Личное измерение

Ядерные реакции с нейтронами -
изученные и не очень

Никита Федоров, начальник сектора исследований нейтронно-ядерных взаимодействий ЛНФ, окончил физический факультет МГУ в 2017 году и всего через пять лет защитил кандидатскую диссертацию. О себе рассказывает коротко: "Впервые в ОИЯИ оказался, будучи студентом четвертого курса, - в 2015 году приехал на конференцию ОМУС. Был впечатлен и уровнем организации, и экскурсиями на установки, и, что немаловажно, социальной инфраструктурой. После лекции М.В.Фронтасьевой понял, что хочу связать свое будущее с ОИЯИ и нейтронной физикой. Дальше последовала летняя студенческая программа START, работа в ЛНФ в должности инженера, магистерский диплом, должность младшего, а затем просто научного сотрудника, ну а потом - кандидатская диссертация. Всё - в проекте TANGRA. В 2023 году стал начальником сектора и заместителем руководителя проекта". Однако на тему науки он готов говорить долго и во всех подробностях. Его статья посвящена любимой работе и достижениям коллектива, перспективным исследованиям и значению полученных знаний.

Исследования ядерных реакций с нейтронами - одно из основных направлений работ, ведущихся в ЛНФ. Нейтрон-ядерные реакции относятся к важнейшим источникам данных о структуре ядра, свойствах ядерных сил. Точные данные о вероятностях (сечениях) процессов, происходящих при взаимодействиях нейтронов с ядрами, необходимы для моделирования перспективных ядерных установок, в том числе реакторов нового поколения, а также для увеличения точности существующих методик элементного анализа и разработки новых подходов к определению состава веществ ядерными методами.

Коллектив группы исследований реакций с резонансными и быстрыми нейтронами изучает характеристики детекторов

Изучение ядерных реакций и особенностей нейтронно-ядерных взаимодействий ведется коллективом сектора исследований нейтронно-ядерных взаимодействий (СИНЯВ). Эта тематика более чем обширна, и в ней можно выделить следующие направления:

• изучение свойств нейтронных резонансов, поиск и исследование эффектов нарушения пространственной и временной четности для проверки Стандартной модели;
• всестороннее исследование процесса деления ядер: изучение TRI- и ROT-эффектов в делении, измерение выходов продуктов деления, поиск редких и экзотических мод деления (четверное и пятерное деление, деление на три осколка сравнимой массы);
• исследование индуцированных нейтронами реакций с вылетом заряженных частиц;
• получение данных для ядерной энергетики и астрофизики.

Рассмотрим их чуть более подробно и последовательно.

Эффекты нарушения пространственной (P) и временной (T) четности в рамках Стандартной модели объясняются свойствами слабого взаимодействия. Они проявляются как отдельные особенности реакций или распадов, позволяющие отличить реальность, в которой мы живем от, например, гипотетического мира, являющегося зеркальным отражением нашего (пространственная четность), или мира, в котором время идет в обратном направлении (временная четность). Эти явления обычно исследуются в физике высоких энергий, однако изучение особенностей ядерных реакций для поиска и оценки величин P- и T-нарушений имеет свои преимущества. С одной стороны, в нейтронных резонансах известны механизмы усиления эффектов нарушения P-четности и ожидается наличие аналогичных механизмов для T-четности, что должно упростить постановку эксперимента. С другой стороны, нарушение CP-четности (что по CPT-теореме эквивалентно нарушению T-четности) наблюдалось только в распадах нейтральных K-, B- и D-мезонов, и наблюдение этого эффекта в иных процессах, в частности в ядерных реакциях, будет важным свидетельством универсальности слабого взаимодействия.

Сейчас в ЛНФ ведется активная работа по подготовке к исследованию P- и, потенциально, T-нарушения. Для этого создается специализированная установка на источнике ИРЕН, позволяющая измерять угловые распределения гамма-лучей, испускаемых в резонансном захвате нейтронов, из которых впоследствии можно определить величину P-нарушающих эффектов. В 2023 году были выполнены тестовые измерения с образцами из серебра, бромида калия и ниобия. Полученные результаты будут использованы для отладки методики обработки данных и планирования следующих экспериментов.

