Наука - практике

В конце прошлого года на нуклотроне ЛВЭ был проведен эксперимент, подготовленный учеными лабораторий нашего Института, ряда университетов и институтов стран-участниц ОИЯИ и других стран. На установке "Энергия плюс трансмутация", созданной в ЛВЭ в 1998-1999 годах, изучаются физические основы электроядерного способа получения энергии и трансмутации высокотоксичных радиоактивных отходов атомных энергетических реакторов и отраслей промышленности, использующих ядерные технологии (экологический аспект).

Электроядерная тематика традиционно занимала важное место в планах научно-исследовательских работ нашего Института. В Лаборатории ядерных проблем на синхроциклотроне (В.И.Гольданский, Р.Г.Васильков с сотрудниками) и Лаборатории высоких энергии на синхрофазотроне (К.Д.Толстов и другие) проводились эксперименты по изучению размножения нейтронов в протяженных мишенях из свинца и урана, а также разработка ускорителей промежуточных энергий для изучения электроядерного способа получения энергии и компьютерное моделирование электроядерных процессов.

Перспективы развития ядерной энергетики тесно связаны с ее экономической конкурентоспособностью и экологической безопасностью, включая утилизацию большого количества отработанного ядерного топлива. Среди нескольких подходов выделяется концепция создания гибридных электроядерных систем. Она объединяет протонный ускоритель высоких энергий, большую мишень из тяжелых элементов (вольфрам, ртуть, свинец, висмут) для генерации интенсивных нейтронных потоков и окружающий эту мишень бланкет из делящегося вещества (торий, уран, плутоний или их композиции). В качестве бланкета предлагаются различные варианты безопасных подкритических ядерных реакторов.

По инициативе нобелевского лауреата К.Руббиа в 1993 году был возобновлен интерес к электроядерной тематике. Под эгидой ЦЕРН коллаборацией европейских университетов и институтов ведется разработка и реализация программы, получившей название "Усилитель энергии". Кроме ЦЕРН различные аспекты проблемы создания таких электроядерных систем активно исследуются в Институте атомной энергии (Япония), в лабораториях Лос-Аламоса и Брукхейвена (США), Институте ядерной физики имени П.Шерера (Виллиген, Швейцария) и других зарубежных центрах, а также в ряде научно-исследовательских институтов России: ИЯИ (Троицк), ИТЭФ (Москва), ВНИИЭФ (Саров, ранее Арзамас-16), ПИЯФ имени Б.П.Константинова (Гатчина), ИФВЭ (Серпухов), ФЭИ имени А.И.Лейпунского (Обнинск), Радиевый институт имени В.Г.Хлопина (Санкт-Петербург) и других.

На нуклотроне продолжаются исследования по электроядерной тематике, начатые около тридцати лет назад на релятивистских пучках синхрофазотрона. 30 ноября 2005 года впервые на пучке дейтронов с энергией 1,26 ГэВ на нуклон был выполнен эксперимент по программе коллаборации "Энергия плюс трансмутация". Интерес к пучку дейтронов объясняется возможностью сопоставления данных по нейтронным спектрам в уран-свинцовой сборке нашей установки и свинцовом блоке 50х50х80 куб.см, облучавшемся группой профессора К.Д.Толстова на дейтронных пучках синхрофазотрона, а также для тестирования компьютерных программ, используемых для расчетов физических характеристик и параметров электроядерных процессов и установок.

Основная цель этого эксперимента - изучение энерговыделения и энергозатрат на генерацию одного нейтрона. Физиков интересуют при этом размножение, баланс и спектр нейтронов в бланкете из естественного урана, формирование и распад радиоактивных продуктов, образующихся в свинцовой мишени и урановом бланкете, а также получение информации для оценок коэффициента усиления мощности и данных, необходимых для оптимизации параметров электроядерных установок и тестирования кодов компьютерного моделирования ядерно-физических процессов. Для измерения эволюционных характеристик спектров нейтронов и профиля дейтронного пучка, который облучает уран-свинцовую сборку, были применены комплекты детекторов, выполняющих активационную и трековую томографию как в объеме, так и на поверхности свинцовой мишени (диаметр 8,4 см и длина 48 см) и бланкета из естественного урана, имеющего массу 206,4 кг.

В этом эксперименте в поле электроядерных нейтронов экспонировались образцы из долгоживущих радиоактивных изотопов (йод-129, нептуний-237, плутоний-238 и плутоний-239), образующиеся в больших количествах в процессе длительной эксплуатации атомных энергетических реакторов и накапливающиеся в виде высокотоксичных отходов отраслей промышленности, которые используют ядерные технологии. Образцы были приготовлены по заказу Лаборатории высоких энергий ОИЯИ по уникальным методикам, разработанным специалистами ФЭИ имени А.И.Лейпунского (Обнинск), ВНИИ неорганических материалов имени А.А.Бочвара (Москва) и НПО "Маяк" (Озерск, Челябинская область). Эти работы были начаты нами в 1996 году на протонных пучках синхрофазотрона при активной поддержке научного руководителя ЛВЭ академика А.М.Балдина и директора ЛВЭ профессора А.И.Малахова.

