Сохраняй посты, комментируй и ставь оценки
Явление переноса вещества вдоль границы раздела двух сред, которое возникает из-за разного поверхностного натяжения и жидкость устремляется туда, где оно больше.
Чем больше у жидкости поверхностное натяжение, тем с большей силой она стягивается. Поэтому при наличии градиента поверхностного натяжения жидкость будет перемещаться в область с большим коэффициентом поверхностного натяжения.
Наиболее известное проявление эффекта Марангони — «слёзы вина», является следствием того, что этанол имеет более низкое, чем у воды, поверхностное натяжение. Если спирт смешивается с водой неоднородно, область с меньшей концентрацией алкоголя будет иметь больший коэффициент поверхностного натяжения и стягивает окружающую жидкость сильнее, чем область с более высокой концентрацией спирта. В результате такая смесь имеет тенденцию перетекать в области, где концентрация алкоголя меньше. Такой областью является мениск у стенки бокала, где испарение наиболее интенсивно.
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! :)
Рассмотрим великий и могучий стробоскопический эффект.
Эффект заключается в иллюзии неподвижности на самом деле быстро движущихся тел.
Суть эффекта понять довольно легко. Представим, что у нас есть фонарик. Не обычный фонарик, а мигающий, допустим, 100 раз в секунду. И пусть у нас есть вращающийся круг, на который нанесена белая полоска и который делает, допустим, тоже 100 оборотов в секунду. Тогда при освещении фонариком этого круга белая полоска будет казаться неподвижной.
Так происходит потому, что из-за совпадения частот полоска подсвечивается каждый раз в одном и том же положении, поэтому она как бы не движется.
И посмотрим демонстрацию эффекта вне лаборатории.
Если частота вращения лопастей вертолета совпадает с частотой кадров камеры, то при съемке на каждом кадре лопасти будут находиться в одном и том же положении, то есть, будет казаться, что они не вращаются.
Так что если вы видите неподвижный объект, то задумайтесь - быть может, он и не так уж неподвижен?..
Если нагреть металлический шарик и сунуть его в воду, то раздастся пшик и на этом все фокусы кончатся.
Однако если нагреть шарик до достаточно высокой температуры, то он мгновенно создаст вокруг себя паровую шапку, которая будет изолировать шарик от остальной жидкости. При этом и шарик охлаждается медленнее, и вода вокруг нагревается гораздо медленнее. В этом и проявляется в данном опыте эффект Лейденфроста, про который мы говорили ранее.
Я думаю, при наличии газовой горелки (баллон+горелка < 1000 р) такой эксперимент вполне можно повторить в домашних условиях и пронаблюдать паровую шапку воочию. Только осторожно!
Электролиз — физико-химический процесс, состоящий в выделении на электродах составных частей растворённых веществ или других веществ, являющихся результатом вторичных реакций на электродах, который возникает при прохождении электрического тока через раствор, либо расплав электролита.
Австрийский физик Христиан Доплер в 1842 году выдвинул и теоретически обосновал предположение о том, что частота световых и звуковых колебаний должна меняться для наблюдателя в зависимости от того, движется ли источник света либо звука от наблюдателя или к нему.
Все слылаши звук двигателя пролетающего мимо вас авто на трассе - это оно и есть. Только вот в 19м веке небыло таких чудо-скоростей, что бы органолептически или инструментально его наблюдать. Да и сам Доплер вывел его только на бумаге, как это частво в физике бывает.
Через три года метеоролог Христофор Бейс-Баллот решил проверить гипотезу Доплера. Но в то время и подходящих инструментов небыло. Это сейчас можно поставить высокоточный генератор звуковых частот с динамиком и микрофон с частотомером. А тогда пришлось задействовать тех, кто сам использует различные инструменты - музыкантов.
Человек он был не бедный, потому нанял паровоз с платформой и маленький музыкальный оркестр.
Посадил на платформу двух трубачей (двух - для того что бы один дудел, а второй воздух глотал, потом наоборот) и заставил их (не забесплатно естественно) держать ноту "соль" постоянно. Остальной оркестр разоружил и сказал им слушать эту самую "соль". Так он гонял паровоз один день с разными скоростями мимо них и после каждого проезда делал опрос. Как известно музыканты имеют почти абсолютный слух, а их количество позволяло усреднить результат.
На следующий день он поменял их местами и повторил эксперимент.
За два дня этот эксперимент полностью подтвердил гипотезу Доплера, да и повторить его было несложно, а повторяемость эксперимента независимыми (и зачастую оппонентами (ну так в науке врагов называют)) экспериментаторами достаточно легка, разве что спецом музыкантов подговорить, но такой подлог быстро вскроется.
