Нұрлан Амангелді, физика ғылымдарының докторы: «Хиггс бозоны» бізге әлемнің қалай жаратылғаны туралы мағлұмат береді

Ядролық бомбаның жарылуы қалай жүзеге асады? Ядролық физиканың қазіргі таңда қандай фундаменталды проблемалары бар? Алматыдағы ядролық физика институтында орналасқан зерттеу реакторын қоршап тұратын өріс тоқтап қалса, реактор жарыла ма? Ол реактор өзімен қоса қаланы жарып жібере ме? Осы және Қазақстандағы ядролық физикаға қатысты өзге де сұрақтарға Ядролық физика институтының Астаналық филиалының бас маманы, физика ғылымдарының докторы Нұрлан Амангелді жауап береді.

Әлібек Қисыбай: Нұрлан мырза, біздің редакциямызға ядролық физикаға қатысты бірнеше хаттар келіп түсті. Оларды оқымас бұрын, алдымен, бізге - қарапайым оқырман қауымына кіріспе ретінде «Ядролық физика деген не?», «Қазақстандағы ядролық физика қалай дамып жатыр?» деген сауалдардың басын ашып берсеңіз...

Нұрлан Амангелді: Жақсы. Ядролық физика 1911 жылы Резерфордтың экспериментінен басталады. Ядролық физиканың атасы Эрнст Резерфорд деп айтсақ болады. Оған дейін Демокрит ең кішкентай бөлшек атом деп айтып келген болатын. Ал, Резерфорд тәжірибе жүзінде атомның ортасында ядро бар екенін, 90 пайыз ауыр зат атомның ортасында орналасқанын, яғни протонның бар екенін анықтайды. Кейін оның шәкірті Джеймс Чедвик нейтронды табады. Сөйтіп, атом ядродан, ядро протон мен нейтроннан тұрады дейтін тұжырыммен ядролық физика басталады. Ядролық физиканың мақсаты – ядролардың қалай орналасқанын, ядролардың ішінде қандай реакциялар жүріп жатқанын, оның құрамы қандай, құрылысы қандай, ядролық элементтердің ішіндегі бізге белгісіз қандай элементтер бар деген сынды тақырыптарға зерттеулер жүргізу. Мысалы, мен мектепте оқып жүргенде химиялық элементтердің саны 107 болған, қазір  олардың саны 117-120-ға жетіп қалды. Жалпы, атом «протоны көп ядролар» және «нейтроны көп ядролар» деген негізгі екі топқа бөлінеді. Одан бөлек, «ядролық остров стабильности» деген бар.

Әлібек Қисыбай: Сонда, элементтер саны зерттелген сайын көбейе бере ме?

Нұрлан Амангелді: Иә, сіздер білсеңіздер оттегі-16 деген бар. Қазір оны зерттей келе оттегі-40 дегенді тапты. Ядролық физика әртүрлі бағытта дамиды ғой: энергетика бағытында, ядролық медицина бағытында. Осы ядролық физиканың пайда болуының арқасында тізбекті реакцияның, реактордың, ядролық бомба мен атомдық қарулардың пайда болуымен үлкен соғыстар тоқтатылды.

Әлібек Қисыбай: Ия, Нұрлан аға, енді Қазақстандағы ядролық физиканың зерттелуі жайлы айта кетсеңіз?

Нұрлан Амангелді: Қазақстанда Курчатов қаласында ядролық физиканы зерттеу орталығы бар. Ол үш институттан тұрады: Атом энергиясы институты, Радиациялық қауіпсіздік және экология институты, үшіншісі - «Байкал» кәсіпорны.

Нұрғазы Абжанов: Ал, Алматыдағы ше?

Нұрлан Амангелді: Алматыда «Мемлекеттік ғылыми-өндірістік жарылыс жұмыстары орталығы» бар. Бұдан бөлек, Алматыдағы ядролық физика институты бар. Оның филиалы Астанада, осы жерде. МНИК (Междисциплинарный научно-исследовательский комплекс) деп аталады, қазақша «Салааралық ғылыми-зерттеу кешені». Бұнда «циклотрон-60» орналасқан. Осы циклотронның көмегімен ядролық физиканың эксперимент жүзіндегі дамуы жүзеге асады. Яғни, екі ядроның соқтығысуы, ол екеуінің қосылуы, ол екеуінің бір-бірінен тебілуі, екеуінің әсерлесуі сынды күрделі реакциялар жүреді. Ядроның өз өлшемі 10^-31 мөлшерінде болады. Ядроның радиусы 10^-15 метр. Оны көзбен көре алмаймыз. Сондықтан, біз реакциялар арқылы, оның қимасын табамыз да соның нәтижесінде ядроның қозғалысын, құрылымын, құрылысын, қасиетін зерттеуге болады.

