Проекты нового века

17-19 июня в филиале НИИЯФ МГУ проходило II Совещание по исследованиям на реакторе ИБР-2, главной задачей которого было обсуждение научной программы нейтронографических исследований на реакторе ИБР-2 в 2003-2010 гг. Второй важной задачей совещания являлось обсуждение расширения кооперации при решении российских и международных научно-технических программ.

Открывая совещание, директор ЛНФ имени И.М.Франка А.В.Белушкин отметил, что реактор ИБР-2 - самый высокоинтенсивный в мире импульсный источник нейтронов - представляет собой уникальную базовую установку, оснащенную комплексом спектрометров широкого профиля, и позволяет проводить разнообразные нейтронографические исследования конденсированного состояния вещества. В настоящее время исследователи из 30 стран проводят на 12 спектрометрах около 150 экспериментов в год по актуальным проблемам физики и химии конденсированного состояния, биологии и фармакологии, геофизики, материаловедения, инженерных наук. Эти исследования осуществляются в режиме программы пользователей, которая основана на открытом приеме заявок на эксперимент и последующем экспертном отборе заявок в четырех международных комитетах. Кроме этого, на реакторе ИБР-2 проводятся исследования и разработки по научным программам Министерства промышленности, науки и технологий РФ; Министерства РФ по атомной энергии; гранту поддержки уникальных установок России; а также по грантам Российского фонда фундаментальных исследований и по отдельным соглашениям с университетами и институтами РАН.

Главный инженер ОИЯИ И.Н.Мешков в своем выступлении подчеркнул большое внимание дирекции Института к модернизации реактора ИБР-2, которая формально началась 14 февраля 2000 года подписанием соглашения между Министерством РФ по атомной энергии и ОИЯИ. Генеральный конструктор проекта - Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники, научный руководитель - ОИЯИ. В реализации проекта участвует ряд ведущих предприятий Минатома. Министерство РФ по атомной энергии взяло на себя половину расходов по модернизации реактора и, что важно отметить, взятые Минатомом финансовые обязательства добросовестно выполняются.

В докладе научного руководителя реактора ИБР-2 В.Л.Аксенова была представлена программа нейтронографических исследований на реакторе ИБР-2, которая состоит из двух разделов: собственно программа исследований и методические разработки. В качестве приоритетных исследований было выделено 6 направлений:

При формировании программы совещания учитывалось то, что практически все работы на реакторе ИБР-2 ведутся в тесной кооперации с институтами стран-участниц ОИЯИ. Часть исследований выполняется на лучших источниках нейтронов в мире, таких как ILL (Франция), SINQ (Швейцария), DRAL (Великобритания) и др. Существенное значение в научной программе имеет также кооперация с российскими институтами. Так, госконтракт с Минпромнауки "Создание современной экспериментальной базы и разработка методики нейтронографии по времени пролета для решения поисковых проблем" выполняется совместно с РНЦ КИ, ИЯИ РАН, НИИЯФ МГУ, ФЭИ, НИФХИ, ИФВД РАН, ИТЭФ. Контракт с Минатомом "Измерение внутренних напряжений в конструкционных материалах ядерных реакторов" выполняется по заказам предприятий Минатома.

С ходом реализации программы модернизации реактора ИБР-2 участников совещания ознакомил главный инженер ЛНФ В.Д.Ананьев. Проект модернизации содержит ряд новых технических решений, заметно улучшающих эксплуатационные и физические характеристики реактора. Фактически программа модернизации реактора ИБР-2 должна закончиться в 2010 году созданием нового реактора ИБР-2М. Основные идеи модернизации реактора заключаются в создании нового подвижного отражателя с пониженными встречными скоростями вращения лопастей и, как результат, трехкратным увеличением ресурса его работы, а также в использовании топливных элементов с центральным отверстием, что увеличит допустимое выгорание плутония в реакторе примерно в 1. 5 раза. При этом, за счет удаления центрального канала, будет уменьшен объем активной зоны и увеличен поток нейтронов в 1,5 раза. Важным фактором, улучшающим безопасность эксплуатации реактора ИБР-2М и стабильность его работы, будет создание новой системы контроля, управления и защиты реактора, которая, сохраняя общую идеологию аналогичных систем реактора ИБР-2, будет переведена на новую элементную базу. Первым шагом в модернизации реактора и началом создания реактора ИБР-2М будет замена в 2003 году подвижного отражателя ПО2Р на новый подвижный отражатель ПО3 с противоположным направлением вращения лопастей. ПО3 отработает до конца эксплуатации реактора ИБР-2 и затем в 2010 году эта машина будет снова использована для модуляции реактивности реактора ИБР-2М.