Если хорошо подумать, то замена "микрофонов" и "динамиков" местами ещё и принцип относительности доказывает, но до Эйнштейна было ещё далеко.
Контейнер с кобальтом-60 в бассейне выдержки в НИЦ по безопасности атомных электростанций, Электрогорск, Московская область, 1997 год.
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.
Автор: Джеймс Фелтон
В течение десятилетий пациенты, проходящие лучевую терапию при лечении рака, сообщали о странном явлении: они видели вспышки света в глазах, даже когда глаза были закрыты.
В случаях, описанных в медицинской литературе, пациенты рассказывали про «луч синего света» и «видение синего неонового света», иногда сопровождаемые «белым запахом», во время облучения, длящегося доли секунды. Было выдвинуто несколько предположений того, почему это происходит, например, что в ходе терапии стимулируются пигменты сетчатки в глазах пациентов, или что внутри глазного яблока возникает черенковское излучение – тот же эффект, который заставляет ядерные реакторы под водой светиться синим цветом.
Теперь ученые впервые зафиксировали этот странный свет, предоставив фотографии в доказательство того, что это и на самом деле черенковское излучение.
Черенковское излучение – электромагнитное излучение, возникающее, когда заряженная частица проходит через вещество со скоростью, большей, чем скорость света в этой среде, создавая эффект, похожий на звуковой удар, который возникает, например, когда самолет движется быстрее скорости звука.
Ещё проще это можно объяснить так: когда свет проходит через вакуум, на его скорость ничего не влияет, но всё меняется, когда свет встречается с какой-либо средой, например, проходит через воду.
Найти черенковское излучение в человеческом глазу было нелегкой задачей.
Команда исследователей из Дартмутского колледжа и Онкологического центра Норриса Коттона при медицинском центре Дармут-Хичкок, опубликовавшая свою работу в Международном журнале радиационной онкологии, использовала технологию, названную системой формирования изображений с камеры CDose, специально разработанную для наблюдения за излучением света от биологических систем.
«Наши последние данные впечатляют, так как впервые удалось получить излучение света от глаза пациента, проходящего лучевую терапию, – отметил в своем заявлении со-руководитель исследования Ирвин Тендлер из Дартмутского колледжа. – Также это является первым доказательством того, что в глазу достаточно света, чтобы вызвать визуальное ощущение, и что этот свет напоминает черенковское излучение. Когда излучение проходит через глаз, в стекловидном теле генерируется свет. Наши данные в режиме реального времени однозначно показывают, что количества производимого света достаточно, чтобы вызывать зрительные ощущения – тема, которая обсуждалась в литературе. Анализируя спектральный состав, мы также показываем, что это излучение можно отнести к черенковскому – опять же, еще один спорный момент в литературе».
Команда надеется, что система исследований и визуализации может использоваться для улучшения лучевой терапии. Они предполагают, что мониторинг излучения света от глаз пациентов может показать медикам, достигла ли радиация поставленной цели. Объяснение этого явления может также успокоить пациентов, которые получают странное ощущение из-за вспышек света, исходящих из их собственных глаз.
Перевод: Вера Круз.
Конденсационный след/химтрейлы (нет), а так же устаревшее название инверсионный след, часто, ошибочно называемый реактивным следом — видимый в воздухе след, состоящий из сконденсированной влаги (капель или ледяных кристаллов), возникающий в атмосфере за движущимися летательными аппаратами.
Когда пришла хворь азиатская, молва по людЯм пошла, шо вот, мол, дораспылялися птицы стальные микробами своими. Покосилось население и здоровьем и разумом тронулось - и стали верить в это и те, кто до этого сам у виска крутил, когда чушь подобную слышал.
Давайте разберемся в физике вопроса. Как говорит нам любимая Вика: своё название след получил от процесса конденсации влаги, который и приводит к его появлению. Конденсация происходит только при таких условиях, когда количество водяного пара превышает то количество, которое необходимо для насыщения. То есть среда становится пересыщенной влагой до такой степени, что аж наружу лезет. Плюс еще весьма низкая температура - получается перенасыщенный и переохложденный водяной пар. Как в камере Вильсона (если интересно - о ней потом).
Откуда берется водяной пар? Самолет летает на керосине в основном - это главный компонент авиационного топлива. Шо с ним происходит с этим керосином? На самом деле пофиг на чем он летает, лишь бы это были углеводороды или просто водороды.Продукты горения этих топлив: углеводородов - это Аш два О , угарный газ, углекислый газ, углерод (сажа), а водородное топливо вообще тупо горит и "дымит" водой.
Но как из пересыщенной атмосферы за двигателями самолета образуются замерзшие капельки воды? Центры конденсации где, Лебовски??
