Фундаментальные основы энергетики будущего

В рамках выполнения програмы предполагается провести исследования в области физики экстремальных состояний вещества, возникающих при сверхбыстром воздействии фемтосекундных лазерных импульсов. Новые данные по оптическим параметрам в возбужденных состояниях позволят "заглянуть внутрь" возбужденной многочастичной квантовой системы. Это высоко поднимет уровень наших представлений о внутренних процессах, протекающих на двухтемпературной стадии, когда температура возбужденных электронов превышает температуру фононной подсистемы. Изучение экстремальных состояний вещества при воздействии сверхинтенсивного лазерного излучения является фундаментальной задачей многочисленных интенсивных теоретических и экспериментальных исследований. Эти исследования занимают обширную область от физики твердого тела до физики плазмы и физики высоких энергий, что определяет значимость планируемых исследований для актуальных фундаментальных проблем и научно-технических приложений, таких как создание новых источников энергии на основе инерциального управляемого термоядерного синтеза, создание и исследование новых материалов, а также разработка новых источников излучения и высокоэнергичных частиц как для фундаментальных исследований в физике высоких энергий и лабораторной астрофизике, так и для практически важных задач диагностики окружающей среды, материаловедения, биологии и медицины. В последние годы объем производства нанопорошков в мире увеличивается по экспоненциальному закону. Поэтому проблема развития новых, высокотехнологичных методов синтеза различных наночастиц является чрезвычайно актуальной. При этом необходимо решать задачи по расширению номенклатуры нанопорошков как по качеству, так и по разнообразию потребительских свойств. В связи с этим одна из научных задач, входящих в проект, заключается в развитии фундаментальных основ и разработке технологических принципов новых способов синтеза высокочистых металлоуглеродных нанопорошков при фоторазложении и пиролизе различных металло- и углеродо-содержащих газообразных веществ. Для этой цели будут применены новый, развитый в лаборатории метод фотосинтеза наночастиц, основанный на лазерном фотолизе газообразных углеродо- и металло-содержащих соединений, а также известный метод пиролиза газообразных соединений. Проект предполагает исследование различных физических свойств ультрахолодных газовых сред, полученных при помощи лазерного охлаждения. Лазерное охлаждение – это удивительно эффективный и элегантный инструмент, который оказался полезным во многих областях оптической, атомной и молекулярной физики. Лазерное охлаждение и испарительное охлаждение в оптической и магнитной ловушках позволило создать и исследовать бозе-эйнштейновский конденсат. Эти экспериментальные методики открыли новые возможности изучения новых нелинейных оптических квантовых эффектов, включая изучение процессов в неидеальной ультрахолодной плазме. В ближайшем будущем возможен переход к использованию результатов исследования для создания различных приборов и датчиков, таких как квантовый компьютер, квантовый гравиметр и других устройств. Следует отметить, что уже в настоящее время лазерное охлаждение используется для создания супер-точных квантовых часов. В рамках нашего проекта мы планируем изучение свойств новых состояний вещества, таких как ридберговские кристаллы и магнитостабилизированная ультрахолодная плазма. Возбуждение ультрахолодных атомов Li-7 и Ca-40 до n > 100, а так же получение неравновесной плазмы, можно обеспечить при помощи уникальной лазерной системы Spectra Physics, имеющейся в лаборатории. Одна из задач проекта - исследование физических процессов, приводящих к генерации интенсивного рентгеновского излучения в плазме лазерных импульсов релятивистской интенсивности. Результаты работы будут востребованы для решения таких фундаментальных и прикладных задач, как поиск путей инерциального термоядерного синтеза, исследования в области физики высоких плотностей энергии, лабораторной астрофизики, физике рентгеновских лазеров, обеспечение диагностики короткоживущих объектов и процессов, рентгенолитографии. Будут проведены прямые измерения внутренней энергии и удельного сопротивления жидкого углерода, как функций плотности и давления в диапазоне плотности от значений на кривой плавления до значений в 3 - 5 раз ниже при давлениях 2 – 7 ГПа. Кроме традиционной диагностики тока через образец и напряжения на образце, нами разработана диагностика давления в образце (используя шкалу давления рубина) и теплового расширения образца (с помощью лазерного интерферометра). Эта диагностика позволяет одновременно измерять в каждом эксперименте удельное сопротивление, плотность, удельную внутреннюю энергию и давление. Изучение свойств вещества при экстремальных параметрах является в настоящее время одним из наиболее перспективных направлений исследований