Университета Альберты подтвердил, что это был метеорит. Примечательно, что объект упал со скоростью около 200 км/ч и полностью разрушился при ударе.

По словам эксперта, метеорит, вероятно, происходил из пояса астероидов и уже был значительно разрушен столкновениями с другими небесными телами. Он упал недалеко от того места, на котором стоял хозяин дома, и если бы он вышел на прогулку чуть позже, это могло бы закончиться трагедией.

Множество ударных кратеров, разбросанных по поверхности Земли, служат напоминанием о прошлых катаклизмах. Одно из самых известных столкновений Земли с околоземным объектом в недавней истории — падение Тунгусского метеорита.

Рано утром 30 июня 1908 года объект, который, по оценкам ученых, был размером от 50 до 100 метров в поперечнике, ворвался в атмосферу Земли, создав яркий огненный шар, который взорвался над отдаленной частью Сибири.

Взрыв, воздушный удар, вероятно, произошел примерно в 6-10 километрах над поверхностью современного Эвенкийского района Красноярского края, испарив большую часть приближающегося болида, повалил и сжег деревья на сотни квадратных километров.

Более века спустя, в начале июля 2024 года, спутник Landsat 8 сделал снимок части территории, пострадавшей от взрыва. На изображении нет видимых признаков удара или повреждений — только сосновые леса, болота и реки. Метки показывают приблизительный эпицентр повреждений на основе полевых исследований и одну из возможных траекторий болида.

Ученые утверждают, что огромный метеорит, упавший на Землю, содержит два минерала, которые никогда ранее не встречались на нашей планете.

Канадские исследователи заявили, что камень был найден в сельской местности Сомали два года назад, но местные жители считают, что он намного старше.

Они называют этот камень Сумраком и говорят, что о нем рассказывается в стихах, песнях и танцах пяти поколений. Сегодня он используется для заточки ножей.

Официальные названия новых минералов - элалиит (elaliite) и элькинстантонит(elkinstantonite).

Они были идентифицированы учеными из Университета Альберты, которые изучили 70-граммовый фрагмент 15-тонного метеорита, который, как говорят, является девятым по величине из тех, что достигли нашей планеты, и примерно на 90% состоит из железа и никеля.

Название "элалиит" связано с тем фактом, что метеорит был обнаружен в районе Эль-Али в Сомали, а "элькинстантонит" назван в честь эксперта НАСА Линди Элкинс-Тантон.

"Линди проделала большую работу по изучению того, как формируются ядра планет, как образуются эти железоникелевые ядра, и ближайшим аналогом, который у нас есть, являются железные метеориты. Поэтому было разумно назвать минерал в ее честь и признать ее вклад в науку", - сказал профессор Крис Херд, куратор коллекции метеоритов Университета Альберты.

Третий, пока еще не идентифицированный минерал, анализируется исследователями университета, которые теперь надеются заполучить в свои руки больше фрагментов метеорита - не только для того, чтобы посмотреть, что еще они могут обнаружить, но и как его можно использовать на Земле.

"Всякий раз, когда появляется новый известный материал, ученые-материаловеды также проявляют интерес к нему из-за потенциального использования в самых разных сферах жизни общества", - сказал профессор Херд об этом  исследовании.

Были идентифицированы два минерала:

Элалиит - Fe9PO12 (или Fe2+8Fe3+(PO4)O8) был впервые синтезирован в лаборатории в 1980-х годах, а затем идентифицирован в природном материале в 2022 году, когда было дано официальное обозначение минерала.

Элькинстантонит - Fe4(PO4)2O был впервые получен в лаборатории в 1982 году и впервые идентифицирован в природном происхождении в 2022 году, когда также было присвоено официальное обозначение минерала.

Всем привет!

Долго думал о чем сделать свой первый пост и, в итоге, придумал. Расскажу об одном своем увлечении, о стрельбе из лука. Постов на эту тему на ресурсе еще не было, тема глубокая и интересная, поговорить есть о чем.

