На сессиях ПКК

Обуздать и запрячь тигра

С докладом "Высокопоточный импульсный источник нейтронов ОИЯИ в 20-летней перспективе" на 47-й сессии Программно-консультативного комитета по физике конденсированных сред выступил научный руководитель ЛНФ В.Л.Аксенов. Я попросила Виктора Лазаревича дать оценку реакции экспертов комитета на свое выступление.

После доклада возникла довольно обширная дискуссия по широкому кругу вопросов. Это уже третье официальное обсуждение на ПКК, и видно, что со временем приходит понимание идеи и возникают уточняющие вопросы. Большую роль играет то, что дирекция создала комиссию по стратегическому развитию Института, поэтому интерес к такого рода проектам имеет гораздо более широкий смысл, когда объявлен, условно говоря, конкурс на крупные проекты развития на перспективу на 20-30 лет. Поэтому, естественно, каждое предложение будет обсуждаться детальнее и строже.

Мне было приятно, что наша идея, в конце концов, оформилась в виде концепции нового источника и нашла полное понимание. Это любопытный факт, подтверждающий известное утверждение, что правильное решение должно быть красивым. Покажу эволюцию наших предложений. Первый мой доклад год назад содержал два предложения. Евгений Павлович Шабалин предложил реактор оригинальной конструкции, он твердо стоял на позиции - только реактор и ничего другого. Второй вариант, предложенный Ю. Н. Пепелышевым, - двухкаскадная размножающая система на протонном ускорителе, очень интересная, оригинальная идея, давно развивающаяся в Арзамасе и использующаяся для специальных задач. Наша идея была, как говорят, обуздать тигра и запрячь его в коляску с фундаментальными исследованиями.

Наши предложения эволюционировали, и в чем привлекательность последнего варианта, который был предложен Е.П.Шабалиным? Это очень просто сформулировать, особенно для ОИЯИ, - мы вернулись назад, к идее Дмитрия Ивановича Блохинцева о первом импульсном реакторе. Что он представлял собой? Это активная зона из плутония, которая была разделена на две части и раздвинута. Тем самым она становилась подкритической, то есть в ней не происходила цепная реакция непрерывным образом. А для того, чтобы вызвать цепную реакцию, между двумя половинками вращалось стальное колесо с урановым вкладышем. Этот дополнительный делящийся вкладыш и вызывал нейтронный импульс. В 1960 году был построен реактор на таком принципе. А дальше - его параметры не очень удовлетворяли ядерную физику, и был выбран вариант бустера, в котором система "поджигалась" ускорителем. На первом этапе это был микротрон, созданный в Институте физпроблем у П.Л.Капицы, а потом линейный электронный ускоритель. Бустер ИБР-30 работал в Дубне с 1964 года до 2000-го, то есть у нас есть солидный опыт.

Сегодня уже понятно, что на десятилетия вперед реакторы строиться не будут. Тут есть много причин. Очевидно, что если говорить о новом источнике нейтронов, то это должен быть ускоритель. Такие источники нейтронов успешно развиваются, это так называемые spallation или испарительные источники, где используются ускорители протонов и реакция "испарения" нейтронов из тяжелого ядра. Трудность здесь в том, что ускоритель должен быть мощным, и самый мощный ускоритель, который сейчас создается для нейтронного источника, это Европейский испарительный источник (ESS) в Швеции. Современные ускорители - сложные устройства, источники нейтронов на протонных ускорителях запускаются годами, и существуют проблемы стабильности работы. Поэтому наша базовая идея состоит в использовании протонного ускорителя средних параметров: энергия ускоренных протонов 1,2-1,3 ГэВ, средний ток 0,1 мА. А чтобы компенсировать недостаток мощности ускорителя, мы создаем размножающую систему, которая дает умножение нейтронов при необходимых параметрах в десятки раз.

