Как нейтрон исследует себя и мир?

Благодаря национальному проекту «Наука и университеты» в России создаются установки класса «мегасайенс», которые являются уникальными инструментами для проведения самых передовых научных исследований. Одна из них — крупнейший в мире источник нейтронов ПИК, второй этап энергетического пуска которого состоялся в феврале 2022 года. Как развивалась его история, когда реактор начнет свою работу и на что будет способен уже в ближайшие годы — рассказывает заместитель директора по научной работе НИЦ «Курчатовский институт» — ПИЯФ, доктор физико-математических наук Владимир Воронин.

ПИК — это реактор исследовательский. Его задача не производство электроэнергии. Какие научные задачи он решает?

Действительно, реактор ПИК предназначен совсем для другого — для производства излучения, которое рождается в процессе деления ядра урана — его нейтронов, которые в дальнейшем используются для разного рода экспериментов. Исходя из этой цели, конструкция реактора совершенно другая, чем на энергетических реакторах. Кстати, очень часто задают вопрос: «Зачем строят специальные реакторы? Возьмите энергетические — на них тоже происходит та же самая реакция и получаются те же самые нейтроны». На самом же деле использовать другие реакторы для целей наших исследований невозможно, потому что важны не просто нейтроны, а плотность потока нейтронов или количество нейтронов в единице объема (как много их сконцентрировано в единицу объема, или как много их вылетает на единицу площади). Конструкция реактора ПИК имеет малую активную зону и не очень большую мощность. В этом смысле, немного забегая вперед, хочется отметить, что его безопасность и потенциальный вред для окружающей среды во много раз меньше, чем у любого энергетического реактора. Это возможно за счет маленькой активной зоны, небольшого количества делящегося вещества и невысокой мощности в пределах 100 мегаватт, в то время как тепловые мощности таких станций, которые используют для производства электроэнергии, составляют несколько гигаватт, что в десятки раз больше, чем у ПИК.

Однако, именно за счет компактной активной зоны реактора (около 50 литров), концентрация нейтронов в единице объема в реакторе ПИК почти на два порядка выше, чем на энергетических реакторах. Данная величина — количество нейтронов на единицу площади (сколько нейтронов вылетает на единицу площади — ред.), — является ключевой для таких источников нейтронов, и поэтому они называются высокопоточными из-за рекордной, намного большей плотности потока нейтрнов, чем в энергетических реакторах. Это необходимо, чтобы он мог выполнять свои функции — быть источником нейтронов.

Таким образом, основная цель реактора ПИК — быть источником нейтронов, которые используются для разного рода экспериментов. Если коротко, нейтрон — это уникальная частица, позволяющая, с одной стороны, исследовать саму себя и фундаментальные взаимодействия — то, как устроен наш мир. Изучая свойства нейтронов, мы можем говорить о характеристиках этих взаимодействий и со временем найти ответ на вопрос, как эволюционирует Вселенная, откуда появилась и куда движется на следующих этапах своего развития. Это происходит, если мы изучаем свойства нейтрона как элементарной частицы. С другой стороны — как излучение, нейтрон позволяет исследовать свойства материалов. Если направить его на какой-либо материал, на основе особенностей рассеяния нейтрона этим материалом (например, отражается ли он от атомов — ред.), можно получить информацию о внутренней структуре данного материала. сегодня существует не так много способов получить информацию об этой внутренней структурой — каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. В этом смысле нейтрон в некоторых экспериментах и методах уникален, так как с помощью альтернативных методов, например, рентгеновского излучения невозможно получить некоторую информацию о структуре вещества. Именно поэтому строятся столь мощные источники нейтронов, одним из которых является реактор ПИК.

Кто из научных организаций уже является пользователем ПИК? И насколько сильно сегодня развиты международные коллаборации?

Здесь необходимо небольшое предисловие. Создание и эксплуатация таких мощнейших источников нейтронов весьма затратны. Высокая плотность потока нейтронов, про которую я говорил, отвечая на предыдущий вопрос, позволяет производить на нем одновременно очень много экспериментов. Для того, чтобы реактор ПИК использовался на полную с максимальной загрузкой, вокруг него создается много экспериментальных установок, на которых возможно проводить исследования одновременно — в нашем случае до 30 таких экспериментов за счет высокого потока нейтронов, которые вылетают из реактора. На данный момент планируется проведение порядка 500-1000 экспериментов в год. Безусловно, каждый из таких экспериментов — это определенная научная задача, которую кто-то придумал, просчитал, как реализовать и поставить эксперимент, на какой установке... Как правило — это целая научная группа, которая занимается проведением исследований. В данном случае ПИК имеет возможность быть полезным для больших научных коллективов — речь здесь не только об одном институте, но даже не об одной стране.