Әлібек Қисыбай: Менің білуімше, ядролардың реакцияға түсуі өте күрделі процесс. Ол химиялық реакциялар сынды тез жүзеге аса қоймайды. Сонда, ядролық реакцияның жасалуы қалай жүреді?

Нұрлан Амангелді: Ядролық реакция жүру үшін бір ядромыз нысана (мишень) ретінде орнатылады. Оған циклотронның көмегін қолдану арқылы екінші ядроны үдетіп әкелеміз. Үлкен энергиямен үдетіліп әкелген ядро мишен ретінде тұрған ядроны соғады. Осы екі бөлшектің әсерлесуі жүреді, міне бұл ядролық реакцияға жатады. Ядролық реакция болу үшін ядролық күш, ядролық әсерлесу болу керек. Ядролық әсерлесудің негізгі төрт түрі бар: гравитациялық күш, әлсіз әсерлесу, күшті әсерлесу және электростатикалық әсерлесу. Әлсіз, күшті әсерлесуге ядролық әсерлесу жатады. Осы екі бөлшектің (мишень мен шоқтың) соқтығысуына байланысты ол екеуі қосылуы мүмкін, қосылып бір элемент түзуі мүмкін, ол екеуі бір-бірімен қосылмауы мүмкін, тебіліп шашырап кетуі мүмкін, ядролар ішіндегі элементтер бір-бірімен орындарын ауыстыруы мүмкін. Ядролық реакциялардың түрлері өте көп: ауысу реакциясы бар, бөліну реакциясы бар тағысын тағы.

Әлібек Қисыбай: Бір-бірімен әсерлесу үшін жылдамдық қандай болу керек?

Нұрлан Амангелді: Негізі оның жылдамдығы жарық жылдамдығына жуық болады. Бірақ реакцияның жүру уақыты 10^-24 – 10^-21 секунд аралығын құрайды. Біз реакцияның нәтижесін  энергиямен өлшейміз. Ол «мега электронды вольт» деп аталады. Мега электронды вольт дегеніміз – 10⁶ (онның алты дәрежесі). Белгілі бір элементті үдету үшін 30 МэВ, 40 МэВ, 20-25 МэВ энергиямен жұмыс істейміз.

Әлібек Қисыбай: Осы ядролық реакциялар мен термоядролық реакциялардың айырмашылықтары қандай?

Нұрлан Амангелді: Термоядролық реакция да, ядролық реакцияның бір түріне жатады. Мысалға, атом электр станциясында уран элементін ядролық реакцияға түсіру арқылы, яғни уран 235-тің нейтрондарының атқылауынан энергия бөлінеді. Ал, термоядролық реакцияларда екі жеңіл элементтің қосылуынан энергия алынады. Біріншісінде, ядроның бөлінуінен энергия алынса, термоядролық реакцияларда жеңіл элементтердің қосылуынан энергия алынады. Алайда, термоядролық реакция жүру үшін миллиондаған плазманы ұстап тұру керек, пайдалы әсер коэффициентінен кеткен шығын біз алатын электроэнергияға жетпей, тең болып тұр. Жіберілген шығыннан алатын пайдамыз бірнеше есе көп болу керек еді.

Нұрғазы Абжанов: Сонда, Қазақстанда термоядролық реакциялар мүлдем зерттелмей ме?

Нұрлан Амангелді: Курчатовта термоядролық реакцияларға «токамак» құрылғысын пайдаланады. Токамак бұл орысша қысқартылған сөз, толық атауы – тороидальная камера с магнитными катушками. Негізі, термоядролық реакциялар жасау үшін «термоядролық реактор» болу керек, ол бізде жоқ. Сондықтан, қолда бар токамакты ғылыми жобаларда қолданып жатырмыз. Бірақ 30 жыл болды, 40 жыл болды әлі жақсы нәтиже берген жоқ.

