Осколки нейтронного величия

Москва, 01.03.2010
«Эксперт Северо-Запад» №8 (454)
Валерий Федоров: «То, что у нас есть сейчас, – это „голый“ реактор»

Завершение строительства нейтронного реактора ПИК на территории Петербургского института ядерной физики РАН (ПИЯФ) в Гатчине не вызвало ажиотажа. Между тем само событие отнюдь не рядовое. Хотя бы потому, что из пяти работающих сегодня в России нейтронных реакторов четыре запущены между 1959-м и 1981 годом и только один – в начале 1990-х. Помимо этого, новый реактор – завершение грандиозного долгостроя. Решение о строительстве реактора было принято в 1975 году, первые строительные работы начались через год, а прием реактора от строителей состоялся в конце декабря 2009-го. То есть строили без малого 33 года.

Пока реактор ПИК – прежде всего пусковая установка, которая может выстреливать нейтроны, а также комплекс дополнительных сооружений. Технологический зал накрыт бетонным колпаком, который должен выдерживать падение пассажирского самолета (после Чернобыльской аварии это стандартное требование ко всем новым реакторам).

В настоящее время специалисты ПИЯФ получают лицензию Гостехнадзора на запуск реактора, решают вопрос о возможности ввоза топлива на его территорию. В апреле будет первый пробный запуск. Дальше – два года тестирования на различных режимах, по нарастающей: на сотне вольт, на киловатте и т.д. Выход на проектную мощность – к 2012 году. Предполагается, что тогда ПИК сможет затмить своих собратьев в Европе и США (он будет иметь более плотный поток нейтронов – 4,5 на 1015 нейтронов на 1 кв. см/с). Зачем нам обгонять других и каковы реальные перспективы ПИК, корреспонденту «Эксперта С-З» рассказал директор отделения нейтронных исследований Петербургского института ядерной физики Валерий Федоров.

Дефицитные нейтроны

 – Количество желающих работать на нейтронных реакторах явно превышает имеющиеся возможности. В частности, если взять за пример самый современный в Европе реактор Международного института Лауэ-Ланжевена в Гренобле (Франция), то на некоторых установках количество требующегося ученым времени в пять раз превышает возможности реактора, а в целом удовлетворяется только половина заявок.

Если говорить про Россию, то у нас пучков такой интенсивности нет. Только один реактор современного уровня – импульсный реактор в Дубне. Остальные давно устарели и не позволяют проводить многие исследования, которые проводятся, в частности, в Гренобле. Сегодня российская нейтронная наука держится и сохраняет лидирующие позиции только за счет идей, новых эффектов. На реакторах с малой интенсивностью новые эффекты можно увидеть, но нельзя исследовать – для этого нужны высокопоточные реакторы, такие как ПИК.

– ПИЯФ работал на западных реакторах? Наверное, никто не ожидал, что ПИК будут строить более 30 лет?

– Если быть точным, то первые деньги на строительство ПИК мы получили в 1976 году. Тогда же определили программу нейтронных исследований. Она выполнялась в первую очередь на нашем реакторе ВВР-М (первый реактор ПИЯФ, а также один из первых советских нейтронных реакторов, введенный в эксплуатацию в 1959 году). Были получены выдающиеся результаты, прежде всего потому, что мы в свое время создали и установили на ВВР-М универсальный источник холодных и ультрахолодных нейтронов. Потом, когда был запущен новый реактор в Гренобле и центр исследований в области нейтронной физики переместился туда, наши ученые стали выигрывать конкурсы на проведение работ там. У нас, кстати, сейчас в Гренобле стоят несколько установок.

Для всех и даром

– Не только физики стоят в очереди? Нейтронный реактор – не только для них?

– Есть фундаментальные проблемы физики, а есть прикладные проекты. Вот на ПИК можно будет смонтировать до 50 установок, но для исследований в области фундаментальной физики предполагается лишь несколько установок (для измерения срока жизни нейтронов, гравитационных свойств нейтрона, свойств распада нейтронов и т.д.). Большая часть установок будет работать для изучения не материи, а материалов. Нейтроны обладают очень хорошими свойствами для этого.

Чтобы увидеть атомную структуру вещества, необходимо осветить его светом с длиной волны меньше, чем расстояния между деталями объекта. Для большинства твердых тел это расстояние составляет несколько ангстрем (10-8 см). Такой длиной волны (порядка 1 ангстрема) обладают рентгеновские и гамма-лучи, а также пучки элементарных частиц, нейтронов.

  Фото: архив «Эксперта С-З»
Фото: архив «Эксперта С-З»

При этом у нейтронов есть ряд серьезных преимуществ по сравнению с рентгеновскими лучами. Во-первых, нейтроны обладают меньшей энергией – у них она измеряется миллиэлектронвольтами, тогда как у гамма-лучей энергии порядка 10 килоэлектронвольт; то есть у нейтронов энергии в 10 млн раз меньше. И эта малая энергия сравнима с энергией возбуждения в веществе различных колебаний (эти колебания называются фононы и магноны). То есть с помощью нейтронов можно изучать не только усредненную статическую атомную структуру вещества (что дают рентгеновские лучи), но и динамику возбуждения вещества под действием ударов, тепла и т.д.

