Доктор Кейт Ланкастер, возглавляющая Группу физики плазмы в Институте физики, представляет всесторонний обзор достижений и перспектив британской науки о плазме, освещая инновационные проекты, многообразие практических применений и плодотворные совместные инициативы, которые утверждают Соединенное Королевство в качестве неоспоримого лидера в этой динамично развивающейся и стратегически важной области.
Группа физики плазмы Института физики функционирует как центральный координирующий орган, активно содействующий развитию науки о плазме и отвечающий на актуальные запросы научного сообщества. Деятельность группы направлена на охват широчайшего спектра знаний в области исследований плазмы, начиная от взаимодействий высокомощного лазерного излучения с плазмой, изучения плазмы, удерживаемой магнитным полем в таких сложных установках, как токамаки и стеллараторы, и заканчивая космической и астрофизической плазмой, которая наполняет межпланетные и межзвездные пространства. Кроме того, в сферу ее компетенции входит изучение различных видов промышленной и биомедицинской плазмы, которые в совокупности относятся к более широкой категории технологических и нетермальных плазменных исследований.
Одним из ключевых направлений деятельности группы является организация ежегодной конференции, которая становится местом встречи для многочисленных специалистов из самых разных облаzeń физики плазмы. Нередко исследователи оказываются сосредоточенными исключительно на своих узких специализациях, и данная конференция создает уникальные условия для междисциплинарного диалога и обмена ценными знаниями между различными сегментами обширной науки о плазме.
На конференции группа также выступает в роли наставника и консультанта для научного сообщества, предоставляя экспертные оценки и рекомендации по любым возникающим инициативам. В отличие от более масштабных международных форумов, посвященных плазме, эта конференция сохраняет более камерную и неформальную атмосферу, обычно собирая около ста участников. Такой формат предоставляет превосходную возможность для членов научного сообщества для плодотворного обмена идеями и зарождения новых совместных проектов.
В стратегически важной области термоядерной энергетики выделяются два основных исследовательских подхода: инерциальный синтез и магнитное удержание плазмы. Великобритания обладает лазерными и импульсными энергетическими установками мирового уровня и накопила значительный опыт в области инерциального синтеза, который сосредоточен в университетских центрах, национальных лабораториях и частных компаниях, работающих над созданием термоядерных реакторов. Однако исторически сложилось так, что стратегические, специализированные термоядерные установки в стране в основном разрабатывались в рамках концепции магнитного удержания плазмы.
В настоящее время Великобритания активно развивает амбициозный термоядерный проект под названием STEP, которым руководит компания UK Industrial Fusion Solutions Ltd, являющаяся стопроцентно дочерним предприятием UK Atomic Energy Authority Group. Предполагается, что эта новаторская установка будет введена в эксплуатацию ориентировочно в 2040 году, и для ее размещения уже выбрана подходящая площадка на территории бывшей электростанции. Проект STEP предусматривает использование конфигурации устройства с высоким магнитным полем, по форме напоминающей яблоко с удаленной сердцевиной, в отличие от традиционной «бубликообразной» геометрии токамака. Соединенное Королевство имеет богатую историю успешной работы с такими, так называемыми, «высокоаспектными» конструкциями токамаков, и STEP представляет собой крупнейшее государственное вложение в будущее термоядерных исследований.
Первоначальные инвестиции в проект STEP составили внушительную сумму – приблизительно 220 миллионов фунтов стерлингов. За этим последовало еще более масштабное вливание средств в термоядерную отрасль в рамках программы Fusion Futures, общий объем которой может достигать 650 миллионов фунтов стерлингов. Эти средства включают ассигнования на подготовку квалифицированных кадров и развитие научного сообщества, а также на финансирование передовых исследований и разработок в британской термоядерной промышленности. Недавнее подтверждение приверженности программе Fusion Futures на период 2025/26 годов и выделение дополнительного финансирования для проекта STEP оценивается примерно в 410 миллионов фунтов стерлингов. Такие объемы инвестиций наглядно демонстрируют колоссальную решимость Великобритании воплотить мечту о термоядерном синтезе в реальность.