Нұрғазы Абжанов: Термоядролық зерттеулер бізге не береді? Оның маңызы қанша?

Нұрлан Амангелді: Ол бізге электр энергиясын береді. Мысалы, қарапайым атом электр станциясында тізбекті ядролық реакция – «уранның ыдырау реакциясынан» энергия аламыз. Реакция нәтижесінде одан қалдық қалады. Ол қалдық 300 жыл ыдырайды. Үш жүз жыл ыдырайды дегеніміз – үш жүз жыл одан радияциялық фон бөлінеді. Ал, термоядролық реакцияларда энергия өте көп беріледі де қалдық мүлдем болмайды. Мысалы, дейтерий мен дейтерий қосылып, гелий-4-ке (альфа) айналады. Бұнда қалдық жоқ.

Нұрғазы Абжанов: Сіз ядролық реакцияларда қалдық қалады дедіңіз. Ол қалдықтар қазір қайда? Біздің білуімізше, болашақта Қазақстан ядролық банкке айналмақ, сол рас па?

Нұрлан Амангелді: Қазіргі таңда Курчатов қаласында қалдықтарды сақтайтын орындар бар. Мысалы, Ақтаудағы БН-350 реакторы 1999 жылы жұмысын тоқтатты, соның ішіндегі қалдық заттар - уранның қалған бөліктері – Курчатовта арнайы бассейндерде, арнайы қорғалған орындарда сақталып жатыр.

Әлібек Қисыбай: Реакциядан шыққан қалдықтар шамамен үш жүз жылдай ыдырайды екен. Ол жартылай ыдырау кезеңі деп аталады. Осы процесті түсіндіріп бере аласыз ба?

Нұрлан Амангелді:  Жартылай ыдырау периоды дегеніміз 2 не 3 бөлікке ыдырап кету, яғни тұрақты элементке айналу процесі. Қазір ол тұрақсыз, үш жүз жыл бойы ол әртүрлі радияциялық фон бөліп отырады. Мысалы, ксенон 6 сағаттан кейін иодқа айналады. Оның жартылай ыдырау периоды 6 сағат. Өздігінен ыдырайтын элементтердің барлығын радияциялық элемент деп атаймыз.

Әлібек Қисыбай: Ал, ядролық бомбаның жарылуы қалай жүзеге асады?

Нұрлан Амангелді: Ондай енді (күлді)... Бұл элементтерде «критическая масса» деген болады. Уранда «критическая масса»  - 50 кг., яғни 50 кг уран бір жерде тұрып қалса, ол өздігінен жарылады. Плутонийде 30 кг, радийде 25 кг деген сияқты кете береді. Үлкен ядролық бомбаны жасағанда екі жаққа 25 келіден уран салады да, ортасына жарылғыш зат орнатады. Бомбаны жаратын кезде, ортасындағы жарылғыш зат жойылып, екі жақтағы уран қосылады. Соның салдарынан үлкен ядролық жарылыс болады.

Әлібек Қисыбай: Сонда, электр станцияларындағы уранның салмағы 50 келіге жетпеуі керек қой?

Нұрлан Амангелді: Жоқ. Атом электр станцияларында таблеткалар қолданылады. Ол жерде «критическая массаға» жеткізбейді.

Нұрғазы Абжанов: Сіздің айтып отырған 50 кг ол өңделген уран ғой, солай ма?

Нұрлан Амангелді: Ия, өңделген уран. Жер астындағы табиғи уран реакцияға түскенге дейін залалсыз. Ол реакцияға түскеннен кейін радиоактивті элементке айналып шыға келеді. Жер астындағы табиғи уран-238 болады, оны центрифуга әдісіменен уран-235 етіп өңдейді.

Әлібек Қисыбай: Қазақстанда 2015 жылдан бастап «Токамак» инновациялық жобасы аясында термоядролық реакторлары жұмыс істейді деп жоспарланған болатын. Қазіргі таңда ол термоядролық реакторлар сатып алынды, Курчатовта орнатылды, енді іске қосылу үшін орнатылудың соңғы этаптарынан өтіп жатыр. Осы «токамак» қалай жұмыс істейді?