Сегодня существует пользовательская программа, которая позволяет привлекать ученых для проведения научных экспериментов на этих установках. В реализации этой программы участвуют несколько институтов и даже стран, поэтому обычно вокруг такого источника нейтронов формируется специальный центр исследований. В нашем случае создан международный центр нейтронных исследований на базе реактора ПИК. пока реактор еще не работает на полную мощность, в него, кроме НИЦ Курчатовский институт-ПИЯФ, входит не очень много организаций. Это Курчатовский институт (центральная головная организация), Национальная академия наук Беларуси и Институт ядерной физики Академии наук Республики Узбекистан. Расширение планируется, в том числе, за счет российских и иностранных пользователей. Безусловно, первоначально планировалось привлекать к работе и европейских коллег, так как существовал серьезный взаимный интерес, связанный с закрытием в Европе подобных центров (например, в ближайшие пять-семь лет планируется закрытие одного из самых крупных нейтронных исследовательских центров в мире — в Институт Лауэ-Ланжевена в Гренобле). Конечно, наш ПИК мог бы своевременно подхватить эту эстафету.

Естественно, у каждого источника есть свои достоинства и недостатки. Реактор — это источник непрерывного действия, из него нейтроны летят всегда. Существуют источники другого типа, так называемые «Спаллейшн» (Spallation source), они основаны на использовании ускорителей — они импульсные, то есть в них нейтроный поток прерывистый во времени с определенной скважностью (отношение периода следования (повторения) импульсов к длительности импульса — ред.). для разных задач и экспериментов нужны разные источники, кому-то непрерывный, кому-то импульсный, поэтому разные источники комплементарны, они взаимодополняемые: там источник импульсный и мощный, а здесь — непрерывный и мощный. И ученый со своим экспериментом едет в определенное место в зависимости от того, какой необходимо провести эксперимент, какой пучок для проведения исследования нужен и так далее.

Получается, даже несмотря на реорганизацию европейских установок класса «мегасайенс», наши источники не «старые», а просто другие — для решения других задач?

Верно, они просто другие. Сделаю отдельный акцент на том, что у всех есть свои достоинства и недостатки. Конечно, в Европе сейчас есть некоторый «перегиб», с моей точки зрения, из-за некого страха использования атомных станций (в том числе исследовательских), которые сегодня там закрываются или преобразовываются в другого типа установки, особенно в Германии. Это довольно странная тенденция. На мой взгляд, она не очень правильная, но это уже другой вопрос.

Будем следить за развитием событий. Однако давайте вернемся вновь к ПИК. Это один из самых известных научных «долгостроев» — от начала в СССР его строительства до момента запуска установки прошло около 45 лет. Чем ПИК образца 2021 года отличается от проекта, который начали реализовывать в 1976 году?

Вы правы, это один из долгоиграющих проектов. По драматичной истории его создания можно изучать историю нашего государства со всеми взлетами и падениями, увеличением финансирования и падением его обратно. По своему принципиальному конструктиву установка не сильно отличается от того, что было предложено 40-45 лет назад, так как за это время значительный прогресс в развитии ядерных технологий такого типа не произошел. Здорово поменялась сама конструкция с точки зрения периферийных систем: например, инфраструктура нейтронных экспериментов и тех экспериментальных установок, которые создаются сегодня, технические детали с точки зрения нейтронных методов, подходы к безопасности использования атомной энергии — здесь, конечно, прогресс довольно серьезный. Принципиальное изменение конструкции реактора произошло после аварии на Чернобыльской АЭС. Несмотря на то, что это совсем другой реактор, чем в Чернобыле, принципиально другая конструкция, ужесточение требований привело к переработке проекта — порядка 70%, наверное. С точки зрения защищенности от чрезвычайных ситуаций были внедрены дополнительные системы, которые обеспечивают более безопасную эксплуатацию ПИК — здесь были внесены достаточно сильные изменения. С точки же зрения физики работы в целом ничего серьезно не поменялось.

Возможно, даже хорошо, что развитие и создание реактора продолжается без принципиальных смысловых изменений именно с точки зрения его работы и механики экспериментов, которые научные группы в перспективе будут проводить с его помощью. А чем же нынешний ПИК отличается от исследовательских реакторов в других научных центрах мира?

