17 декабря завершилась программа испытаний криогенного замедлителя на реакторе ИБР-2. Проверка, проведенная в разных режимах работы и реактора, и замедлителя, доказала его не только работоспособность, но и эффективность.

Замедлитель был создан усилиями специалистов ЛНФ и ИБР-2 ОИЯИ, НИКИЭТ, НПО "Композит", ГСПИ, НИКИМТ. Девять экспериментальных этапов двухмесячной программы испытаний замедлителя провели сплоченным коллективом специалисты вакуумно-криогенной группы механо-технологического отдела, отдела ИБР-2, физики ЛНФ. А до этого почти столько же шли пуско-наладочные работы. Сутки напролет не вылезали из холодной, шумной и не очень-то уютной рефрижераторной технический руководитель начальник МТО ИБР-2 А. А. Беляков, инженер-технолог В. И. Суханов, начальник вакуумно-криогенной группы В. Ф. Филимонов; непрерывно следил за ходом работ, вносил коррективы в программу научный руководитель проекта Е. П. Шабалин, постоянно интересовался ходом работ главный инженер ЛНФ В. Д. Ананьев. Большой вклад внес в эту работу механик экспериментальных стендов и установок И. М. Кондрашов. Рефрижераторная стала настоящим штабом - сюда, непрерывно обновляясь, стекалась вся информация, характеризующая состояние замедлителя. Достаточно наглядно наблюдать за его функционированием в разных режимах можно было на экране компьютера - благодаря созданной инженерами отдела ИБР-2 В. В. Ивановым и В. Г. Ермиловым программе обработки и интерпретации аналоговой информации; изготовлением и монтажом приборной части занимался П. К. Утробин.

Долго рождался этот, по словам председателя Программно-консультативного комитета по физике конденсированных сред Х. Лаутера, долгожданный ребенок. А в новом году он уже станет совершеннолетним - успешно пройдя все испытания, будет записан в паспорт реактора и станет в строй инструментального набора ИБР-2...

Об истории создания замедлителя и различных, связанных с ним научных проблемах и загадках рассказал научный руководитель проекта ведущий научный сотрудник ЛНФ Евгений Павлович Шабалин:

Как известно, ИБР-2 излучает быстрые нейтроны, а экспериментаторам нужны не только они, но еще и медленные. Чтобы уменьшить их скорость до 1-2 км/с, достаточно использовать в качестве замедлителя обычную воду. Но чтобы получить достаточное количество более медленных нейтронов со скоростью до 500-200 м/с (так называемые “холодные нейтроны”), необходим замедлитель с более низкой температурой. На большинстве установок, изучающих нейтроны по методу времени пролета, используют жидкий водород. Мы решили использовать твердый метан, с ним выход холодных нейтронов увеличивается в 2-3 раза. Преимущество водорода в том, что - радиация на него не воздействует, но он взрывоопасен, и известны случаи взрывов водорода на реакторах. Поскольку ИБР-2 - импульсный реактор и его чувствительность к подобным факторам воздействия гораздо выше, было принято решение не использовать жидкий водород в качестве замедлителя. Да и исходя из конструкционных соображений, это было бы трудно сделать, несмотря на то, что требования на жидководородный холодный замедлитель были заложены в проект реактора в 70-х годах. Гребенчатым замедлителем, который решили делать вместо жидководородного, занимался ныне покойный В. М. Назаров. Замедлитель построилизапустили, он действительно дал увеличение потока холодных нейтронов, но недостаточное, чтобы это устраивало физиков.

В начале 80-х годов появились сообщения о том, что в Японии испытан в качестве холодного замедлителя твердый метан, но не на реакторе, а на ускорителе. С 1985 года его использовали, правда, не очень успешно и на мощном ускорителе в США. С этого же года мы начали работы по созданию твердометанового холодного замедлителя на ИБР-2.

Метан, обеспечивая наибольший поток холодных нейтронов, является весьма трудным веществом дляпри использованиия его как замедлителья нейтронов. Твердый метан обладает очень низкой теплопроводностью. Под действием нейтронов он очень быстро разлагается. Продукты разложения - водород и радикалы - реактивноспособны, но из-за низкой температуры не активны. Но когда их концентрация достигает критической величины, они быстро реагируют между собой, в результате чего температура резко повышается, и радиолитический водород за несколько секунд из жидкого (он находится в виде мельчайших пузырьков в твердом метане) превращается в газообразный. Это влечет резкое повышение его давления и разрушение камеры.

Я познакомился с опытом работы американцев, консультировался с японцами. Кстати, руководитель работ по метановому замедлителю в США профессор Д. Карпентер был награжден медалью И. М. Франка в этом году за пионерские работы в области применения мишени протонного ускорителя как источника нейтронов. Он был в Дубне как раз в начале пуска холодного замедлителя ИБР-2. На ИБР-2 поток нейтронов в несколько раз больше, чем на японском и американском источниках, и было не ясно, справимся ли мы с проблемами метана, тем более что иностранные коллеги не имели надежных решений зэтих проблем. Как потом оказалось, величина потока на ИБР была почти предельной.

Работы, начавшиеся в 85-м, прервались в 1986 году из-за Чернобыльской катастрофы. В 90-м они, насколько позволяло небольшое количество участников и ограниченное финансирование, возобновились. В 92-м были проведены, впервые в мире, достаточно представительные испытания радиационных эффектов в твердом метане по программе УРАМ. Эта программа дала много ценных экспериментальных данных. Благодаря ей было найдено решение проблемы со скачком давления водорода. Мы даже смогли помочь американским коллегам, у которых разрушилось несколько камер, пока они не приняли наших рекомендаций.