Кроме того, нейтрон гораздо глубже проникает в вещество, потому что взаимодействует только с ядрами атомов и не затрагивает электроны. А ядра крайне малы – ядро в 105 меньше оболочки. Если представить ядро как шарик диаметром 1 см, то электроны будут летать на расстоянии 100 м от него. И попасть в ядро нейтрону достаточно сложно. Поэтому, когда с помощью рентгеновского излучения можно исследовать от миллиграмма до десятых грамма вещества, нейтрон позволяет исследовать большие образцы. Например, через кварц нейтрон может пройти, не поглотившись, почти 1,5 м.

Нейтрон «видит» водород, что позволяет использовать его для исследования биологических объектов. Потому что основа органического соединения – углерод, водород и азот. И когда вы просвечиваете организм рентгеновскими лучами, вы видите только кости – тяжелые элементы, а с помощью нейтрона можно видеть и ткани – легкие элементы. Нейтрон позволяет изучать даже структуру образования биологических молекул. Кроме того, можно исследовать магнитные жидкости, фуллерены, фотонные кристаллы и т.д. – все то, что сейчас именуется нано-объектами.

– Если нейтроны всем нужны, то, наверное, возможна и плата за допуск к пучкам? Реактор может материально обеспечить свою же работу?

– Нет, у нейтронных реакторов в этом плане иной принцип работы. Давайте я опишу, по какому принципу на них ведутся исследования. На всех реакторах действуют в целом одинаковые правила: создается некий комитет, обязательно состоящий из ученых разных стран, и подкомитеты по специальностям, например по магнетизму, биологии, фундаментальной физике, материаловедению и пр. К началу сеанса подкомитеты рассматривают поступившие со всего мира проекты и ученые на конкурсной основе решают, кому и когда дать время на пучке.

Есть страны-участницы, которые делают некий взнос на работу реактора, и их представители, конечно, имеют преимущества при вынесении решений, но все равно их проекты соревнуются с другими. Ученый из любой страны может приехать и работать на пучке. Ему придется самому находить деньги на проезд и проживание (странам-участницам некоторые институты, в частности Институт Лауэ-Ланжевена, оплачивали дорогу и проживание ограниченного числа специалистов), но платить за работу на пучке он не будет. Это абсолютно невозможно – это противоречит всем мировым традициям. И наши реакторы работают и будут работать по международным правилам. По такому принципу к нам на ВВР-М приезжают ученые из европейских институтов, а также, например, ученые МАГАТЭ. По такому принципу мы будем отбирать тех, кто будет работать на ПИК.

– Но, очевидно, есть и коммерческие организации, которые заинтересованы в исследованиях на нейтронных реакторах…

– Конечно, есть проекты, инициированные коммерческими структурами. Например, чтобы проверить состояние веществ или сплавов в различных условиях. Но во всех известных мне случаях их вклад в бюджеты реакторов все же невелик. Как живут три крупных европейских нейтронных реактора? Уже упоминавшийся гренобльский реактор имеет постоянный штат 400 сотрудников и финансирование 78 млн евро в год (из которых 15 млн идут на развитие инструментальной базы). Коммерческий вклад у него невелик – порядка 2-3 млн евро.

В Берлине есть среднепоточный реактор при Институте Гана – Мейтнер, на котором работают более 500 человек, – его бюджет 100 млн евро и он живет полностью на государственных деньгах. В Германии еще работает реактор при центре GKSS в Геестхахте, который, как и наш, построен при большом институте со штатом 1,5 тыс. человек (непосредственно на реакторе работают порядка 400). Из известных мне он наиболее промышленный. Они сотрудничают со многими автомобильными фирмами – изучают стрессовые состояния в двигателях. Кроме того, в реакторе GKSS проверяют точечную сварку самолетов компании «Эрбас Индастри», тестируют плоскости крыльев. Тем не менее и здесь коммерческая составляющая очень мала – порядка 5 млн при бюджете 80 млн евро.

3,5 млрд до истинного величия

– В чем сейчас основная проблема – в инструментах, которые необходимы для исследований?

– То, что у нас есть сейчас, – это «голый» реактор. То есть мы готовы, можем пускать нейтроны, но пока нет установок, позволяющих проводить различные исследования на этом потоке нейтронов. На пиковую мощность реактор выйдет к 2012 году, к этому моменту нужно, чтобы стояли инструменты. И речь идет не столько об установках для изучения проблем фундаментальной физики – очень нужны так называемые стандартные приборы, которые используются для исследования свойств материалов. Это спектрометры, которые позволяют исследовать процессы, протекающие с передачей энергии, дифрактометры, которые позволяют «видеть» кристаллическую структуру объекта, то есть расстояния между атомами, параметры кристаллической ячейки. И третий тип – малоугловые инструменты, с помощью которых можно исследовать «большие» частицы, или, как модно сейчас говорить, наноструктуры (в том числе и биологические объекты).