как для расширения фундаментальных представлений о веществе, в том числе в астрофизических и геофизических исследованиях, так и для создания новых материалов с необычными свойствами. Экспериментальные данные, полученные за последнее время при экстремальных значениях давлений и температур, указывают на существование совершенно новых, необычных конденсированных фаз вещества, отвечающих как металлическому (с высокой электропроводностью), так и диэлектрическому (с низкой электропроводностью) состояниям, перехода металл-диэлектрик, а также специфических фазовых переходов, в частности, фазового перехода жидкость-жидкость. Исследование поведения вещества в экстремальных условиях, включая область критических параметров, необходимы, в частности, для разработки новых конструкционных материалов, в том числе для нужд ядерной энергетики. В настоящем проекте предлагается реализовать комплексный подход к исследованию теплофизических и электрофизических свойств вещества при экстремальных условиях и на его основе сформировать понимание свойств вещества и происходящих в эксперименте процессов, а также разработать новые методы диагностики и провести поиски новых направлений исследований. Фундаментальные исследования комплексной плазмы и разработка основ технологического использования структур из заряженных микрочастиц относятся к актуальным проблемам современной физики. Микрочастицы часто присутствует во многих энергетических устройствах. Для мощных энергетических лазеров, использующих прямое преобразование энергии деления ядер в энергию оптического излучения, перспективной является объемная накачка лазерно- активной среды с помощью заряженных микрочастиц делящегося материала в виде упорядоченных структур, сформированных в специально разработанных ловушках. Актуальной проблемой в условиях ухудшения экологической обстановки являются возрастающие требования к фильтрации газов, в том числе воздуха, в устройствах ядерной энергетики и других производствах. Возможное решение этой проблемы может быть связано с разработкой новых принципов и методов фильтрации, использующих электродинамические ловушки. Для анализа процессов, протекающих в веществе в условиях высокой концентрации энергии (таких как при ударно-волновом, лазерном или пучковом воздействии, при электрическом взрыве проводников мощным импульсом тока) необходимо знание свойств материалов в широком диапазоне параметров. Настоящее исследование нацелено как на развитие методов получения и диагностики экстремальных состояний, так и на развитие широкодиапазонных моделей термодинамических и оптических свойств различных мате-риалов при высоких давлениях и температурах. Актуальность такого исследования опре-деляется активным развитием современной техники и технологий, основанных на при-менении высокоэнергетического взаимодействия с материалами. В настоящее время актуальным является изучение процессов зарядки пылевых макрочастиц в электронных пучках или плазме. Широко представлены работы по изучению процессов зарядки пылевых частиц в плазме различных типов газового разряда - в высокочастотном разряде, разряде постоянного тока, а также в термической плазме и в плазме, индуцированной УФ- излучением. Однако в этих экспериментах заряд частиц, как правило, не превышает 1000-10000 элементарных зарядов для частиц микронных размеров. Между тем большой интерес представляет получение значительно более высоких зарядов на частицах. В рамках одного из направлений программы планируется развитие работ по магнитной гидродинамике и теплообмену расплавов металлов и солей в интересах перспективной ядерной и термоядерной энергетики, в том числе создание нового ртутного МГД стенда с широким диапазоном достигаемых параметров теплофизических, гидродинамических и магнитных нагрузок. Планируется проведение комплексных экспериментальных и расчетных исследований, в которых особое внимание будет уделено неблагоприятным эффектам и «запрещенным режимам» теплообмена, сопряженным с опасностью разрушения стенок теплообменника. Функционирование теплоносителя в условиях импульсного энерговыделения сопряжено с опасностью развития кавитационных явлений, сопровождающихся его разбрызгиванием и созданием помех для использования лазерных или корпускулярных пучков. Для расплавов металлов и солей, перспективных для использования в качестве теплоносителей, предполагается провести измерения их динамической (кавитационной) прочности. В интересах перспективной энергетики планируется модернизация экспериментального комплекса и развитие исследований теплофизических свойств тугоплавких керамик и других материалов в диапазоне температур, включающем их плавление. Методические и аппаратурные возможности будут включать исследование как конгруэнтно- так и неконгруэнтно плавящихся материалов. Для обеспечения безопасности производства водорода для задач энергетики и транспорта и водородной безопасности атомной