За кулисами эксперимента по ядерному синтезу стоимостью 200 миллионов долларов

Как ученые и инженеры изготавливают детали для эксперимента по ядерному синтезу в Принстонской лаборатории физики плазмы в Нью-Джерси.

Старший механик Джо Даймонд работает над переходными пластинами из нержавеющей стали, которые будут установлены внутри вакуумной камеры и на центральной стойке. (Эмма Ли/ПОЧЕМУ)

Эта история из The Pulse, еженедельного подкаста о здоровье и науке.

Найдите его в Apple Podcasts, Spotify или где бы вы ни находились.

Машинист Джо Даймонд изготавливал детали для автомобилей, поездов и атомных подводных лодок, но, по его словам, пластина из нержавеющей стали — одна из самых сложных вещей, которые ему приходилось делать.

Он занимается изготовлением деталей машин более 50 лет, а сейчас работает в Принстонской лаборатории физики плазмы. В лаборатории проводятся эксперименты по термоядерному синтезу, который ученые мечтают использовать в качестве источника энергии на Земле уже более полувека. Это то, что происходит в центре Солнца.

По словам Стефана Герхардта, одного из физиков, руководящих проектом, отчасти сложность заключается в проектировании и изготовлении оборудования для тестирования этого на Земле.

«Очень легко спроектировать то, что никто на земле не сможет построить», — сказал он. «Итак, все эти причудливые идеи о физике и проектировании должны быть ограничены тем, что можно сделать с ограниченными деньгами и временем, реальными людьми, с настоящими станками. В моем бизнесе постоянно возникает напряжение при оценке… этого взаимодействия. ... Это одновременно и то, что делает это интересным, и то, что делает это трудным».

Пластина из нержавеющей стали, которую должен изготовить Джо Даймонд, имеет длину около 10 дюймов, толщину полдюйма и имеет форму трапеции. Сложность заключается в том, что пластины имеют коническую форму и не имеют одинаковой толщины на всем протяжении. Алмазу нужно вырезать кусок нержавеющей стали и аккуратно сбрить металл с одного конца, чтобы он оказался под правильным углом.

Чтобы представить себе этот термоядерный эксперимент стоимостью 200 миллионов долларов, представьте себе яблоко высотой 15 футов, сделанное из металла. Когда машина включена, в сердцевине яблока содержится настолько горячий газ, что его температура соответствует температуре в центре Солнца — более 10 миллионов градусов Цельсия. Это превращает газ в совершенно другое состояние материи, называемое плазмой. Солнце использует гравитацию, чтобы удерживать сверхгорячую плазму.

Подпишитесь на «Пульс»

Истории о людях и местах, находящихся в центре здравоохранения и науки.

В эксперименте сердцевина яблока обращена к плазме и облицована плоскими углеродными плитками. Эти плитки могут принять тепло и безопасно вынести его наружу.

Но проблема в том, что лаборатория не может изготовить металлическое яблоко так, чтобы плоские плитки идеально закрывали поверхность сердцевины яблока. Чтобы решить эту проблему, ученые разработали пластины из нержавеющей стали, которые располагаются где-то между сердцевиной яблока и внешней оболочкой и помогают выравнивать углеродные плитки, отклонение которых не может превышать 0,01 дюйма.

Потому что, если углеродные плитки выстроены неправильно, они могут стать слишком горячими, части их могут упасть в плазму, и эксперимент не станет таким горячим, как нужно ученым.

На изготовление стопки из примерно 10 таких пластин из нержавеющей стали ушел почти год, и ученые внесли некоторые изменения, так что это займет больше времени.

Потенциальные последствия неправильного решения могут быть серьезными. Еще в 2016 году лаборатория только что завершила четырехлетнюю программу модернизации, но затем один из магнитов, используемых для удержания сверхгорячей плазмы, вышел из строя. Устройство было отключено на несколько месяцев. Тогдашний директор лаборатории подал в отставку после восьмилетней карьеры. В одной из научных статей это было названо ударом по лаборатории.

Физик Стефан Герхардт сказал, что они работали над тем, чтобы подобная ошибка не повторилась, и повысили свои и без того высокие стандарты на детали.

Например, он сказал, что когда лаборатория попросила компании сделать больше таких магнитов, лаборатория протестировала магниты, разрезав их, чтобы проверить на наличие скрытых дефектов, чего они никогда раньше не делали для прототипирования магнитов. Лаборатория также попросила компании, производящие магниты, убедиться, что у них есть чистое помещение, свободное от пыли и других металлических работ, которые могут загрязнить изготавливаемые магниты.