Нұрлан Амангелді: Оны мен қарапайым сөзбен түсіндірейін.  «Термо» - жылу деген сөзді білдіреді. Мысалы, екі жеңіл элементті миллиондаған градусқа шейін қыздырамыз, олар қатты қызғаннан соң қосылу процесі болады, сол кезде реакция жүреді. Егер ол екі элементті қатты қыздырмаса, олар өздігінен қосылмайды. Ондай үлкен температураға жеткізу үшін плазмаларды, плазмалық әдістерді қолданады. «Тороидальный магнит» дейтін бар, ол сыртынан айналып жүреді, үлкен плазмалық магниттік әсермен жоғарғы энергияны ұстап тұрады. Айырмашылық сол ғана. Ол үлкен энергиямен, үлкен температурада екі элементтің қосылуына мүмкіндік жасайды.

Әлібек Қисыбай: Ядролық физиканың қазіргі таңда қандай фундаменталды проблемалары бар?

Нұрлан Амангелді: Сіздерге түсінікті болу үшін, алдымен ядролық физикаға кысқаша шолу жасайық. Атомды Демокрит тапты, ядроны Резерфорд тапты. Одан кейін, ядро нуклондардан, нуклондар протон мен нейтрондардан тұрады. Протон мен нейтрон кварктерден тұрады. Кварктер «Хиггс бозонынан» тұрады. Женевада орналасқан Еуропалық ядролық зерттеулер орталығында дүниежүзіндегі ядролық физиканың жетекші ғалымдары жұмыс істейді. Сол жерде «Үлкен адрондар соқтығыстырушысы» (большой адронный коллайдер – ускоритель заряженных частих) орнатылған. Сондай коллайдерде екі сутегіні 7 ТэВ (тераэлектронды вольт) соқтығыстырады, екі сутегі соқтығысқаннан кейін олар бәленше жарықшақтарға бөлініп шашырайды. Сол кезде «хиггс бозоны» тіркеледі. Олар 2013-2014 жылдары эксперименттер нәтижесінде «хиггс бозонын» тіркегенін айтты. «Хиггс бозоны» бізге не береді? Ол бізге әлемнің қалай жаратылғаны, біздің әлеміміз неден тұратыны, бұдан кейін не болатыны жайында бізге мағлұмат береді. Міне, бұл біздің елдегі ядролық физиканың дамуы алдында тұрған мәселе. Одан бөлек, негізгі проблема бар. Негізі, ядролық физика проблемаларды шешіп, дамып жатыр, бірақ теория бойынша негізгі бір проблема бар. Оны мысалмен түсіндірейін. Қандай да бір эксперимент жасалды делік. Ол экспериментке талдау жасау үшін оны белгілі бір модельге келтіреді. Ол экспериментке жан беру үшін, оның физикасын туғызу үшін белгілі бір математикалық модель болсын, физикалық модель болсын, алдын ала моделдейміз. Моделдің түрі көп, бірақ ядролық физикада базовый, яғни бәріне жалпы, ортақ модель жоқ. Мысалы, мына төменгі энергияда жасалатын экспериментке бір бөлек модель қолданады. Орта энергияда жасалатын экспериментке тағы бір бөлек модель қолданады. Жоғарғы энергияда тағы бір бөлек модель қолданылады. Жалпы ядролық физикада жасалатын эксперименттердің барлығын өңдеп беретін, бәрін түсіндіріп беретін бір жақсы теориялық модель жоқ.

Әлібек Қисыбай: Түсінікті. Қазақстанда Ұлттық ядролық орталық бар. Ол жерде қандай зерттеу жұмыстары жүргізіліп жатыр?