Можно сказать так: принципиально наш ПИК отличается тем, что является самой мощной установкой в своем роде. В нем будут получены рекордные потоки нейтронов. Еще тогда, около 45 лет назад был заложен такой конструктив реактора, который позволил бы достичь высоких мощностей, которых другим исследовательским установкам достичь не удается, к сожалению или к счастью. Так как основное предназначение реактора ПИК, как я уже говорил, это создание нейтронных пучков и высоких плотностей нейтронных потоков, с точки зрения этого параметра он является рекордным, единственным в мире. Данное отличие важно, потому что такая характеристика является принципиальной для подобных установок класса «мегасайенс».

Если говорить именно про исследовательские реакторы, которые предназначены для проведения экспериментов на выведенных пучках, для чего также предназначен реактор ПИК, — в первоначальном проекте заложено очень большое число выведенных пучков, то есть количество одновременно проводимых экспериментов (можно проводить одновременно до 30, а в перспективе и до 50 экспериментов одновременно). Это тоже, конечно, существенно важная характеристика, позволяющая наиболее полно использовать возможности реактора.

Наверное, это два наиболее значимых отличия ПИК. Таких результатов мы смогли добиться в том числе благодаря национальному проекту «Наука и университеты». Сегодня многие реакторы пытаются делать универсальными, но любая универсальность становится несколько ущербной для каждого из компонентов. Получается, объясняя на пальцах, неэффективно пытаться сделать все одновременно в одной кастрюле, — эта кастрюля кашу варит плохо, долго, а суп уже вскипел. Не очень удобно. Именно поэтому реактор ПИК, собственно, предназначен для проведения экспериментов на выведенных пучках нейтронов снаружи, и количество этих одновременных экспериментов в нем наибольшее.

Действительно, впечатляет. Но у любого человека бывают как положительные, так и отрицательные эмоции. Например, к сожалению, в массовом сознании ядерный реактор ассоциируется с чем-то страшным и ужасно опасным. Насколько, на ваш взгляд, безопасен ПИК для обычных людей, которые проживают в населенных пунктах недалеко от него и для ученых, работающих на нем. Можете ли вы как-то развеять этот миф или, наоборот, подтвердить распространенные опасения?

В первую очередь страх и чувство опасности возникают по причине незнания некоторых принципиальных моментов, если кто-то плохо учил физику в школе. Эмоциональная оценка таких людей и причины появления мифа в целом обычно основаны на слухах, на непонимании принципов работы реактора.

Приведу в пример ту же Гатчину, которая находится рядом с нашим институтом. Люди давно живут здесь, ничего никогда не происходило, никаких проблем не было. Тем не менее, все равно у многих людей присутствует радиофобия — они относятся настороженно. Но именно бояться реактора не стоит.

Да, многие обеспокоены безопасностью таких установок и нынешней в том числе, но они конструируются безопасным образом, при котором там не может произойти, никаких неконтролируемых процессов. Например, неконтролируемая ядерная реакция в принципе не может случиться, потому что коэффициент реактивности установок отрицательный, то есть, любое внешнее вмешательство гасит реактор. А в случае подозрения на какой-либо инцидент происходит следующее: все «гаснет», установка отключается.

Кроме того, если говорить конкретно про реактор ПИК — это реактор водо-водяного типа, где обычная вода используется для отвода тепла, а тяжелая вода — с дейтерием — для замедления ядерной реакции. Его активная зона довольно мала, количество делящихся материалов и самих радиоактивных элементов, которые там образуются, радиоактивных загрязнений там в 1000 раз меньше, чем, допустим, в любом энергетическом реакторе. И в данном случае есть возможность это локализовать, так как при любом инциденте (за исключением, может быть, падения крупного метеорита, который уничтожит все, — и, на самом деле, такой вариант даже рассматривался как одна из за аварий и анализировались ее последствия), вода сливается вниз в огромные резервуары и реактор отключается. Ничего не может выйти за пределы герметичной оболочки реактора. Так устроен и ПИК, и любая другая установка класса «мегасайенс».

Есть, конечно, и многоступенчатая система безопасности — не только техническая, но и физическая для предотвращения воздействия третьих лиц со злым умыслом. Она контролирует в том числе и людей, которые участвуют в работе. Кроме этого, самолетам запретили летать над ПИК, есть риск его падения на реактор, поэтому трассы прокладываются в облет нашей точки на карте. Тем не менее, даже если вдруг потенциально случится крушение, конструкция реактора все равно его выдержит. Но так как воздушные трассы над ПИК не проходят, у нас только один риск — падение крупного космического тела, вред от падения которого многократно превысит последствия от разрушение самого реактора

Насколько долго планируется эксплуатация реактора, и как он будет развиваться в будущем? Можете ли вы немного рассказать про планирующиеся научные станции, повышения мощностей и прочие атрибуты его дальнейшей деятельности. Будет ли жизнь после ПИК — планируются ли реакторы следующего поколения?