Забыли про сажу? Вот она и является ̶в̶о̶з̶м̶у̶т̶и̶т̶е̶л̶е̶м̶ ̶с̶п̶о̶к̶о̶й̶с̶т̶в̶и̶я̶ центром, провокатором возникновения зародышей водяных капель в переохлажденном перенасыщенном паре. Они маленькие, но их много и они сила. И, кстати, следы за самолетом относятся к облакам техногенного возникновения. То есть это просто облако, с тем же составом(почти) что и грозовая туча или одинокое облачко посередине неба. Просто гораздо длиннее.
Кстати, в электролётах никаких таких следов не будет. Будут только эффект Прандтля — Глоерта, и то, если элетросамолет сможет достичь таких скоростей у земли.
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.
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
А думал ли ты, уважаемый пикабушник, что при последнем просмотре эротики, когда ты выбрал ролик с блондиночкой, ты изменил ход истории, и она пошла в совершенно другом направлении, чем если бы ты выбрал ролик с брюнеточкой?!
Его предсказали более 80 лет назад
Китайские физики напрямую зарегистрировали эффект Мигдала, который был предсказан более 80 лет назад. Для этого они просмотрели около миллиона событий от столкновений нейтронов с атомными ядрами, зарегистрированных при помощи газового пиксельного детектора. Результаты опубликованы в Nature.
Согласно современным представлениям, во Вселенной примерно в пять раз больше темной материи, чем обычного вещества. Ученые пока не знают, из чего она состоит, но многие модели предполагают, что темную материю могут образовывать еще не обнаруженные нейтральные частицы, которые крайне слабо взаимодействуют с обычными атомами. Особый интерес в последние годы вызывает легкая темная материя с массами от мегаэлектронвольт до гигаэлектронвольт. Для таких кандидатов стандартная стратегия прямого поиска работает хуже: при столкновении с ядром атома они сообщают ему слишком малую энергию, и чистую ядерную отдачу детектор может просто не заметить. Поэтому физики ищут способы получить дополнительный, более заметный сигнал, который помог бы вытянуть событие выше порога регистрации.
Один из таких механизмов — эффект Мигдала, который предложен в 1939 году Аркадием Мигдалом. Если нейтральная частица — например, частица темной материи или нейтрон — сталкивается с ядром, электронная оболочка не успевает мгновенно перестроиться. В результате часть электронов переходит в возбужденные состояния или ионизуется. Тогда вместе с ядерной отдачей появляется электронный отклик — именно он и может стать тем самым усилением. Однако для нейтрального рассеяния этот эффект долго оставался теоретическим допущением.
Группа ученых под руководством Янхэн Джэна (Yangheng Zheng) из Университета Китайской академии наук построила газовый пиксельный детектор, чувствительность которого позволяет одновременно различать треки ядерной отдачи и электрона. В качестве среды они использовали смесь из 40 процентов гелия и 60 процентов диметилового эфира, а изображение трека снимали пиксельным чипом Topmetal-II с шагом 83 микрометра. Сигнал усиливали газовой микроканальной пластиной. Источником нейтронов служил компактный D–D генератор, дающий частицы с энергией около 2,5 мегаэлектронвольта.
Ключевым признаком события Мигдала была общая вершина двух треков: яркого и относительно прямого трека ядерной отдачи и более слабого электронного трека рядом. В анализе оставляли ядерные отдачи с видимой энергией выше 35 килоэлектронвольт и электроны в диапазоне 5–10 килоэлектронвольт. Данные набирали около 150 часов, а фон оценивали по комбинации экспериментальных данных и моделирования. Суммарное ожидаемое число фоновых событий в области поиска составило около 0,2.
На основе шести кандидатов авторы оценили отношение сечения процесса Мигдала к сечению обычной ядерной отдачи как 4,9 × 10−5 и отметили, что оно согласуется в рамках неопределенности с теоретическими расчетами для их газовой смеси. Статистическая значимость обнаружения составила более пяти стандартных отклонений.
По мнению исследователей, теперь эффект Мигдала — это не просто теоретическое допущение, но и реально измеренное явление, которое можно будет использовать для поиска легкой темной материи. Ранее мы писали о том, как ученые ищут ее при помощи квантовых устройств.
Начальство всё пытается пропихнуть охранку. Сегодня несчастному коллеге помогал накидать смету на охранку периметра - забор более километра. Он выбрал трибоэлектрический кабель(не реклама, а первая ссылка из гугеля) в качестве чувствительного элемента.
Вот я уже дома и озадачился, а шо це за такэ? Оказывается с этим эффектом мы знакомы с самого детства. Кто из нас не натирал воздушным шариком свои волосы и потом лепил этот шарик к потолку?