Выход оказался немного парадоксальным: надо работать при температуре 30 оК, а не при 20 оК, как это делали все. При этой температуре радикалы не накапливаются, хотя водород все равно образуется. Через четверо суток метана становится почти в два раза меньше, и его надо заменять. Чтобы выпустить водород без разрушения камеры, температуру временно повышают до 65 оК, водород за несколько минут выходит, затем температуру опять снижают до 30 оК.

В 1994 году мы испытали первый вариант замедлителя, но его камера все-таки лопнула при выпуске водорода. В том же году мы спроектировали, совершенно по-другому, вторую камеру, но изготовить ее смогли по финансовым причинам только через пять лет. В ней применяется бериллиевый отражатель - новинка, хотя сама идея его использования возникла еще в 50-е годы. Его эффективность сильно зависит от конкретной геометрии, и многие, пробовавшие использовать такой отражатель, считали, что он ничего не дает. Мы проверили на одном пучке - выход холодных нейтронов увеличился в два раза. Еще одна новинка, облегчающая работу с метаном, - это применение добавки этилена к метану в количестве нескольких процентов, уменьшающая выход водорода примерно в два раза.

Непонятные всплески температуры водорода первым обнаружил Дж. Карпентер, работавший с холодными замедлителями в Аргоннской лаборатории США, а детально объяснить их в 1993 году удалось нам с помощью исследований на установке УРАМ-2. Как выяснилось, в метане в процессе облучения накапливается скрытая энергия, которая при определенных условиях может выявляться, вызывая повышение температуры водорода. Мы привлекли при поддержке гранта РФФИ группу теоретиков - сотрудников В. И. Гольданского для изучения этого явления. Была построена определенная модель процесса выделения энергии. Она не требовалась для создания холодного замедлителя, но интересно было разобраться в явлении. Интересно, что эта модель помогает прояснить некоторые аспекты теории происхождения жизни во Вселенной.

Облака космической пыли состоят из пылинок диаметром 0,1 мкм. Центр облака - силикатное ядро, периферия - мантия из органических веществ, среди которых были обнаружены сложные органические соединения, протобиологический материал. Космические облака раз в 70 млн. лет проходят сквозь Солнечную систему, осаждая на ее планетах тонны веществ. Именно таким мог быть механизм возникновения протожизни на Земле. Этой проблемой занимаются астробиологи, а астрофизиков давно волновал другой вопрос. В космических облаках всегда присутствует очень много газа, по законам термодинамики его должно быть гораздо меньше - он должен осаждаться на пылинках. По-видимому, существует некий процесс, периодически превращающий часть вещества пылинок в газ. Не существовало модели, полностью объясняющей это явление. Именно модель процесса выделения энергии при облучении метана в холодном замедлителе оказалась подходящей и для облаков космической пыли. Раз в миллионы лет даже микроскопические пылинки под действием космической радиации могут взорваться, образуя тот самый "лишний" по термодинамике газ.

Рассказывает начальник сектора научно-экспериментального отдела нейтронных исследований конденсированных сред ЛНФ А. М. Балагуров:

В принципе, спектр нейтронов, образующихся в обычном водяном замедлителе реактора ИБР-2, весьма широк и удовлетворяет большинству экспериментов, ведущихся на нем, но необходимость создания условий для работы при очень малых переданных импульсах ощущалась в последние годы все более ясно. Из-за чисто геометрических ограничений регистрация рассеяния нейтронов на углах, существенно меньших одного градуса, является непростой задачей и, следовательно, единственной возможностью работы при малых переданных импульсах становится использование пучка холодных нейтронов, т. е. нейтронов с очень малой энергией. Проблема состоит в том, что интенсивность таких нейтронов весьма мала, т. е. длительность эксперимента с ними нереально велика.

Со стороны холодного замедлителя на ИБР-2 расположены три спектрометра: малоуглового рассеяния (ЮМО), фурье-дифрактометр (ФДВР) и многофункциональный дифрактометр (ДН-2). В ходе осенних сессий работы реактора ИБР-2 физики, работающие на этих спектрометрах, провели многочисленные эксперименты, в которых пытались выяснить, каков новый спектр нейтронов, где их число прибавилось, а где (по закону сохранения) убавилось, насколько стабильны различные режимы работы замедлителя и т. д. Главный результат состоит в том, что с помощью нового замедлителя поток холодных нейтронов удается существенно, в 10 и даже в 20 раз увеличить и это позволяет выполнить эксперименты, ранее практически не осуществимые. В первую очередь речь идет об экспериментах по малоугловому рассеянию на макромолекулярных структурах, например, рибосомах. Радикально улучшаются условия для проведения дифракционных исследований длиннопериодных структур типа мультислойных липидных мембран. То же самое можно сказать об изучении магнитных структур, дифракционные пики, от которых всегда сосредоточены в области малых переданных импульсов.

Результаты проведенных экспериментов позволят достоверно оценить новые возможности, выбрать оптимальный с точки зрения стабильности режим работы замедлителя и определить температурные интервалы, наиболее подходящие для тех или иных исследований.

Ольга ТАРАНТИНА