Нұрлан Амангелді: Бұл орталықтарда зерттеу реакторлары бар. Алматыдағы ядролық физика институтында да зерттеу реакторы бар. Неігізі, реактор төрт түрге бөлінеді. Бірінші буын, екінші буын деп кете береді. Қазір дүние жүзінде электр энергиясын алатын 436 реактор болса, солардың барлығы дерлік екінші буынның реакторлары (зерттеу раекторларын қоспағанда). Қазіргі таңда үшінші, төртінші буынның реакторлары салынып жатыр. Олардың бірінші-екінші деп бөлінуі қауіпсіздік шараларына байланысты. Үшінші буынның қауіпсіздік шаралары өте жоғары, төртіншінікі мүлдем жоғары деген сияқты. Ал енді зерттеу реакторларына келетін болсақ, зерттеу реакторлары токомакта жүргізілетін эксперименттерге қажетті есептерді, 1-4 буынның реакторларына қажетті есептерді шешеді. Мысалы, әрбір реактордың ортасында белсенді зона болады. Ол жерде металдардың бөлінуі жүреді, яғни реактордың нағыз қызып тұратын, температурасы ең жоғары жері. Сондықтан, реактордың ортасы жай ғана металдан емес, зерттелген мықты металдардан жасалуы керек. Ол металдардың беріктігін алдын ала зерттеу реакторларында тексереді. Бұл бір. Екіншіден, мысалы «Ленин» мұзжарғыш кемесінің қозғалтқышы реактордан жасалған, яғни оның моторы реактордан жасалған деп түсіндірсек болады. Оның отыны – уран. Ал, біздегі космостық корабльдеріміз керосинмен жұмыс істейді. Олар ғарышқа пәленше тонна керосинді көтереді. Жерден бір келі заттың өзін аспан әлеміне шығару өте қиын, сондықтан егер ғарыштық кемелердің қозғалтқышы осы үлігіде жасалатын болса, оның отыны ураннан тұратын болса, кеменің салмағы едәуір азаятын еді. Бір сіріңкенің қорабындай уранның өзі үш-төрт тонна көмірге пара-пар.

Нұрғазы Абжанов: Жаңа бір сөзіңізде Алматыдағы ядролық физика институтында зерттеу реакторы бар дедіңіз. Естуімше, сол реакторды қоршап тұратын бір өріс бар екен. Егер ол өріс тоқтап қалса, реактор жарылады және ол реактор өзімен қоса қаланы жарып жібереді екен. Осы қаншалықты рас?

Нұрлан Амангелді: Бұл сыбыс болу керек. Өйткені, реактордың жұмысы ешқандай өріске қатысы жоқ. Ядролық отын – уранға жылулық нейтроны келіп тисе ғана реактор жұмыс істейді, тимесе бұл реактор жұмыс істемейді. Ядролық физика айналасында ондай халықты дүрліктіретін сыбыстар көп.

Әлібек Қисыбай: Осы ретте, бір сұрағым бар. Ядролық сынақ өткен жерді қанша жылдан кейін пайдалануға болады?

Нұрлан Амангелді: Ядролық сынақ болған жерді елу жылға дейін пайдалануға келмейді. Одан кейін арнайы тексеру жүргізіледі. Соның нәтижесінде пайдалануға болады я болмайтыны анықталады.

Әлібек Қисыбай: Қазір қандай жобалармен айналысып жатсыз?

Нұрлан Амангелді: Бұл жер – Ядролық физика институтының Астаналық филиалы. Бұнда бес зертхана жұмыс істейді. Ядролық реакцияларға, тректік мембранаға (трековая мембрана), қатты дене физикасына және т.б. салаларға арналған зертханалар бар. Біз ядролық физика зертханасында жұмыс істейміз. Ядролық реакцияларды зерттейміз. Қазіргі немен айналысып жатсыз дейсіз ғой. Сіздер білетін шығарсыздар, бертін келе ядролық физика астрофизикаға жалғасты. Жұлдыздар қалай пайда болды? Ол қандай элементтерден құралған? Жұлдыздардың жануы қалай болып жатыр? Мысалы, «Күн» жұлдызында гелий төрттің жануы жүріп жатыр. Ол жанып біткен кезде, басқа элементке айналады. Кейбір жұлдыздарда оттегінің жануы, көміртегінің жану процестері болып жатыр дегендей. Біз зертханада осы құбылыстарды зерттейміз. Ол не үшін керек? Ең алдымен, ядролық базалар дерегін көбейту үшін. Одан кейін, бұл эксперименттердің термоядролық реакцияларға және ядролық медицинаға да пайдасы бар.

Әлібек Қисыбай: Ядролық қозғалтқыштарды ғарышта пайдалану қаншалықты мүмкін?