Так же в школе, на уроках физики, нам всем показывали электрофорную машинку:
Но в моё время нам объясняли просто - трение, электрончики переходят с одного материала на другой и т.п. И вообще - это всё известно ещё с древних кошек и янтарных палочек. К слову, полностью физики этот эффект ещё не описали, вроде и принцип понятен и прост, но физикам нужно полное и исчерпывающее описание, а сейчас только толпа опытных данных и единой, полной теории нет.
Зато есть впечатляющие картинки:
По сути, это самое трибоэлектричество имеет родство с почти любым электростатическим электричеством. Даже молния, и та приводит к тому же принципу - частицы приобретают различный заряд из-за трения. При этом молния хоть и изучается уже не одно столетие, но опять же полностью для физиков непонятна.
Вот теперь Вы изучили новое слово из физики, хотя сам эффект знали с детства
Китайские физики применили вращательный эффект Доплера к закрученному звуку, чтобы создать акустическую необратимость. Вращая акустическую фазовую метапластинку достаточно быстро, они добились того, что плоская волна проходит или не проходит в зависимости от того, с какой стороны она падает на элемент, создав, по сути, акустический диод для закрученного звука. Исследование опубликовано в Science Advances.
В механике кинетическая энергия вращения тела зависит от системы координат наблюдателя. Так, с точки зрения покоя два одинаковых, но вращающихся в противоположных направлениях волчка будут обладать одинаковой энергией. Картинка изменится, если система наблюдателя сама начнет вращаться в одном из направлений.
Похожую ситуацию можно встретить в волновой физике, когда частота волны воспринимается большей или меньшей в зависимости от того, куда движется приемник, то есть, при возникновении эффекта Доплера. Поскольку энергии волн всегда связаны с частотой, движение наблюдателя вызывает нарушение симметрии между правым и левым.
Логично ожидать, что вращение приемника вокруг оси, вдоль которой движется волна, будет также нарушать соответствующую симметрию. Такая ситуация имеет смысл, если волна, например, свет, обладает круговой поляризацией — в этом случае физики способны увидеть сдвиги частот. Куда сильнее эффект проявляется, когда электромагнитная волна переносит орбитальный момент — феномен, обнаруженный лишь 30 лет назад. Поскольку угловой момент фотонов может быть неограниченно большим, вращательный эффект Доплера может быть в этом случае гораздо существеннее.
Закручивание волн стало тем инструментом, который позволил исследовать этот эффект для продольных звуковых волн, поскольку такие волны не могут обладать круговой поляризацией. Однако, физики научились закручивать звук сравнительно недавно, поэтому применимость вращательного эффекта Доплера в акустике изучена слабо.
Цюаньсэнь Ван (Quansen Wang) из Южно-китайского педагогического университета со своим китайскими коллегами предположили, что сдвиги частот, вызванные вращением системы отсчета относительно закрученного звукового луча, можно использовать для создания необратимых акустических систем. Для этого ни рассмотрели прохождение плоской незакрученной волны через акустическую фазовую метапластинку, наделяющую луч некоторым топологическим зарядом. При вращении метаповерхности свойства проходящей волны изменяются в зависимости от направления и угловой частоты. Если направление вращения совпадает с направлением закрутки волны, увеличиваются ее частота и продольная компонента волнового вектора. В противном случае эти величины уменьшаются до тех пор, пока реальная часть продольной компоненты волнового вектора не обращается в ноль, оставляя лишь мнимую часть. Такую ситуацию авторы назвали режимом акустической изоляции.
Для экспериментальной проверки предложенной идеи физики изготовили с помощью 3D-печати метапластинку из полимерного материала, которая наделяла звуковую волну на частоте 2016 герц топологическим зарядом, равным −1. Для того, чтобы убедиться, что напечатанная по расчетам пластинка действительно закручивает звук, авторы измеряли его с помощью сетки микрофонов, которые, давали информацию об амплитуде, фазе и энергии волны. Результаты показали удовлетворительное согласие.
Убедившись в работоспособности закручивающей пластины, авторы исследовали вращательный эффект Доплера. Вращая пластинку с различными угловыми скоростями и измеряя спектр проходящего через нее звука, они проверили, что теория эффекта работает очень хорошо. Наконец, когда скорость вращения в противоположном направлении достигла шести радиан в секунду, амплитуда звука и энергетический поток опустились практически до нуля. Вращение с той же угловой скоростью, но в противоположном направлении, наоборот, усилило волну. Учитывая, что оба случая соответствуют ситуации, когда звук входит во вращающуюся пластинку с разных сторон, физики, по сути, получили акустический диод, демонстрирующий необратимость распространения волны.
Это не первый акустический диод, напечатанный на 3D-принтере. Мы уже рассказывали, как для этого также использовали метаматериалы. Необратимость также удалось создать в теплопередающих материалах.
Комментарии