Сам я имею 1-ый разряд по стрельбе из лука, занимаюсь стрельбой 4 года, из них 1,5 года работал инструктором по стрельбе из лука и метанию ножей в местном клубе. Стрелял из разных луков: начинал с традиционного (близкого к историческим образцам), затем перешел на современный спортивный лук без обвеса (т.е. без прицела, стабилизаторов и прочих приблуд), далее на классический (олимпийский), а затем на блочный лук. За 4 года я слышал из уст посетителей и знакомых немало забавных стереотипов про стрельбу из лука. Думаю, будет небезынтересно их развеять. Разговор буду вести в контексте спортивной стрельбы, так что можно меня не спрашивать как ходить с луком на кабана или с каким кафтаном сочетается «венгерский» лук :) Итак, первый миф.

МИФ 1. СТРЕЛЯТЬ ИЗ ЛУКА ПРОСТО

Ну да, вроде бы не сложно: берешь стрелу, накладываешь на тетиву, натягиваешь лук и стреляешь. Но давайте попробуем разобраться. Обратимся для этого к нашим друзьям, Математике и Физике.

Фактор 1. Лук стреляет не сам, из него стреляет лучник, используя силу своих мышц

— В чем сила, брат?
— В ньютонах!

Да, но не в стрельбе из лука. Интерес к стрельбе из лука возродили англичане в конце XVIII века, и с тех пор сила натяжения лука измеряется в английский фунтах. 1 фунт равен 0,45359237 килограмма (и здесь проклятые чужеземцы русскому человеку жизнь портят!). Сила натяжения соревновательного лука 30 – 40 фунтов, т.е. 13,6 – 18,1 кг. Таким образом, натягивая лук перед выстрелом, лучник поднимает 16-килограммовую гирю. В течение соревнования спортсмен может сделать 100 и более выстрелов, можно сказать, перетаскивает полторы тонны груза :) К счастью, все не так страшно, необязательно сразу брать в руки тугой лук, начинают, как правило, с силы натяжения в 18 фунтов (8,2 кг).

Может возникнуть резонный вопрос, зачем же вообще переходить на более тугой лук? Слабый лук не сможет придать стреле хорошую начальную скорость, вследствие чего траектория у нее будет очень крутая, поэтому во время прицеливания придется делать очень большую поправку по высоте. Кроме того, медленная стрела летит долго, поэтому за время полета будет сильнее отклоняться из-за внешних факторов среды.

Посмотрим как это будет выглядеть на графике. Значения начальной скорости стрелы в зависимости от силы натяжения лука я взял с форума ArcheryTalk. У 40-фунтового лука около 70 м/с, у 18-фунтового – около 50 м/с (пиндосы меряют скорость в футах в секунду, можно встретить обозначение «fps» – feet per second). Немного доработал готовый скрипт и получил такой график:

Для стрельбы на дистанцию 70 м (классическая олимпийская дистанция) угол для 18-фунтового лука будет в 2 раза больше, чем у 40-фунтового, 8° против 4°. График не учитывает сопротивление воздуха. В реальной жизни это выглядит так:

Характеристики лука, из которого стреляет спортсменка, неизвестны. С одной стороны, натяжение наверняка меньше 40 фунтов, а с другой топовое снаряжение обеспечивает более высокую начальную скорость. Допустим, как и в теоретическом расчете, скорость стрелы близка к 70 м/с. Тогда при уменьшении скорости до 50 м/с, угол нужно будет увеличить в 2 раза:

В этом случае линию прицеливания (фиолетовая на рисунке) уже может перекрыть рука, удерживающая лук, а стрела гарантированно перекроет. Не говоря уже про большее время полета стрелы и, как следствие, больший снос стрелы ветром. Так что про физуху забывать не следует ;)

Фактор 2. Даже небольшое изменение положения тела стрелка приведет к значительному изменению точки попадания

Из лука стреляет живой человек. Тело человека перед, во время и после выстрела находится в определенном положении. Положение это задается с помощью жестких костей, которые удерживаются гибкими мышцами и нерастяжимыми сухожилиями. Для точного выстрела необходимо «собрать» из всего этого максимально стабильную систему, чтобы отклонения были минимальные. Давайте посмотрим как даже небольшие отклонения в двух точках, точке прикладки (A) и точке удержания лука (B), скажутся на точности стрельбы:

На следующем рисунке L – длина стрелы, S – дистанция до мишени, Δ – смещение точки прикладки или «лучной» руки стрелка, X1 и X2 – смещения точек попадания:

tg α = X1 / S

Также tg α = Δ / L

Таким образом, X1 = Δ * S / L

Во втором случае tg α = X2 / (S + L)

Т.е. X2 = Δ * (S + L) / L

Длина стрелы (точнее, это величина «вытяга», т.к. сама стрела может быть длиннее) L и дистанция стрельбы S известны, можно посчитать смещение точки попадания при смещении точки прикладки или руки, удерживающей лук. Допустим, стрела имеет длину 68 см, дистанция до цели 18 м (стандартная дистанция для стрельбы в закрытых помещениях), а Δ составила 1 мм:

X1 = 0,001 * 18 / 0,68 = 0,026 м

X2 = 0,001 * (18 + 0,68) / 0,68 = 0,027 м

2,7 см. Вроде немного :) Посмотрим, как это будет выглядеть на мишени. На картинке для примера мишень для стрельбы из лука с прицелом (для луков без прицела мишень крупнее) на дистанцию 18 метров. Ее внешний диаметр 20 см. Размер «десятки» для классического лука 4 см, для блочного — 2 см (рублевая монетка):

Уже «девятка». Кстати такое смещение соответствует 5 угловым минутам (0° 5’ 3").

А если смещение на рубеже стрельбы составит 1 см? Тогда отрыв точки попадания будет 27 см, т.е. мимо мишени :)

Можно еще попробовать прикинуть отклонение при недотяге/перетяге тетивы, но там цифры будут ооочень приблизительные, т.к. зависимость скорости стрелы от натяжения будет нелинейная. Мне попадалась информация что недотяг в 1 дюйм приведет к падению скорости на 10 футов/с. На наши деньги: недотяг в 1 см приведет к падению скорости на 1,2 м/с. Можно и это попробовать перенести на мишень, но получится уж больно заморочено (придется учитывать угол вхождения стрелы, а он будет разный для разных скоростей).

Фактор 3. Повторяемость выстрелов

Меткость это не одно единственное попадание в центр мишени (что может быть случайностью), а сумма множества выстрелов. Во время квалификации на соревнованиях делается 60 выстрелов (10 серий по 3 выстрела, затем еще 10 по 3), так что важна повторяемость техники выстрела. Собственно, техника даже не обязательно должна быть правильной, главное, чтобы она была одинаковой от выстрела к выстрелу! А так возвращаемся ко второму пункту: отклонение в 1 мм на рубеже приводят к отклонению в 2,7 см на мишени. В ситуации, когда дистанция до мишени неизвестна и появляются факторы внешней среды, добавляется еще и умение стрелка оценивать дистанцию и влияние дополнительных факторов.

Заключение

В общем, стрельба из лука — дело не такое уж простое, как кажется на первый взгляд. Для первого раза получилось излишне математично, но мне и самому было интересно посмотреть на результаты расчетов. В следующий раз расскажу про другие мифы :) Пишите свои вопросы в комментариях!

Часть 1

Часть 2

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.

Отсюда

Часть 1

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:

• для активной зоны и окружающих ее конструкций — нейтронный поток и гамма-излучение, хотя второе в нормальных условиях имеет недостаточную интенсивность, чтобы значительно повредить материалы, и опасно только для людей;
• для активной зоны и ее компонентов (например, выгородки реактора и каналов теплоносителя) — высокие температура и давление, нейтронный поток, наведенная радиоактивность и гамма-излучение в небольшой степени;
• для тепловыделяющих сборок — высокие температура и давление, нейтронный поток, наведенная радиоактивность и гамма-излучение;
• для топливных таблеток — сразу все, включая все виды ионизирующего излучения и особенно высокую температуру (некоторые типы топлива обладают плохой теплопроводностью и склонны к локальному перегреву).

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.