Программа Fusion Futures также оказывает финансовую поддержку крупному проекту в области инерциального синтеза, известному как UPLiFT. Этот проект, реализуемый под руководством Лаборатории Резерфорда-Эплтона Совета по научно-техническим средствам (STFC), объединяет усилия академических институтов, промышленных предприятий и других национальных лабораторий. Он сфокусирован на ключевых областях британской экспертизы: мощных лазерных системах, разработке высокотехнологичных мишеней и достижении термоядерного синтеза с высоким коэффициентом усиления энергии.
Британское термоядерное сообщество активно интегрировано в глобальную научную сеть и простирается далеко за пределы чисто академической среды. Оно включает в себя коммерческие компании, для которых термоядерный синтез и связанные с ним технологии являются основной сферой деятельности, а также обширную и постоянно растущую цепочку поставщиков, обеспечивающих отрасль жизненно важной инфраструктурой и компонентами.
Великобритания также демонстрирует значительные успехи в разработке космических двигательных технологий, особенно в области плазменных, ионных и холловских двигателей. Эти разработки ведутся как в университетских лабораториях, так и в коммерческом секторе. Данные технологии обладают явными преимуществами для исследования дальнего космоса и уже сегодня находят применение на спутниках для высокоточной коррекции траекторий.
Инновационные исследования в области нетермальной плазмы изучают уникальные возможности, возникающие при сочетании химически активных частиц и ультрафиолетового излучения, для решения сложных медицинских проблем. Например, бактериальные биопленки, подобные зубному налету, могут серьезно затруднять заживление ран. Терапевтические методы на основе нетермальной плазмы потенциально способны разрушать эти биопленки, тем самым способствуя лечению хронических ран и других трудноизлечимых состояний.
В нетермальной плазме протекают интереснейшие химические процессы, поскольку присутствующие в ней атомы ионизированы лишь частично, то есть не все электроны покинули свои атомы. Комбинация химически активных частиц и ультрафиолетового излучения создает уникальную среду с широким спектром потенциальных применений. Вследствие этого такая плазма находит применение в самых разных областях, включая стерилизацию медицинских инструментов и поверхностей, обработку различных материалов для придания им новых свойств, а также функционализацию материалов.
Применения нетермальной плазмы также распространяются на очистку сточных вод, нейтрализацию вредных выбросов промышленных предприятий и использование в качестве катализаторов в процессах преобразования диоксида углерода в другие химические соединения, что открывает перспективы для создания более экологичных технологий.
Хорошо зарекомендовавшей себя областью применения плазмы является обработка полупроводников, где плазменное травление играет решающую роль в производстве интегральных микросхем. По мере того как размеры элементов на чипах продолжают уменьшаться, глубокое понимание поведения плазмы на атомарном уровне становится все более важным, что, в свою очередь, требует разработки новых, более совершенных методов диагностики плазмы.
Приблизительно 99,9999% видимой Вселенной состоит из плазмы, которая существует в различных формах, таких как межзвездная среда и звезды, и лишь ничтожная доля вещества находится в твердом, жидком или газообразном состоянии. Понимание природы и свойств плазмы имеет фундаментальное научное значение, внося неоценимый вклад в наше общее представление об устройстве Вселенной.
Великобритания занимает прочные позиции в области исследования космической плазмы, как в академических кругах, так и в национальных исследовательских центрах. Изучение космической плазмы – это глобальное усилие, особенно когда речь идет о необходимости использования специализированных космических зондов. Например, миссии Solar Orbiter Европейского космического агентства (ESA) и Parker Solar Probe Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства США (NASA) предназначены для углубления наших знаний о солнечном ветре, процессах магнитного пересоединения и связанных с ними явлениях. Эти аппараты совершают рискованные путешествия в солнечную корону, где проводят прямые измерения параметров корональной плазмы и получают изображения Солнца с высоким разрешением, чтобы ответить на фундаментальные вопросы, например, почему Солнце такое горячее и как формируется его видимый облик.
Зонд Parker Solar Probe обнаружил явление, известное как «серпантины» – быстрые локальные изменения направления магнитного поля Солнца, что помогает понять взаимодействие между корональным магнитным полем и солнечным ветром. Аппарат Solar Orbiter, в свою очередь, выявил, что поверхность Солнца испещрена множеством миниатюрных солнечных вспышек, часто называемых «кострами». Корональная среда чрезвычайно динамична и характеризуется непрерывными взаимодействиями между магнитными полями и заряженными частицами. Солнечный ветер оказывает прямое воздействие на Землю, и экстремальные солнечные события могут нарушать связь и влиять на нашу инфраструктуру.