Нұрлан Амангелді: Мүмкін. Сол бағытта жұмыстар жасалып жатыр. Ол өте жақсы жоба. Сіздерге айтайын, ТМД бойынша үлкен жаңалық - «Термояд» деген ауқымды жоба басталды. Оның мақсаты не? Жоғарыда айтып кеткендей, реактордағы уранға 1-2 нейтрон келіп тиеді, олар 1-2 бөлікке бөлінеді. Ол бөліктерден 2-3 нейтрон ұшып шығады да келесі уранға тиеді. Ол тағы 1-2 бөлікке бөлінеді де, 2-3 нейтрон ұшып шығады, сөйтіп тізбектік реакция жүзеге асады. Ал, енді қорғасынды сутегімен атқылаған кезде, одан 31 нейтрон ұшып шығады. Сол 31 нейтрон уранға келіп тиген кезде, ол уранды 2 бөлікке емес, бірнеше бөлікке бөліп, күрделі реакция жүреді. Бұл деген сөз, жоғарыда айтып кеткен проблемалардың бірі қалдық еді ғой, бұл реакциядан қалдық қалмайды. Қазір ТМД ғалымдары осы жобаға ауысты. Қазақстан да сол жобаға кірді, қатысып жатыр.

Әлібек Қисыбай: Яғни, Марсқа жете аламыз дейсіз ғой.

Нұрлан Амангелді: Сіз мына нәрсені ұмытпаңыз. Біз командамен жұмыс істейміз. Біздің ғылыми жетекшіміз бар - Бөртебаев Насрулла аға. Ол кісі Ұлттық ядролық орталықтың Ядролық физика институтының ғылыми істер жөніндегі директорының орынбасары. Ол кісі «келешекте энергия – валюта болады» деп айтқан болатын. Электр энергиясының қолданылу аясы кеңейеді. Сонсоң, ол кісінің мынадай бір жақсы идеясы бар. Шымкентте халық көп шоғырланған. Ол жақта көкөніс жақсы өседі. Мысалы сол көкөністерді сәулелермен стерильдейтін болсақ, ондағы вирустар өледі де, сақталу мерзімі артады.

Нұрғазы Абжанов: Ондай көкөністер ағзаға зиян шығар?

Нұрлан Амангелді: Жоқ, ол көкөністің құрамына еш әсер етпейді.

Әлібек Қисыбай: Бидай шіріп кетпес үшін осы тәсілді қолдануға бола ма?

Нұрлан Амангелді: Ия, әрине.

Әлібек Қисыбай: Бірақ ондай бидай келесі жылы егуге жарамсыз шығар?

Нұрлан Амангелді: Жоқ, жоқ. Бұл қате пікір. Бұл сәулелер вирустарды залалсыздандырып, стерильдейді, бірақ бидайдың құрамына ол ешқандай да әсер бермейді. Негізі, халық арасында, ядролық десе болды үрке қараушылық бар. Осы жерде айта кететін бір жайт, мына жылу электр станциялары атом электр станцияларына қарағанда 2-3 есе емес, 40 есе зиянды. Жылу электр станциясынана шығатын қалдықтар – трансурандық элементтер ауаны қатты ластайды. Осыны халыққа түсіндіру жағы әлсіз. Болашақта, тіпті қазірдің өзінде электр энергиясына деген мұқтаждық 2-3 есеге артып отыр. Қарапайым телефонды зарядтаймыз дегендей. Энергияға сұраныс жылдан жылға көбейе береді. Біз энергияның альтернативті көзі ретінде атом электр станцияларын салуымыз керек. Мысалы, мына Жапонияның өзінде 50 реактор бар. Елу атом электр станциясы бар. Францияда 60-70-тей бар.

Әлібек Қисыбай: Түсінікті. Енді, бізде келген хаттардың бірінде ядролық физиканы оқуда қандай ресурстарды пайдаланасыз деген сауал бар екен. Оқушыдан болу керек

Нұрлан Амангелді: «Ядерная физика в интернете» деген сайт бар. Ол Мәскеу мемлекеттік университетінің жасаған ресурсы. Сол жерде ядролық физикаға байланысты барлық ақпараттар бар. Ал, қазақ тіліндегі кітаптар өте аз. Қазір енді оқырмандар кітаптан гөрі ютюб-ты қарайды, дайын аудио, видео материалдарды пайдаланады ғой.

Әлібек Қисыбай: Уақыт бөліп, сұхбат бергеніңізге рахмет!

Материалды әзірлеген: Қаламқас НҰРМАҚОВА

Қысқа да нұсқа. Жазылыңыз telegram - ға