В ОИЯИ сформированы коллективы высококвалифицированных специалистов. Важным обстоятельством является возрастающая в последние годы заинтересованность университетов, научных институтов и лабораторий стран-участниц ОИЯИ и других стран этой перспективной научной программой и готовность оказывать интеллектуальную и финансовую поддержку в ее реализации.

Заинтересованную поддержку исследованиям по электроядерной тематике оказывали академики В.И.Субботин (Институт прикладной математики РАН, Москва) и Г.А.Филиппов (ВНИПКИ "Атомэнергомаш", Москва). Теоретиками ИПМ (А.В.Воронков и другие) было выполнено компьютерное моделирование теплофизических параметров электроядерной установки, облучаемой протонным пучком, а физики и инженеры (профессор С.П.Казновский, В.Ф.Мищенков, Ю.Л.Шаповалов, Б.И.Фонарев и другие) сделали чертежи металлической конструкции для размещения свинцовой мишени и стержней из естественного урана и выполнили термометрию большого свинцового блока и уран-свинцовой сборки.

В подготовке научной программы и оснащении так называемого калориметра деления урана, включающего комплекты активационных и твердотельных трековых детекторов, ядерных эмульсий и термометрических датчиков, а также в проведении экспериментов принимали активное участие физики из институтов и университетов Чехии, Польши, Украины, России, Белоруссии, Греции, Германии, Индии, Сербии и Черногории, а также из ЛВЭ, ЛЯП, ЛИТ и ЛРБ нашего Института.

Вместе с сотрудниками нашего Института в обсуждении программы описываемого эксперимента принимали участие немецкие ученые профессора Р.Брандт (Марбург) и В.Энсингер (Дармштадт), доктора В.Вестмайер и X.Роботам (Мельн/Марбург) и доктор Э.-Й.Лангрок (Хойерсверда/Дрезден), а также профессор С.Р.Хашеми-Нежад (Сидней, Австралия) и доктора В.Кумар и Х.Кумават (Джайпур, Индия), которые за последние десять лет неоднократно приезжали в Дубну для участия в экспериментах на релятивистских пучках синхрофазотрона и нуклотрона.

В проведении эксперимента на пучках нуклотрона участвовали специалисты из государств - членов ОИЯИ и других стран: доктора И.В.Жук, М.К.Киевец и С.В.Корнеев (Сосны/Минск), А.М.Хильманович и Б.А.Марцинкевич (Минск), профессор М.Шута, доктор Е.Стругальска-Гола, С.Килим, М.Билевич и А.Войцеховски (Сверк/Варшава), профессор М.Замани-Валасиади и доктор М.Манолополу (Тессалоники, Греция), доктора А.Куглер и В.Вагнер, А.Краса и О.Свобода (Ржеж/Прага), а также аспирант М.Майерле из Университета Любляны (Словения), который проходит длительную стажировку в ИЯФ (Ржеж) и активно участвует в подготовке и проведении экспериментов на пучках нуклотрона

Среди специалистов из Польши, Греции, Чехии и Индии, приезжающих на эти эксперименты в Дубну, более половины составляют молодые физики. За последние три года Х.Кумаватом (Джайпур, Индия), М.К.Киевцом (Белоруссия) и Х.М.Хеллой (Каир, Египет) подготовлены и успешно защищены кандидатские диссертации. В стадии подготовки находятся несколько диссертационных работ физиков из институтов в Ржеже (Чехия), Сверке (Польша), Соснах/Минске (Белоруссия) и ОИЯИ, а также в университетах Улан-Батора (Монголия), Салоники (Греция) и Сиднея (Австралия).

По предложению докторов В.А.Воронко и В.В.Сотникова из Харьковского физико-технического института, которые ранее под руководством известного украинского физика профессора Н.М.Хижняка более пятнадцати лет сотрудничали в ЛВЭ с группой профессора К.Д.Толстова, в рамках нашего проекта начато исследование в полях быстрых электроядерных нейтронов изменения свойств циркония, сверхпроводников, гафния, эпоксидных смол и других конструкционных материалов, которые используются при создании современных ускорителей, электроядерных установок и атомных энергетических реакторов. Эта тема включена также в планы совместных работ с группой профессора В.Энсингера из Технического университета в Дармштадте (Германия).

Кроме этого впервые в исследованиях по электроядерной тематике для регистрации нейтронов была успешно применена система на основе гелиевых детекторов. После калибровки и методических сеансов на пучках тандем-ускорителя в Институте ядерной физики "Демокритос" (Афины, Греция) эта автоматизированная система была доставлена из университета имени Аристотеля (Тессалоники) в Лабораторию высоких энергий. В подготовке к эксперименту на разных этапах участвовали профессор М.Замани-Валасиади, доктора М.Манолополу и С.Стилоус и аспирантка М.Фрагополу, а также профессор С.Джокич из Института ядерных наук имени Б.Кидрича (Белград, Сербия и Черногория), который в 2005 году присоединился к нашей интернациональной коллаборации.