Еще одной захватывающей областью исследований являются лабораторные астрофизические эксперименты, часто проводимые на крупных лазерных или импульсных энергетических установках. Эти эксперименты позволяют ученым создавать миниатюрные версии таких явлений, как астрофизические джеты – мощные выбросы вещества из активных галактических ядер или молодых звезд. Исследователи могут изменять параметры эксперимента для установления безразмерных масштабных соотношений, которые затем можно экстраполировать на астрофизические масштабы. Это дает ценную информацию о космических явлениях и расширяет наше понимание различных астрофизических объектов. Такие наземные эксперименты позволяют ученым исследовать концепции, которые было бы чрезвычайно сложно или дорого изучать непосредственно в космосе из-за связанных с этим затрат и логистических трудностей.
Национальный комплекс лазерных термоядерных реакций (NIF) в США сочетает исследования в области термоядерной энергии с использованием лазеров и фундаментальные научные открытия. Хотя NIF находится не в Великобритании, многие британские ученые активно участвуют в исследованиях, проводимых на этой установке, внося вклад как в термоядерную программу, так и в эксперименты по исследовательской науке, связанные с комплексом, особенно в области лабораторной астрофизики. Этот передовой лазерный термоядерный комплекс недавно достиг значительного рубежа, известного как «зажигание», когда выход энергии превысил энергию, подведенную лазерами. Вещество в реакционной камере теперь вошло в фазу, называемую «горящая плазма», которая имитирует некоторые условия, существующие внутри Солнца, по сути, создавая миниатюрную звезду на Земле.
На пути к практической реализации термоядерной энергии стоит несколько серьезных барьеров, как в области физики плазмы, так и в более широком инженерном контексте. Плазма по своей природе нестабильна и подвержена влиянию различных неустойчивостей. Значительная часть текущих исследований в физике плазмы сосредоточена на понимании эволюции и роста этих неустойчивостей, а также на разработке методов их подавления или смягчения.
Помимо сложностей, связанных с физикой плазмы, необходимо решить существенные инженерные задачи. Одним из примеров является разработка материалов, способных выдерживать экстремальные температуры и радиационные нагрузки. Внутри токамака есть область, известная как дивертор, которую можно сравнить с «выхлопной трубой» установки. Этот элемент должен выдерживать условия, сопоставимые с посадкой небольшого космического аппарата на поверхность Солнца. Решение этих многогранных проблем требует непрерывных исследований и инноваций как в физике плазмы, так и в материаловедении и инженерном деле.
Материалы в термоядерных реакторах подвергаются экстремальным радиационным условиям, таким как огромные потоки нейтронов, которые могут вызывать трансмутацию материала стенок реактора, делая его радиоактивным. Это явление также может приводить к смещению атомов в кристаллической решетке материала, что вызывает его охрупчивание и другие структурные проблемы. Хотя это обсуждение в основном касается термоядерного синтеза, оно подчеркивает многочисленные проблемы, охватывающие физику и инженерию, которые необходимо решить для успеха всего предприятия.
Более того, интеграция систем представляет собой еще одну сложную задачу. Речь уже идет не просто о настольных экспериментах; необходимо перевести теоретические концепции и результаты исследовательских экспериментов в практически работающие установки. Такой переход, безусловно, возможен, но он требует тщательного планирования, точного исполнения и достаточного финансирования для успешного продвижения по этому пути развития.
Применения плазмы находятся на стыке традиционных научных дисциплин, требуя вклада физиков, химиков и биологов. Это особенно актуально для нетермальной плазмы, имеющей биомедицинские применения. В контексте термоядерного синтеза сотрудничество между физикой, инженерией, компьютерными науками и химией имеет решающее значение из-за высоких температур, взаимодействий плазмы с поверхностью и материаловедческих аспектов, необходимых для функционирования реактора.