энергетики необходимы исчерпывающие сведения о закономерностях воспламенения и горения водородо-воздушных смесей в больших объемах при наличии пара, геометрических и акустических источников возмущений и концентраторов энергии. В рамках проекта планируется получить новые экспериментальные и расчетные данные по критическим условиям возникновения и распространения детонации водородо-воздушных смесей в свободном и частично ограниченном газовых зарядах большого объема, изучить возможный флегматизирующий эффект паров и расыла воды, получить теоретическое и экспериментальное обоснование использования звукопоглощающих элементов для предотвращения формирования детонации в замкнутых помещениях. Проект сочетает развитие известных исследований с постановкой новых задач фундаментального и прикладного характера. В части МГД-теплообмена жидких металлов и расплавов солей научная новизна работы заключается в постановке исследований сложного конвективного теплообмена при наличии одновременно турбулентности, электромагнитных и термогравитационных сил. Впервые будут проведены исследования расплавов солей в качестве теплоносителей. В части механики новизна заключается в планируемых впервые исследованиях кавитационной прочности расплавов металлов и солей. В части высокотемпературной теплофизики научная новизна заключается в реализации лазерных методик, обеспечивающих комплексное исследование материалов в недоступной для традиционных методов области. В части горения водородо-воздушных смесей новизна заключается в крупномасштабности планируемых экспериментов, достигаемой благодаря использованию уникальной взрывной камеры, и в комплексном подходе к решению проблемы перехода горения в детонацию при наличии акустических и иных возмущений. Одно из направлений программы посвящено развитию теоретических и экспериментальных основ разработки технологий и систем энергоснабжения нового поколения с использованием альтернативных энергоносителей, возобновляемых источников и накопителей энергии. Рассматриваемые научные проблемы входят в приоритетные направления развития энергетики, обозначенные в Энергетической стратегии России и других государственных решениях. Их актуальность и масштабность для энергетики обусловлена необходимостью совершенствования систем централизованной, распределенной и автономной энергетики на основе более широкого использования местных, включая возобновляемые, энергетических ресурсов, применения современных материалов, методов аккумулирования энергии и новых источников энергии и энергоносителей. Проведенный в рамках программы комплекс фундаментальных и поисковых исследований, охватывающий актуальные темы развития энергетики, приведет к формированию научного задела и обоснованию новых принципов создания инновационной научно-технической базы, необходимой для перевода энергетики Российской Федерации на качественно новый уровень, отвечающий существующим прогнозам развития отечественной и мировой энергетики. Программа работ предполагает создание современной экспериментальной базы энерготехнологического профиля для натурных испытаний и демонстрации разработанных технологий, устройств и материалов мирового уровня, а также для подготовки кадров в области новой энергетики. Новизна сформулированных проблем, отвечающих современным тенденциям развития мировой энергетики, обусловлена необходимостью более рационального использования местных энергетических ресурсов, внедрения новых технологий, материалов и энергоносителей, более эффективных устройств генерации, накопления и транспортировки энергии, а также снижения экологической нагрузки на окружающую среду. Решение и практическое воплощение комплекса задач данного направления программы обеспечит формирование научно-технического задела для развития распределенных энергосистем, включая энергосистемы Дальнего Востока, Арктической зоны, Северного Кавказа, Крыма и др., стимулирование роста местной промышленности, включая малый и средний бизнес, а также создание дополнительных рабочих мест в данной отрасли. Ускоренное развитие распределенных энергосистем с элементами интеллектуальной энергетики будет способствовать росту экономики регионов, техническому перевооружению в сфере энергетики и импортозамещению высокотехнологичного энергетического оборудования и комплектующих. Оптимизация газодинамических характеристик обтекания с помощью плазменных образований, контролируемых электрическими и магнитными полями, рассматривается в настоящий момент как одно из перспективнейших направлений совершенствования аэрокосмических аппаратов. Компактность, практически полная безинерционность срабатывания, возможность удаленного (неинтрузивного) энергетического и силового воздействий на ограниченный области потока определяют нарастающий интерес к этим исследованиям, интенсивно развиваемым во многих промышленно-развитых странах с начала 90-х годов. Наиболее популярными направлениями