Следующим направлением работ является физика деления, наиболее активно исследуются TRI- и ROT-эффекты, а также редкие моды.

Казалось бы, деление ядер, основной источник ядерной энергии, должно быть уже тщательно изучено. Однако в этом процессе еще много белых пятен. В частности, большой интерес представляют характеристики сильно деформированного ядра непосредственно перед его разрывом на фрагменты. Представление о том, что происходит перед разрывом ядра, дают TRI- и ROT-эффекты, определяющие угловые распределения продуктов деления и влияющие на испускаемые ими излучения. Их исследование ранее велось на реакторе FRM II в Мюнхене. Сейчас идет работа по запуску аналогичного эксперимента на реакторе ИБР-2 в ОИЯИ. Особый интерес представляет исследование деления, произошедшего после резонансного захвата нейтрона, так как в этом случае параметры начального состояния хорошо известны. В ближайшем будущем планируется поставить эксперименты по исследованию резонансного деления ²³⁵U, ²⁴¹Am и ²⁴⁵Cm.

Установка для исследования редких мод деления. В центре камеры установлена делящаяся мишень, вокруг нее - четыре детектора Timepix

Редкие моды деления - процессы, в которых помимо двух осколков сравнительно большой массы и мгновенных нейтронов испускаются легкие кластеры: изотопы водорода и гелия, ядра бериллия, углерода, кислорода и другие. Их может быть разное количество. Чем больше частиц рождается в результате деления, тем более редкой является данная мода.

Вылет легких частиц в делении происходит в результате кластеризации нуклонов в ядрах - объединения в устойчивые группы, которые в процессе разрыва на фрагменты делящегося ядра могут образовать отдельное ядро. Изучение таких частиц важно для понимания свойств сильно деформированных состояний тяжелых ядер, а их угловое распределение может быть использовано для оценки скорости вращения ядра перед разрывом (ROT-эффект). Тройное деление - один из процессов, приводящих к наработке трития и гелия в ядерных реакторах, и поэтому данные о вероятности этого процесса востребованы в прикладных целях. Интересная задача - исследование процессов с большой множественностью - четверного и пятерного деления, а также определение происхождения четверных частиц: испускаются ли они непосредственно при разрыве делящегося ядра (истинное четверное деление), или же являются продуктами распада тройной частицы. Современная техника способна дать ответ на этот и многие другие вопросы. В эксперименте по исследованию редких мод деления, ведущимся в ЛНФ в настоящее время, используются позиционно-чувствительные детекторы Timepix, которые позволяют определить точку попадания конкретной частицы в чувствительный объем, идентифицировать ее и измерить энергию. Одним из значимых результатов, полученных при изучении редких мод спонтанного деления ²⁵²Cf в 2023 году, являются выходы тройных и четверных частиц. Сотрудникам нашего сектора удалось успешно отделить события истинного четверного деления и даже идентифицировать распады ⁸Be, происходящие из основного и возбужденного состояний. В будущем планируется поиск пятерного деления - еще более редкой моды, а также исследование вынужденного деления.

Получение ядерных данных - задача, которая вряд ли потеряет свою актуальность в обозримом будущем. Всегда требуется уточнение тех или иных характеристик реакций, исследование ранее не изученных каналов, измерения на редких изотопах. Информация о процессах, происходящих при взаимодействии нейтрона с ядром, важна для тестирования теоретических моделей, расчета параметров новых установок, прогнозирования радиационных повреждений в материалах.

Сборка установки для измерения сечений гамма-излучения

В настоящее время очень востребованы сечения реакций с быстрыми нейтронами, и в ЛНФ ведутся активные работы по их измерению. Процессы, приводящие к образованию заряженных частиц, исследуются в сотрудничестве с Пекинским университетом. Основной результат 2023 года - это измерение сечения реакции ⁶³Cu(n, α)⁶⁰Co, так как медь входит в состав большого количества широко применяемых сплавов, и важно понимать, сколько они смогут прожить под интенсивным нейтронным облучением. С другой стороны, эта реакция может быть использована для мониторирования потока быстрых нейтронов, поскольку продукт реакции ⁶⁰Co является долгоживущим радионуклидом. Для выполнения таких измерений сечение реакции ⁶³Cu(n, α)⁶⁰Co должно быть известно с высокой точностью.