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:

• альфа-частицы, ядра атомов гелия (два протона с парой нейтронов);
• бета-частицы, электроны высоких энергий;
• гамма-частицы, фотоны высоких энергий;
• свободные нейтроны;
• а также фрагменты материнского ядра с заимствованными у него электронами — дочерние химические элементы (осколки деления).

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

Анализ более 800 галактических систем из обзора Sloan выявил чрезмерно большое количество галактик-спутников, движение которых коррелирует друг с другом. По мнению ученых, это признак того, что массивные группы галактик появились позже, чем предсказывает стандартная космологическая модель. Значит, и Вселенная моложе, чем мы думаем.

В стандартной космологической модели (ΛCDM) галактические системы растут постепенно за счет присоединения более мелких объектов. Сперва эти объекты становятся спутниками, но рано или поздно сливаются с основной галактикой. Так, недавно ученые поняли, что Малое Магелланово Облако, галактика — спутник Млечного Пути, состоит из двух отдельных структур, вероятно, остатков бывших галактик. А еще ранее в центре Млечного Пути обнаружили звезду, которая, видимо, сформировалась в какой-то карликовой галактике, после чего мигрировала к нам.

Именно поэтому астрономы изучают движение галактик — спутников ближайших к нам крупных галактик. И оказывается, что многие из них вращаются в одной плоскости, которая к тому же часто совпадает с плоскостью центральной галактики. Ученые объясняют это через «присоединение» спутников вдоль нитей космической паутины и другие взаимодействия объектов как друг с другом, так и с более масштабными структурами Вселенной. Тем не менее данные наблюдений расходятся с расчетами.

Расхождение в расчетах и наблюдениях в прошлых исследованиях можно объяснить малой выборкой галактик, отчего ранее ученые признали результаты неоднозначными. Поэтому авторы нового исследования провели статистический анализ подходящих галактик из Слоановского цифрового небесного обзора. Работа опубликована в журнале Nature Astronomy.

В качестве «центральных» ученые отобрали галактики с массой от 1011 до 1011.5 солнечной массы, затем, следуя принятым параметрам для выявления галактик-спутников, они отыскали в окрестностях крупных галактик чуть менее яркие объекты. В результате получилось 813 галактических систем как минимум с двумя различимыми галактиками-спутниками.

Среди спутников ученые искали пары — галактики, которые находятся на противоположных сторонах от центрального объекта. Затем по смещению скорости вдоль луча зрения относительно центральной галактики они разделили эти пары на коррелирующие и некоррелирующие. Оказалось, коррелирующих — тех, которые летают вокруг центральной галактики в противоположных направлениях — гораздо больше.

По словам одного из авторов профессора Гуй Ци (Gui Qi), чрезмерное количество коррелирующих пар говорит о том, что эти галактики-спутники присоединились недавно. В компьютерных моделях тоже есть такая тенденция: коррелирующих получается больше, но не настолько.

Данные наблюдений, по расчетам авторов исследования, расходятся с моделями Millenium и Illustris TNG300 на 4,1 и 3,6 сигмы, то есть стандартного отклонения. Это меньше «золотых» пяти сигм, равных 99,9999 процента вероятности, но все равно расхождение получается заметным. Значит, вероятно, массивные группы галактик образовались позже, чем предсказывает стандартная космологическая модель.

«Возраст массивных галактических групп тесно связан с возрастом Вселенной, поэтому полученные результаты указывают на то, что Вселенная моложе, чем показывают расчеты по фоновому микроволновому излучению, проведенные Planck Collaboration», — объяснил выводы главный автор исследования Гу Цин (Gu Qing).

Однако у наблюдений китайских астрономов могут быть и другие объяснения. Ранее Naked Science писал, что галактик-спутников у крупных галактик наблюдается в десятки раз меньше, чем должно быть по стандартной космологической модели. Недавняя научная работа на примере Млечного Пути показала, что причина этого — в быстром разрушении галактик-спутников. С ее учетом вопрос об «омоложении» Вселенной не следует и из новой работы китайских исследователей.