Область компьютерного моделирования плазмы особенно интересна и перспективна. Исторически исследования плазмы выигрывали от моделирования с использованием различных методов, которые могут рассматривать плазму либо как совокупность частиц, либо как сплошную среду (жидкость), в зависимости от требуемой информации. Великобритания обладает значительным опытом в моделировании плазмы, располагая общедоступными программными кодами, которые охватывают различные аспекты исследований плазмы. Связь между экспериментами и вычислениями всегда была важна, поскольку она помогает интерпретировать экспериментальные данные для понимания микрофизики процессов и позволяет создавать инновационные теории, служащие источником вдохновения для экспериментальных исследований. Это сотрудничество между экспериментальной работой и компьютерным моделированием является давней традицией в этой области.
Многообещающим направлением является технология «цифровых двойников». В контексте термоядерного синтеза это может означать создание целого виртуального реактора в цифровой среде, что позволит оценивать его сильные и слабые стороны, а также потенциальные режимы отказа без необходимости строительства физической машины. Такой подход опирается как на экспериментальные, так и на теоретические данные для информирования широкого спектра взаимосвязанных моделей и создаст множество вычислительных проблем. Тем не менее, он представляет собой привлекательный вариант как для прогностических, так и для интерпретационных целей при работе с такими сложными системами. Создание цифровых двойников – это новая, быстро развивающаяся область вычислений, набирающая популярность в Великобритании и за ее пределами, и эта тема обсуждалась на недавней конференции Института физики.
Великобритания имеет давние и славные традиции в области физики плазмы, характеризующиеся сильным академическим сообществом, которое все активнее заявляет о себе и в промышленности. Хотя само сообщество относительно невелико, его влияние значительно и выходит далеко за рамки его численности. Этот сектор находится на подъеме, чему способствуют многочисленные научно-исследовательские институты и компании мирового уровня.
Страна выигрывает от наличия передовых национальных объектов, включая лазерно-плазменные установки, системы импульсной мощности и токамаки. Кроме того, промышленность играет решающую роль в этой области, эксплуатируя собственные плазменные устройства и разрабатывая инновационные исследования и технологии.
Несмотря на репутацию Великобритании как страны инноваций, обеспечение долгосрочного финансирования для трансляционных исследований, способных принести коммерческий эффект, остается сложной задачей. Хотя прогресс есть, все еще существуют возможности для улучшения процесса вывода практических плазменных приложений на рынок. К счастью, накоплен опыт создания прочных государственно-частных партнерств, и признается важность такого сотрудничества для решения будущих проблем.
Кроме того, проблемы, возникшие в результате Brexit, такие как удержание талантливых специалистов и привлекательность Великобритании для иностранных исследователей и студентов, создают дополнительные трудности для этого сектора науки и технологий.
В технологии термоядерного синтеза и исследования термоядерной плазмы были сделаны значительные инвестиции. Учитывая амбициозные цели, рост и подготовка кадров для научного и инженерного сообщества являются наиболее важным аспектом. Ставится задача увеличить число специалистов в этой области с 2500 до 5000 человек, чтобы удовлетворить растущие потребности. Хотя это представляет собой одну из самых больших проблем, на эти цели выделено 50 миллионов фунтов стерлингов через программу FOSTER, являющуюся частью пакета финансирования Fusion Futures, специально предназначенного для обеспечения такого роста. Академические учреждения, национальные лаборатории и промышленность совместно играют решающую роль в обеспечении этой подготовки сегодня и продолжат делать это в будущем.
Исследования нетермальной плазмы являются одним из самых передовых и многообещающих направлений с огромным спектром потенциальных применений. Чтобы максимизировать этот потенциал, необходима достаточная поддержка этих областей, особенно в построении прочных связей между академической наукой и промышленностью для преобразования высокотехнологичных достижений в рыночные решения и продукты.
Плазма может стать жизненно важным промышленным инструментом будущего, оказывая влияние на самые разные области, такие как сельское хозяйство, очистка воды, биомедицинские применения, производство полупроводников, двигательные установки и функционализация материалов. Потенциальные применения науки и технологий плазмы только начинают проникать в общественное сознание, и предстоит еще много работы, чтобы вызвать широкий интерес и понимание перспектив этой увлекательной области.
+ There are no comments
Add yours