Мы подсчитали, что для модернизации имеющихся на ВВР-М установок и приобретения первой партии из 20 инструментов нам необходимо порядка 3,5 млрд рублей. По международным меркам сумма достаточно скромная. Сейчас подали заявку в правительство на 1,5 млрд рублей – это минимальная сумма, которая необходима в ближайшее время, чтобы смонтировать внутриреакторные элементы установок до запуска реактора. Потом это будет гораздо сложнее сделать.

  Фото: архив «Эксперта С-З»
Фото: архив «Эксперта С-З»

– Есть риск, что реактор будет стоять, если не выделят 3,5 млрд рублей?

– Все не так драматично. У нас есть установки на ВВР-М, которые необходимо лишь модернизировать, есть современные установки, которые сегодня работают на гренобльском реакторе. Их надо только переставить на ПИК. Кроме того, мы сейчас заключаем соглашение с немецкими учеными, работающими на реакторе центра GKSS. Это очень качественный реактор с хорошими инструментами. Но реактор отработал почти 50 лет и теперь закрывается. И они хотят перенести семь своих установок на наш ПИК. Им уже выделили значительный грант на то, чтобы осуществить эту идею. На самом деле разобрать установку и смонтировать ее на новом реакторе – задача непростая.

Но вообще без финансирования нам, конечно, не обойтись. Необходимо, чтобы в ближайшие три года был поставлен минимальный набор инструментов, установлены источники нейтронов. Источники холодных нейтронов мы сами делаем, поставляем их в Швейцарию, Австралию, по нашей разработке холодный источник работает в Лос-Аламосе. Себе сделать пока не можем – нет средств. А сам пуск реактора – уже не проблема.    

Санкт-Петербург

Сердце нейтронного реактора

По своей схеме реактор ПИК классический. Сегодня по аналогичной схеме сконструирован не один реактор, в том числе и знаменитый реактор Международного института Лауэ-Ланжевена. Прообраз этого классического устройства – советский реактор в Димитровграде. Но тот реактор облучательный, то есть с его помощью облучали некий материал, а потом исследовали, к каким изменениям это приведет. ПИК – реактор пучковой: нейтроны в нем просвечивают объекты, то есть как бы играют роль рентгеновских лучей. Ядро, или сердце, реактора на самом деле невелико – это, условно говоря, бак объемом 50 л, где происходит выделение нейтронов. Очень интенсивное выделение: концентрация энергии здесь 100 МВт в 50 литрах – на несколько порядков выше, чем на атомных станциях (хотя энергии там гораздо больше, но и объем велик – у одного реактора несколько кубометров).

Этот интенсивно выделяющий нейтроны бак окружен несколькими кубометрами отражателей, и от них идут каналы, по которым нейтроны поступают на различные установки (до 50 штук). Большая часть пучков ведет в специальный нейтроноводный зал длиной около 100 м, который экранирован от любого внешнего фона. Там тоже предполагаются специальные установки.    

Симметрия и асимметрия

Из 20 установок, которые планируют в ближайшем будущем установить на ПИК, несколько монтируются физиками с особым вниманием. Это установки, на которых предполагается осуществлять программы долгосрочных исследований, – в прямом смысле уникальные, созданные самими специалистами ПИЯФ. Эти сложные, дорогостоящие и уникальные установки будут производить измерение электрических свойств (в частности, обнаружение электрического дипольного момента), времени жизни нейтрона, исследовать гравитационные свойства нейтрона, свойства его распада.

При кажущейся прозаичности эти задачи по степени важности для физиков несильно уступают обнаружению бозона Хиггса (этим занимаются на Большом адронном коллайдере), который необходим для подтверждения так называемой Стандартной модели (описывает все виды взаимодействия элементарных частиц). Вышеназванные исследования нейтрона изучают ни много ни мало фундаментальные нарушения законов симметрии. Долгое время ученые были уверены, что на уровне элементарных частиц физическая картина мира подчиняется законам симметрии (тем более что в макромире эти законы работают). Но оказалось, что левых элементарных частиц больше (к этому пришли в начале 70-х годов прошлого века). Одним из нарушителей теории симметрии является нейтрон – когда свободный нейтрон распадается, электроны вылетают из него не во все стороны, а только туда, куда «указывает» вектор «вращения» нейтрона.

И вполне возможно, что, изучая свойства нейтрона, петербургские физики смогут приблизиться к ответу на вопрос, почему во Вселенной барионов (тяжелых частиц, к которым относятся и протон, и нейтрон) больше, чем антибарионов. Ведь известно, что все наблюдаемое сегодня вещество – это примерно одна миллиардная часть барионной материи, существовавшей на ранних стадиях Большого взрыва. В первые секунды после Большого взрыва во Вселенной барионы и антибарионы образовывались почти в равных количествах, но барионов по каким-то причинам было чуть больше. И когда антибарионы и барионы попарно аннигилировали, эти «миллиард первые» барионы и создали Вселенную.

У партнеров

    «Эксперт Северо-Запад»
    №8 (454) 1 марта 2010
    Фармацевтический кластер
    Содержание:
    Повеяло лекарством

    Петербург наряду с другими российскими регионами заявил о создании фармацевтического кластера. Эксперты считают, что у Северной столицы не возникнет сложностей с привлечением инвесторов

    Реклама