Немного в стороне стоит другой проект по исследованию реакций с быстрыми нейтронами - TANGRA, в котором используется метод меченых нейтронов. Его идея проста: быстрые нейтроны рождаются в реакции слияния дейтерия и трития, продуктами которой являются α и n. Регистрируя альфа-частицу позиционно-чувствительным детектором, можно оценить направление движения соответствующего ей нейтрона, а также получить временную метку его рождения. Энергия получаемых нейтронов составляет примерно 14 МэВ, что приводит к большому разнообразию возможных реакций, в которых образуются возбужденные ядра. Испускаемые ими гамма-кванты несут информацию об особенностях продуктов реакций и их выходах, а также могут быть использованы для идентификации отдельных элементов. Компактность применяемых нейтронных источников и возможность определения координат объема, в котором произошла реакция, делает перспективным развитие методики элементного анализа на быстрых нейтронах с помощью портативных установок. Однако для этого необходимы хорошо известные сечения излучения гамма-квантов и их спектры. Работы по их получению активно ведутся коллективом TANGRA, для чего была создана специализированная установка, включающая в себя лучшие из доступных гамма-детекторов - полупроводниковые из сверхчистого германия и сцинтилляционные на основе LaBr³. В рамках проекта в 2024 году планируется измерить сечения для более чем 20 элементов.

Кадры решают всё

Спектр направлений работ, ведущихся в секторе, очень широк, и не все из них обсуждались в этом обзоре. Для успешного выполнения программы исследований очень желательно привлечение молодых квалифицированных специалистов, знакомых с современными подходами к анализу данных, умеющих и любящих программировать, с хорошим физическим образованием. Вот только... Практика показывает, что их нужно "выращивать" начиная с совсем "зеленых" второкурсников и сопровождая до становления полноценными научными сотрудниками. Стараться, чтобы огонь любознательности и научного интереса не погас в процессе "взросления", а для этого ставить перед ними сложные и полезные задачи. Одним из важнейших направлений своей работы в должности начальника сектора автор этих строк считает именно подготовку молодых кадров. Особые надежды связаны с МГУ и МФТИ, откуда, как правило, приходят наиболее мотивированные и квалифицированные студенты. Естественно, их нужно заинтересовать, объяснить, почему ядерная физика - это перспективная и востребованная отрасль знаний. Возможно, у читателя есть идеи, что рассказать и показать, чем привлечь молодежь в ядерную физику или физику частиц - в таком случае, пожалуйста, свяжитесь с автором.

Светодиод сигнализирует о неисправности детектора. Можно идти домой! (Шутка)

Большая часть работы в науке, как известно, связана с анализом экспериментальных данных, постановкой и планированием эксперимента, сопутствующими расчетами, написанием статей. Однако мы решили сделать один день в неделю "студенческим". Сейчас в проекте TANGRA участвуют шесть будущих исследователей, вносящих свой вклад в общее дело.

Чтобы поток молодых кадров не прекращался, мы начали проводить научно-популярные семинары на физическом факультете МГУ, куда приглашаем ученых из ОИЯИ и НИИЯФ рассказать о своих исследованиях. После лекции студенты могут неформально пообщаться с гостем за чашкой чая и, возможно, начать свой путь в науку. В конце осени и начале весны мы уже традиционно приглашаем заинтересованных учащихся на экскурсии в ОИЯИ, чтобы они смогли лично побывать там, где делается передовая наука.

Иногда меня спрашивают, возможно ли сочетать научные исследования с административной работой. Думаю, ответ должен быть таким: руководящая должность предполагает достаточно большую нагрузку, но и работа более интересна, чем у научного сотрудника, требует активного расширения кругозора, и не только в физике, мотивирует развиваться. Поэтому мой совет тем, кто только начинает свой путь - не бойтесь трудностей и большого объема работ, занимайтесь саморазвитием, эти усилия всегда вознаграждаются.