Тем не менее это обостряет другую проблему: быстрое разрушение галактик-спутников означает, что у них по каким-то причинам нет темной материи, иначе она стабилизировала бы их и не дала разрушаться. Стандартная космологическая модель не допускает массового существования галактик без темной материи — впрочем, как мы отмечали, последние открытия ставят эту модель под серьезное сомнение.

Доброго времени суток дорогим радиофобам, уважаемым радиофилам, респектабельным капибарам и прекрасным капибарыням. Пришло время поговорить о любимой ягоде радиофила - чернике. Радиофилы ценят ее не только за вкус и витамины, но и за уникальную способность аккумулировать из окружающей среды цезий, в том числе его радиоактивный изотоп Cs-137.

Изотоп этот в количестве немалом был выброшен во время чернобыльской аварии. Безусловно большая его часть осела на севере Украины, юге Беларуси и в Брянской области, однако какая-то часть полетела значительно дальше. Исчезающе малые количества Cs-137 разметаны по всей планете, за десятилетия прошедшие с момента аварии количество этого цезия сократилось втрое за счет его радиоактивного распада, тем не менее даже эти мизерные крошки можно обнаружить благодаря чернике.

Если в грунте присутствуют единицы Бк/кг (распадов в секунду) Cs-137 обнаружить его напрямую будет крайне трудно, однако черника растущая на таком грунте сконцентрирует в своих плодах уже сотни Бк/кг, а в сушеных плодах будут уже тысячи Бк/кг. Это все еще очень мало и не каждый прибор сможет зафиксировать наличие Cs-137. Для этого потребуется гамма-спектрометр, в качестве которого у меня будет выступать Atom Spectra Nano 3. Черника для измерения была куплена в виде сушеного порошка с маркетплейса.

Обратите внимание черника не из Брянска, и даже не из Тулы. Производитель заявляет, что она выращена в Петрозаводске (Карелия), что более чем в 1000 км от Чернобыля. Так как речь о весьма малых активностях измерение заняло сутки, еще сутки прежде набирался фоновый спектр. И что же мы видим?

На фоне присутствуют линии ДПР урана, причина в том, что измерения проводились без «свинцового домика» (об этом как-нибудь в другой раз) и естественный радиоактивный фон внес свой вклад. Однако над фоном отчетливо возвышается пик на 662кЭв. Что же это?

Здесь из результата измерения вычтен фон, пик определен как принадлежащий Cs-137. Становится ясно как важно использовать фоновый спектр, две трети импульсов в этой области приходятся на фон. Всего за сутки детектор зафиксировал 1.4 млн. импульсов и только 5 тыс. из них или 0.35% пришлось на Cs-137 . Таким образом при попытке использовать вместо гамма-спектрометра радиометр (дозиметр) его точность должна быть не менее 0.35%, хотя даже у лучших приборов она едва ли достигает 5%. По этой причине совершенно бесполезно пытаться «измерить радиацию» в продуктах питания дозиметром, даже если его производитель врет об этом в инструкции – это бесполезно, не хватит точности.

Для определения содержания радионуклида в пробе кроме гамма-спектрометра нужен сосуд Маринелли и свинцовый домик, этого у меня (пока что) нет, тем не менее я могу примерно оценить активность моего образца сушеной черники в 2кБк/кг, что около верхней границы допустимого исходя из гигиенического норматива составляющего 160 Бк/кг для диких ягод.

Cs-137 является удобным изотопом дающим только одну, относительно узкую линию в средней части спектра. По этой причине он часто используется для калибровки гамма-спектрометров. Черника же является отличной формой Cs-137, ведь ее легко купить, и она абсолютно легальна. Это делает чернику настоящей ядерной ягодой, на радость, радиофилам и на погибель радиофобам.

Ну а на этом я с вами прощаюсь, лучей добра вам, позитива и денежных средств.

Привет, капибаре!

Меня зовут Lazolvo, мне 26 лет и я уже почти 9 лет варюсь в науке. Мое призвание - химик-исследователь (на деле, органик-грязевар, но это же не так пафосно звучит). На данный момент я являюсь младшим научным сотрудником одного из университетов нашей необъятной, а совсем скоро (где-то через год, если я не облажаюсь) я получу учёную степень и буду кандидатом химических наук. Это вам не хрен моржовый и не вредный х... кхем, не важно.