Опыт эксплуатации и использования реактора ИБР-2, как высокоинтенсивного источника с относительно длинным импульсом нейтронов, в настоящее время имеет большое значение при создании мощных импульсных источников следующего поколения. Это обстоятельство учитывается при проектировании мишени источника с длинным импульсом для Европейского испарительного источника (ESS). Поэтому работы с холодными замедлителями на реакторе ИБР-2 ориентируются как на наши внутренние потребности, так и на потребности ESS. В 1999 году для пучков 4-6 реактора ИБР-2 был введен в эксплуатацию твердометановый замедлитель, что привело к расширению спектра используемых нейтронов и сдвигу максимума спектра в область больших значений длины волны нейтрона. На основе накопленного опыта использования твердометанового замедлителя разработана программа обеспечения других пучков холодными замедлителями. Идет поиск новых более радиационностойких органических замедлителей. Проблемам оснащения холодными замедлителями пучков реактора ИРБ-2М был посвящен доклад Е.П.Шабалина.

Результаты и перспективы исследований на реакторе ИБР-2 были представлены в 87 докладах по следующим направлениям: магнетизм и сильно коррелированные электронные системы, кристаллические структуры и возбуждения, некристаллические материалы и жидкости, биология и фармакология, химия и физика полимеров, геофизика, материалы конструкционного назначения, методика эксперимента.

Значительная часть программы совещания была посвящена научно-техническим проблемам, связанным с атомной энергетикой. Доклад Н.П.Лаверова и С.В.Юдинцева (Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН) был посвящен последней по времени и рекордной по протяженности технологической операции в ядерном цикле - хранению отработанного ядерного топлива и радиоактивных отходов. В докладе были проанализированы конструкции различных матриц, их преимущества и недостатки. Было подчеркнуто то, что на сегодня не существует возможности создать единую универсальную матрицу, подходящую по своим физико-химическим параметрам для долговременного хранения всего спектра радиоактивных изотопов, образующихся в отработанном тепловыделяющем элементе реактора. Вице-президент РАН, академик Н.П.Лаверов руководит программой научного обоснования возможностей захоронения ядерных отходов в нашей стране, и он высоко оценивает сотрудничество возглавляемого им ИГЕМ РАН и ОИЯИ в области нейтронографических исследований и, особенно, в области исследования структуры и текстуры геологических материалов, которые несут в себе информацию о деформационных и метаморфических процессах, происходящих в земной коре. Для понимания физики разрушения горных пород необходимо исследовать закономерности появления трещин, начиная с разрывов межатомных связей в кристаллических решетках минералов и зернограничном пространстве породы. Этой теме был посвящен доклад А.Н.Никитина "Нейтронная дифрактометрия в исследованиях по геодинамике и физике очага землетрясения", подготовленный совместно с сотрудником ИГЕМ РАН В.И.Казанским и директором Геофизического центра Объединенного института физики Земли им О.Ю.Шмидта РАН Г.А.Соболевым.

А.В.Гулевич (ФЭИ, Обнинск) рассказал о ходе работ по созданию мощного лазера с накачкой энергией от подкритической сборки, работающей как бустер в тандеме с двумя инициирующими импульсными реакторами.

В докладе А.М.Балагурова были изложены общие принципы постановки эксперимента по измерению внутренних напряжений в объемных изделиях на импульсных источниках нейтронов, представлены результаты работ, проводимых в ЛНФ ОИЯИ совместно с предприятиями Минатома, и обсуждены перспективы развития этой темы в России. Отмечено, в частности, что хотя дифракция нейтронов высокого разрешения для изучения напряжений в конструкционных материалах начала применяться всего около 10 лет назад, она уже получила широкое распространение благодаря ряду существенных преимуществ по сравнению с традиционными методиками. Большая глубина сканирования исследуемого материала (до 2 см для стали), высокое пространственное разрешение (до 1 мм в любом измерении), одновременное измерение средней по измеряемому объему деформации решетки и микронапряжений в пределах зерен, определение кристаллографической анизотропии деформаций - основные достоинства этого метода.

Важным направлением, связанным с созданием в России реактора на быстрых нейтронах с воспроизводством ядерного горючего (проект "Брест"), является изучение структуры, микродинамики и процесса образования твердой фазы в жидкометаллических теплоносителях. Эти работы ведутся в ЛНФ на спектрометре ДИН-2ПИ совместно с ФЭИ. В докладе А.Г.Новикова были представлены результаты изучения жидких металлов: калия, свинца и растворов калий-кислород, свинец-калий.

В последние годы рассеяние нейтронов все больше применяется в биологии, химии, геофизике. Исследования по структурной биологии, медицине и фармакологии привлекают все большее внимание нейтронного сообщества. Важным фактором прогресса в этом направлении является точность формулировки и выделение той части биологической проблемы, которую можно решить методами рассеяния нейтронов. Доклад Л.С.Ягужинского (МГУ) был посвящен описанию и изучению фазовых переходов в белково-липидных мембранах митохондрий в условиях, при которых на митохондриальную мембрану изнутри действует давление, соответствующее разности осмолярности 250 и 120 мМ. С помощью техники флюоресцентных зондов был обнаружен ранее неизвестный фазовый переход, свидетельствующий о кардинальной структурной перестройке митохондриальных мембран, сопровождаемый изменением вязкости фракции, так называемых аннулярных липидов, непосредственно прилегающих к интегральным мембранным белкам. Можно предположить, что необходимую структурную информацию возможно получить на основе применения метода малоуглового рассеяния нейтронов и рефлектометрии (в том числе и рентгеновской на синхротроне).