этих исследований являются управление характеристиками пограничных слоев (перемещение точек отрыва, ламинарно-турбулентный переход), управление воспламенением и горением в высокоскоростных проточных камерах сгорания, модификация ударно-волновой структуры, создание управляющих сил и моментов с целью изменения траектории полета и/или снижения тепловых и динамических нагрузок на элементы летательного аппарата. Специальный интерес представляют исследования возможности изменять электрофизические параметры естественных плазменных образований вблизи поверхности гиперзвуковых летательных аппаратов с целью преодоления экранирования радиообмена. Коллектив работает в этой области начиная с 90-х годов и является одной из наиболее продуктивных исследовательских групп международного сообщества. Механизмы развития пробоя в дисперсных средах до настоящего времени не выявлены и до сих пор нет законченной теории растекания импульсных токов. Это связано со сложностью диагностики протекающих процессов, недостатком экспериментальных данных и неоднозначностью их интерпретации. Исследование механизмов возникновения и формирования электрического пробоя в грунте в настоящее время определяется необходимостью усовершенствования систем молниезащиты и защиты оборудования передающих сетей от перенапряжений, а также при исследованиях строения земной коры с помощью мощных импульсов тока, например от взрывомагнитных генераторов. Особенно остро эта проблема стоит в регионах с высоким удельным сопротивлением грунта при повышенных сопротивлениях заземлений опор и подстанций и больших токах смещения в грунте. Будут экспериментально исследованы механизмы пробоя в многофазных системах в грунтах и воде, приводящие к искрообразованию, возникновению электрического пробоя и образования протяженных плазменных каналов при растекании больших импульсных токов. Для создания стабильной энергетической системы страны необходимо обеспечить надежность работы ее составных частей. Для распределения и передачи больших объемов электрической энергии используется разнообразное высоковольтное маслонаполненное электротехническое оборудование (ВМЭО). К сожалению, такие устройства при старении масла могут выйти из строя, при этом ущерб от этого в десятки и сотни раз превышает стоимость самого оборудования. Для предотвращения подобных ситуаций необходимо обеспечить контроль состояния оборудования в режиме реального времени. В связи с резкой зависимостью вязкости масла от его температуры необходимо провести исследования термовязкой жидкости. Результаты исследований позволят разработать эффективные методы онлайн-диагностики, и создать макетные образцы оборудования для онлайн мониторинга состояния ВМЭО. Повышение степени извлечения газа из конденсатов является важной задачей газодобывающей промышленности. При образовании конденсатных пробок в газовых месторождениях могут иметь место неравновесные процессы в метастабильной газовой смеси. Этим обуславливается интерес к исследованиям уравнений состояния углеводородных смесей в пористой матрице (породе пласта). Детальное понимание на молекулярном уровне строения и свойств газовых гидратов в перспективе может позволить использовать их для компактного хранения и транспортировки газов (метана и водорода). Изучение возможности контролируемой ассоциации коллоидных квантовых точек в кластеры заданной структуры требуется для их применения в качестве фотоактивных элементов в светодиодах и солнечных элементах нового типа. Расчет свойств вещества в разогретом плотном состоянии представляет собой современную теоретико-вычислительную задачу, прогресс в решении которой затруднен в связи с тем, что теория должна описывать плотную, неидеальную систему с частично вырожденными, частично классическими электронами. Проектирование установок инерционного термоядерного синтеза требует данных о свойствах подобного вещества, в частности о свойствах плазмы дейтерия и уравнении состояния конструкционных материалов. В последнее десятилетие в индустрии конструкционных материалов наблюдается заметный рост интереса к сфере полимерных и нанокомпозитных материалов, в том числе для создания гибких солнечных батарей. Дальнейшее развитие индустрии нанокомпозитных материалов остро нуждается в разработке серьезных теоретических моделей, основанных на фундаментальном понимании иерархии процессов, происходящих на молекулярном уровне. Предполагается создание интегрированной информационно-вычислительной инфраструктуры для генерации и распространения в сети Интернет фактографических данных по теплофизическим свойствам веществ и материалов. Система должна обеспечить интеграцию ранее созданных разнородных информационных продуктов, подготовить методы генерации данных для более широкой номенклатуры веществ и свойств, а также использовать возможности новых информационных технологий для целей интеграции и обмена с другими информационными ресурсами.