Химек собственной персоной с максимально пафосной рожей)

Чем же я занимаюсь на своей работе? В основном, варю и плачу, плачу и варю. Варю, потому что надо сварить, т.е. синтезировать объекты исследования, а плачу потому, что очень часто эти самые объекты исследования исследоваться не хотят и по той или иной причине дохнут, быстро и безболезненно, либо же имеют очень маленькие выходы (т.е. очень мало соединения получается), или же свойства их "плохие", т.е. трудные для описания ввиду тех или иных особенностей (естественно, плохие они только условно)

А зачем оно все нужно? Ну во-первых, потому что это круто! Я всегда знаю что-то такое, чего не знает вообще никто в мире, кроме меня, например. Каждый день в лабе я делаю какое-то новое открытие. Оно, конечно, не формата исследований нобелевских лауреатов, но открытие же! А во-вторых, любое хорошее исследование (за некоторыми исключениями) должно иметь прицел на какую-либо практическую ценность. Конкретно то направление, которым занимаюсь я (естественно, с моим научным руководителем и с моими студентами, но их здесь пока нет с:), направлено на создание соединений, которые будут избирательно уничтожать раковые клетки под действием света. И только раковые! Здоровые клетки убивать совсем ни к чему. Между прочим, очень удобная штука получается.

Работает оно примерно так. В человеческую тушку закачивают соединение. Оно циркулирует по тушке и накапливается в различных клетках, не только в раковых. Но, поскольку среда внутри раковых и здоровых клеток отличаются по своим физико-химическим свойствам, можно сделать так, чтобы соединение переключало свои свойства в зависимости от внешних условий. В раковых клетках оно "активно", в здоровых - нет. И вот когда на тушку попадет свет определенной длины волны - цвета, короче - в раковых клетках произойдет лютый ахтунг, выделятся активные формы кислорода и все сгорит к чертям собачьим. А в здоровых в это время... ничего не произойдёт. Примерно так работает фотодинамическая терапия раковых заболеваний. И никаких тебе разрезов, кровькишкираспи... В общем, очень мягкий метод, для которого мы и пытаемся создать новые соединения, которые прекрасно справлялись бы с этой задачей!

А вот примерно так выглядит раствор одного из очень интересных в этом контексте соединений

Или вот так) Кто знает, как они себя в организме поведут

Я немножко уже в сторону ухожу от сути поста, ведь этот пост, по своей сути, знакомство и предложение.

Я планирую сделать серию постов про то, каково быть исследователем и конкретно химиком-исследователем, попробую себя в научпоп формате. Соответственно, предлагаю вам написать в комментарии свои пожелания по тематике постов и я постараюсь их учесть. Это могут быть просто пожелания, могут быть вопросы, может быть что угодно. Пишите в комменты, подискутируем)

Облучение ионизирующим излучением повышает риск возникновения онкологических заболеваний, тем не менее у работников ядерной отрасли смертность от онкологии на порядок ниже средней по стране. Причина этого в том что за облучением ядерщиков тщательно следят, проводят регулярные профосмотры. Однако работники другой профессии получают значительно большие дозы облучения, однако это мало кого волнует так как учет дозовой нагрузки не ведется.  

Речь конечно идет о трудящихся в авиационном транспорте. Современные самолеты летают на высотах порядка 10 км где большая часть земной атмосферы оказывается не над, а под самолетом. Как следствие космическая радиация является значимым фактором.

В действительности картина значительно сложнее. Мощность дозы зависит не только от высоты, но и от широты на которой летит самолет. Магнитное поле земли перенаправляет заряженные частицы к полюсам, а значит и дозовая нагрузка там будет сильно больше. Так как основным источником этих частиц является Солнце, влияет так же и время суток.

Периодически наше Солнце устраивает приколы, вроде тех что были в мае этого (2024) года, когда полярные сияния можно было видеть по всей территории РФ и даже в более южных странах. Естественно и радиационный фон на высоте поднялся на порядки, летевшие в те дни в самолетах люди нехило так хапнули лучей добра. 