Более ясно поставлена, но не менее трудна задача определения конформационных изменений молекул альбумина крови человека при патологических заболеваниях, которая сводится к определению его формы по кривым малоуглового рассеяния нейтронов. Решению этой задачи и первым результатам был посвящен доклад Ю.В.Грызунова (НИИ ФХМ РАН).

Синтез новых материалов с важными физическими свойствами - одна из наиболее актуальных задач современной науки. Зачастую решение этой проблемы достигается ценой весьма трудоемких затрат. В отличие от этого, структурный дизайн позволяет предположить новые возможные структуры и составы соединений, что позволяет оптимизировать достижение необходимой цели. Необходимым условием для эффективного использования этого подхода является выявление взаимосвязей между химическим составом, структурой и свойствами для данного класса материалов. В докладе Е.В.Антипова (МГУ) "Структурный дизайн новых материалов" были обобщены результаты совместных исследований, выполненных сотрудниками химического факультета МГУ и Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ в области поиска и прецизионного структурного анализа новых высокотемпературных сверхпроводников на основе сложных оксидов и оксифторидов меди, сложных оксидов висмута. Применение дифракции нейтронов для анализа структуры этих соединений позволило значительно продвинуться в понимании их интересных физических свойств.

В процессе модернизации реактор ИБР-2 будет остановлен дважды на длительное время: в 2003 году на год для замены подвижного отражателя и в 2007 году на три года для замены активной зоны и другого оборудования. Такие длительные остановки дают возможность провести модернизацию комплекса спектрометров. Поэтому на совещании было уделено особое внимание методическим работам, связанным с развитием существующих на каналах ИБР-2 спектрометров и с возможностью создания принципиально новых инструментов, прежде всего, спектрометров, построенных на использовании ларморовской прецессии спина нейтрона в магнитном поле, и развитие инструментов с поляризованными нейтронами. Этим новым направлениям, впрочем, как и "старослужащим" дифракционным, было посвящено большинство докладов представленных в методической секции.

Среди оригинальных сообщений методической секции следует подчеркнуть новизну подхода, представленного в докладе В.Н.Швецова "Использование формализованного описания методики в системах автоматизации эксперимента", в котором предлагается разрабатывать программное обеспечение путем задания вектора состояния системы регистрации в терминах изменяемых параметров вместо традиционного программирования операций управления спектрометром. Такая подсистема регистрации пригодна для использования без изменений на различных спектрометрах и не налагает ограничений на реализацию методики эксперимента.

Обсуждению программы исследований до 2010 года был посвящен последний день совещания. Было представлено 6 аналитических докладов по основным направлениям исследований, реализуемым на реакторе ИБР-2, и 5 аналитических докладов по основным методикам нейтронного эксперимента. В развернувшейся дискуссии проф. Л.А.Шувалов (ИК РАН) подчеркнул актуальность проведения исследований по структурной биологии (белки, мембраны). Также было обращено внимание на необходимость исследования поверхности и тонких пленок как направлений, где нейтронная рефлектометрия может дать уникальную информацию для создания новых материалов. Член-корреспондент РАН А.Н.Озерин, обсуждая перспективы структурных исследований дендритных макромолекул методом малоуглового рассеяния нейтронов, подчеркнул необходимость продвижения в область больших векторов рассеяния. Это утверждение принципиально важно не только для исследования методом малоуглового рассеяния, но и для рефлектометрии. В обоих методиках дальнейший прогресс в увеличении пространственного разрешения исследуемых объектов видится именно в развитии методики измерений спектров в области больших значений вектора рассеяния.

В работе совещания приняли участие 23 студента, аспиранта и молодых ученых, совещание закончилось подведением итогов конкурса работ представленных ими.

Лучшими признаны работы представленные Д.П.Козленко, М.В.Авдеева, С.В.Кожевникова. Среди аспирантов победителями стали: С.Н.Бушмелева, В.Касперковяк (Польша), К.М.Жерненков, С.Е.Кичанов. Специальным призом была отмечена отличная учеба и активное участие в работе конференции студента физфака МГУ Т.В.Тропина.

Оргкомитет и программный комитет совещания выражают благодарность Министерству науки, промышленности и технологий РФ; Министерству РФ по атомной энергии; Российской академии наук; Российскому фонду фундаментальных исследований за поддержку совещания.

М. Киселев, ученый секретарь программного комитета совещания