Если говорить о параметрах источника, то они существенно улучшаются, речь идет о длительности импульса, если сюда еще добавить механическую модуляцию реактивности. В конструкции мы, по существу, возвращаемся к проекту ИБР-30: линейный ускоритель, подкритическая сборка, в которой механическим образом производится модуляция реактивности. Такая система называется супербустером. Теперь о размножающем материале. Если думать о безопасности, то возникает желание отойти от материалов, задействованных в вооружении, и такой материал есть, он называется нептуний. Свойства нептуния хорошо изучены. Оказалось, что свойства его деления исключительно подходят именно для источника нейтронов для фундаментальных исследований. И, более того, в случае нептуния в механическом модуляторе реактивности можно обойтись вообще без делящегося материала. Таким образом, окончательная конструкция такая: ускоритель протонов с умеренными параметрами, подкритическая сборка из нептуния, а в колесе из гидрида циркония, модулирующем реактивность, вместо урана - пустота (!), вырезанная часть колеса. Мы провели все расчеты, и оказалось, что такой источник нейтронов по всем параметрам будет больше, чем в десять раз, превосходить параметры существующих источников, в том числе ИБР-2. Если смотреть на 20-30 лет вперед, то этот источник должен быть передовой по интенсивности. Он будет очень выгоден по длительности импульса: подойдет для большинства структурных исследований, длительность импульса будет в 200 мксек, примерно, как на ИБР-2, и в то же время будет возможность сделать короткий импульс в 20 мксек, как на обычных spallation-источниках. Таким образом, он получится более универсальным, чем любой существующий нейтронный источник. В то же время конструкция нового источника соответствует всем нормам безопасности с большим запасом.

Было очень приятно, что члены ПКК всё поняли, и это подтверждение того, что, по всей видимости, найдено правильное решение. Ну а дальше начались обычные вопросы более широкого плана, которые всегда полезны, - зачем вообще нужны нейтроны, в чем их преимущество перед рентгеновским излучением, сравнение с другими источниками, возможна ли конкуренция с реактором ПИК. Относительно последнего, ответ очевиден. У нас организация международная, и если говорить в международном плане, то необходимость в источниках нейтронов давно обсуждается, они необходимы, и тут вопросов нет. Если говорить о России как о ядерной державе, и это существенный сегмент экономики, и мы хотим развиваться дальше, то одного реактора ПИК явно не достаточно. Нужен комплементарный, дополняющий источник такого же класса. А если сравнивать по физическим параметрам, то мы получим два взаимодополняющих источника - один непрерывного действия, второй импульсный, и в этом смысле будет обеспечен полный комплекс исследований и для России, и для всех стран-участниц.

Что касается научной программы, то она в основном определена. Если год назад я задал вектор на биологию, живые системы и так далее, и это для ПКК, который привык больше слушать про физику твердого тела, было непривычно, то сейчас проблемы биофизики, биологии стали ближе, привычнее. Но существенно то, что этот источник проектируется не только для исследований конденсированных сред. Сегодня ИБР-2 используется практически полностью для исследований конденсированного вещества, потому что его параметры не обеспечивают необходимых условий для решения ядерных задач. При проектировании нового источника мы ориентируемся на то, чтобы научная программа включала ядерную физику, фундаментальные взаимодействия, и для этого есть все основания. Если плотность нейтронного потока будет повышена на порядок, хотя бы на порядок, то этого вполне достаточно, чтобы вести полноценную научную программу в этих направлениях. Назову два перспективных, с моей точки зрения: исследования нейтронно-избыточных ядер - очень интересная область ядерной физики, и еще важно то, что эта тематика развивается в ЛЯР. Это означает, что в ОИЯИ может сформироваться комплексный подход с использованием нейтронов и ускорителей ионов. Второе направление - ультрахолодные нейтроны. Мы обязаны за ними следить, поскольку они были открыты в Дубне. Это наше направление, в котором были достигнуты выдающиеся результаты. Если кратко характеризовать научную программу, то примерно две трети пучкового времени - это исследования конденсированного вещества с большей ориентацией на биологию и мягкие материалы, и до 30 процентов, а может быть, и больше - физика атомного ядра, физика фундаментальных взаимодействий.

Так что за прошедший год произошли большие изменения в мнении экспертов ПКК, сейчас они выражают полную поддержку, намечен конкретный график дальнейших действий. Мы переходим с лабораторного уровня на институтский уровень комиссии по стратегическому развитию, в которой будет создана отдельная международная группа по новому источнику.

Материалы подготовила Ольга ТАРАНТИНА,
фото Игоря ЛАПЕНКО