Таким образом предсказать дозовую нагрузку пассажиров и персонала самолетов трудно предсказать, потому и учет не ведется, чтоб лишний раз людей не пугать, да и толку в этом мало, повлиять на активность солнца никак не выйдет.

Однако хватит теории, перейдем к практике. Мощность дозы в самолете измерял каждый у кого есть дозиметр, делал это и я.

Radex One с классическим датчиком СБМ-20-1 выдает нехилые показания аж 350 мкР/ч, тогда как у поверхности Земли было 8. За четырехчасовой перелет накопленная доза составила 10 мкЗв. Много это или мало? Сеанс флюорографии обеспечит вас вас 30 мкЗв, а год жизни в Москве аж 1300 мкЗв. Вот и думайте))) Еще раз отмечу что это картина в одном конкретном полете, в другие дни на других рейсах доза может отличаться на несколько порядков.

Однако что это за радиация? На этот вопрос нам ответит гамма-спектрометр AtomSpectra Nano 3.

В отличии от природного радиационного фона у поверхности Земли где присутствуют линии изотопов радиоактивных рядов тория, урана, калия, в самолете всего этого нет, кроме пика Комптоновского рассеивания присутствует один единственный пик на 511кЭв, а так же длинный непрерывный шлейф в области высоких энергий.

Отсутствие урана, тория и калия понятно - они содержатся в Земной коре, а поверхность Земли в 10 км от летящего самолета, вот эти гамма кванты и не долетают. Природа линии 511 кЭв и высокоэнергитического шлейфа обусловлена механизмов взаимодействия космической радиации с высотными слоями атмосферы Земли.

От Солнца к Земле летят преимущественно высокоэнергичные протоны, магнитное поле стягивает их к полюсам где они неизбежно сталкиваются с атмосферой. Каждое такое столкновение вызывает ядерную реакцию либо возбуждение атомного ядра. Избыток энергии ядра приводит к испусканию высокоэнергетических гамма квантов, именно они обуславливают шлейф на гамма-спектре. До поверхности Земли они не долетают так как растрачивают энергию при столкновениях с атомами, подвергаясь Комптоновскому рассеиванию.

Еще один продукт этих реакция позитрон - элементарная частица являющаяся антиподом электрона. Позитрон долго не живет, как только он встретит электрон (коих всегда в избытке) он сформирует короткоживущий комплекс - позитроний, а дальше аннигилирует с электроном высвободив при этом два (крайне редко 3) гамма кванта энергия каждого из которых равна 511 кЭв, эта та самая линия с нашего графика.

Но почему образуется именно 2 кванта с одинаковыми энергиями? Почему не один? Все дело в том что во всяком процессе не может нарушаться закон сохранения импульса, если что-то улетело в одну сторону, что-то должно улететь в противоположную, потому при аннигиляции и образуется два одинаковых гамма-кванта и летят они строго в противоположные стороны. Кстати на этом основан принцип действия ПЭТ томографии, но об этом в другой раз.

Еще один интересный нюанс заключается в том что по мнению сцинцилляторного гамма-спектрометра мощность дозы в самолете составила 60  мкР/ч, что в 6 раз меньше показаний Radex One. В чем же дело? Все дело в том что сцинцилляторный гамма спектрометр видит исключительно гамма излучение, тогда как счетчик Гейгера в Radex One видит вообще все подряд что сможет ионизировать газ. В качестве таких частиц выступают электроны сованные с электронных орбиталей при протекании ядерных реакций. Такие электроны могут вызывать целые каскады ионизации в атмосфере. Участвуют в этом процессе и менее привычные частицы, такие как мезоны и мюоны. Все это разнообразия, опять же, не способно долететь до поверхности Земли так как тормозится плотной атмосферой нашей планеты, а вот в самолете "атмосферные ливни" можно измерить и даже невольно принять в них участие.

Вместо вывода хочу в очередной раз пожелать уважаемым радиофобам летать самолетами Аэрофлота. Ну а всем остальным, счастья, добра, позитива и денежных средств.