Недавно впервые в исследованиях по электроядерной тематике была применена методика ядерных эмульсий и получены результаты, которые подтверждают возможность ее использования для изучения спектров быстрых (с энергией вплоть до 300 МэВ) нейтронов, покидающих поверхность уранового бланкета. В просмотре и анализе высокочувствительных ядерных эмульсий участвуют группы профессора Ю.А.Батусова из Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ и доктора Д.Тогоо из университета в Улан-Баторе (Монголия), который ранее длительное время работал в ЛВЭ.

Длительные гамма-спектроскопические измерения активационных пороговых детекторов (кобальт, иттрий, висмут, золото, индий и другие), образцов для изучения трансмутации йода-129, нептуния-237, плутония-238 и 239 и образцов конструкционных материалов, экспонировавшихся в процессе облучения уран-свинцовой сборки дейтронным пучком, выполнялись на высокоэффективных германиевых спектрометрах комплекса ЯСНАПП специалистами научно-экспериментального отдела ядерной спектроскопии и радиохимии Лаборатории ядерных проблем (В.Б.Бруданин, В.Г.Калинников, И.Адам, П.Чалоун, В.М.Цупко-Ситников, В.И.Стегайлов, А.А.Солнышкин, А.Р.Балабекян) и физиками, приехавшими на этот эксперимент из институтов Чехии, Украины и Польши.

Учитывая специфику эксперимента, которая обусловлена использованием различных радиоактивных материалов и образцов, все работы в ходе его подготовки и проведения на пучке нуклотрона проводились под контролем сотрудников ОРБиРИ ОИЯИ.

Глубокой благодарности всех участников международной коллаборации "Энергия плюс трансмутация" заслуживают огромный труд и настойчивость в достижении проектных параметров нуклотрона коллективов инженерно-технических отделов Лаборатории высоких энергий ОИЯИ, которые под руководством А.Д.Коваленко, Н.Н.Агапова, В.А.Мончинского и В.И.Волкова выполнили большую работу по созданию и развитию ускорительного комплекса нуклотрона и обеспечению достаточно стабильной его работы с максимальной интенсивностью пучка во время длительных облучений свинцовой мишени с урановым бланкетом. Кроме этого на различных этапах создания установки и подготовки и проведения экспериментов оказывали помощь П.И.Зарубин и Ю.С.Анисимов.

Свинцовые мишени и металлические конструкции для многосекционного уранового бланкета и различных приспособлений и устройств, необходимых для проведения экспериментов, с высоким качеством изготовлены специалистами цеха опытно-экспериментального производства ЛВЭ, ранее возглавлявшегося Ю.И.Тятюшкиным, а в настоящее время - А.А.Цветковым, а также высококвалифицированными механиками ядерно-физических установок и стендов А.Ф.Елишевым и И.И.Марьиным. Участники коллаборации "Энергия плюс трансмутация" благодарны Федеральному агентству по атомной энергии (бывшее Министерство атомной энергии) России за предоставление материала, из которого создан урановый бланкет.

Для выработки научной программы, обсуждения результатов экспериментов и компьютерного моделирования, а также подготовки докладов на международные конференции и совместных публикаций периодически устраиваются рабочие семинары участников коллаборации. В прошлые годы такие семинары проводились в Марбурге и Лейпциге (Германия), Страсбурге (Франция), Тессалониках (Греция) и Дубне.

По инициативе ЛВЭ в университете имени Раджистана (Джайпур, Индия) с 23 по 25 января 2006 года состоялся семинар "Физика управляемых ускорителями подкритических систем для энергии и трансмутации". С результатами по изучению физических аспектов электроядерного способа производства энергии и трансмутации йода-129, нептуния-237, плутония-238 и 239 и америция-241, полученными на установке "Энергия плюс трансмутация" и пучках нуклотрона с энергиями протонов 0,7, 1,0, 1,5 и 2,0 ГэВ, на этом семинаре выступили доктор В.Вагнер и М.Майерле из ИЯФ (Ржеж, Чехия) и доктор И.Адам (ОИЯИ).

С 25 по 30 сентября 2006 года в Дубне состоится XVIII Международный Балдинский семинар. В программу этого традиционного семинара включена секция прикладных аспектов использования релятивистских пучков. Участниками коллаборации "Энергия плюс трансмутация" на этот семинар будет представлено несколько докладов.

М. Кривопустов, руководитель коллаборации "Энергия плюс трансмутация"

"Правопреемник" синхрофазотрона - ускоритель релятивистских ядер нуклотрон с приближением его пучков к проектным параметрам привлекает все большее внимание физиков из научных центров мира. В программе прикладных исследований на этом ускорителе особое место занимает проект "Энергия плюс трансмутация".

На архивном снимке слева направо: аспирант Х.Барт и профессор Р.Брандт (Университет, Марбург, Германия), профессор Э.-Й.Лангрок из Высшей технической школы (Лейпциг), доктор М.И.Кривопустов (ОИЯИ, Дубна) и аспиранты Г.Хаазе и М.Хек из Марбургского университета (Германия) обсуждают результаты эксперимента на пучках ядер синхрофазотрона ЛВЭ ОИЯИ.