Меня радует такой горизонт планирования. Что будет за пределами ПИК — я пока так далеко не загадываю. Для начала было бы здорово его довести до полноценной эксплуатации и начать полномасштабные эксперименты.

Скажу два слова про сам реактор. Срок его эксплуатации рассчитан минимум на 30 лет с возможностью продления. В процессе эксплуатации отслеживаются поведение, например, того же бака, корпуса и других элементов реактора. В частности, у ПИК предполагается сменный корпус, который возможно будет заменить, тем самым продлив срок его эксплуатации.

Думаю, в будущем также появятся новые нейтронные и синхротронные эксперименты, а также новые методики их проведения. В таком случае, понятно, что будет совершенствоваться и оборудование. Даже сегодня, по прошествии многих лет со старта проекта мы ставим совсем другое оборудование, чем то, которое первоначально планировалось: например, оно уже позволяет вывести приблизительно в 10 раз больше нейтронов за счет усовершенствования отдельных элементов — в данном случае, систем вывода пучков, а не самого реактора. По истечению срока эксплуатации, составляющие реактора будут демонтированы и заменены на новые, которые, вероятно, будут выводить еще больше нейтронов и давать лучшие возможности для экспериментов. Это нормальная, обычная научная жизнь.

В рамках ПИК создается 25 экспериментальных станций разной направленности. Каждая из них будет решать свою конкретную задачу. Некоторые из них будут исследовать, например, свойства самого нейтрона — который является нестабильной частицей, и в свободном состояния распадается на протон, электрон и антинейтрино примерно за 900 секунд. Без компании она не живет — она только в ядре живет бесконечно, а в свободном состоянии она распадается. Исследование свойств распада нейтрона позволяет получить информацию о фундаментальных взаимодействиях. Этому будут способствовать некоторые экспериментальные установки по исследованию процесса распада нейтрона различными методами.

Кроме этого, будет большое количество установок, связанных с использованием нейтрона именно для исследований материалов с помощью нейтронов — это в рамках программы по обновлению приборной базы ведущих научных организаций нацпроекта «Наука и университеты», — планируется создать ряд экспериментальных установок по изучению с помощью нейтронов различных материалов, их структуры, веществ, каждая из которых будет решать те или иные задачи. идеология приборной базы, которая у нас сейчас заложена в этом проекте, заключается в предложении пользователям нейтронных пучков все возможности, которые нейтрон может дать для эксперимента. ПИК должен покрыть огромное поле интересов ученых, связанных с тем, для чего нейтрон может быть применен, поэтому каждая его установка уникальна и решает отдельный, вполне определенный пул задач.

Давайте перейдем к практике. Например, ситуация — если научная группа хочет воспользоваться возможностями реактора ПИК, какова для нее последовательность дальнейший действий? От первого до последнего шага. Что необходимо сделать для начала работы?

Во-первых, было бы хорошо, если бы научная организация, вступила в наш Международный центр нейтронных исследований. Это, как минимум, даст ей возможность быть в курсе всех задач, проблем и вопросов реактора.

Для конкретного пользователя и конкретной научной группы, которые хотят провести собственные эксперименты на ПИК, планируется к реализации так называемая стандартная пользовательская система. Это система подачи заявок, то есть — научная группа определяется, на какую экспериментальную установку, на какие экспериментальные параметры, на какой период времени или интервал пускового времени она претендует, и подает заявку.

Далее экспертная комиссия рассматривает ценность этой научной задачи и соответствия времени, которое требуется на ее решение. Если все хорошо и научный эксперимент уникален и интересен современной физике, экспертная комиссия выносит положительное решение. Научные задачи, прошедшие экспертную комиссию, формируются в виде последовательности действий на той экспериментальной установке, на которую они поданы и располагаются в зависимости от времени, срока эксплуатации, от того, как будет реактор работать. Научная группа информируется о том, что заявка принята, и в назначенное определенное время можно провести запланированные исследования. Команда ученых привозит свой образец, ставит на установку, группа обслуживания прибора совместно с пользователем проводят измерения, они забирают результаты, которые идут благополучно обрабатывать, и в теории — в итоге получают за открытие Нобелевскую премию. Все просто. Пользовательская политика разработана для того, чтобы был поток экспериментов, потому что подобные установки (и ПИК в том числе) предполагают такую систему.

Подготовила Екатерина Вронская