Наука - практике

С 27 сентября по 2 октября в Дубне проводится XVII Международный Балдинский семинар по проблемам физики высоких энергий, релятивистской ядерной физики и квантовой хромодинамики. В программе этого традиционного семинара образована секция прикладных аспектов использования релятивистских пучков. Участниками коллаборации институтов и университетов государств-членов ОИЯИ и других стран, созданной для реализации научной программы проекта "Энергия плюс трансмутация", на этот семинар представлено несколько докладов. Сегодня мы расскажем об эксперименте, выполненном в конце июня 2004 года по тематике этого проекта.

В последние годы широко обсуждается вопрос о перспективах развития ядерной энергетики, ее экономической конкурентоспособности и экологической безопасности, включая утилизацию отработанного ядерного топлива. Среди нескольких подходов выделяется концепция создания гибридных электроядерных систем, объединяющая протонный ускоритель высоких энергий, мишень из тяжелых элементов (вольфрам, свинец, висмут) для генерации интенсивных нейтронных потоков и бланкет из делящегося вещества (уран, торий, плутоний или их композиции), окружающий эту мишень. В качестве бланкета рассматриваются различные варианты подкритических ядерных реакторов.

Со времени создания ОИЯИ электроядерная тематика традиционно занимает важное место в планах его исследований. В лабораториях нашего Института проводились эксперименты по изучению размножения нейтронов в протяженных мишенях из свинца и урана на пучках синхроциклотрона и синхрофазотрона и трансмутации долгоживущих высокотоксичных радиоактивных отходов атомной энергетики в поле электроядерных нейтронов, а также разработки ускорителей промежуточных энергий для изучения электроядерного способа производства энергии и компьютерное моделирование электроядерных процессов. Проблема создания гибридных электроядерных систем активно разрабатывается группой европейских университетов и институтов под эгидой ЦЕРН (проект "Усилитель энергии"), в ОИЯИ (проекты SAD и "Энергия плюс трансмутация"), в Институте атомной энергии (Япония), Лос-Аламосе и Брукхейвене (США), PSI (Виллиген, Швейцария) и других зарубежных центрах, а также в ряде научно-исследовательских институтах России: ИЯИ (Троицк), ИТЭФ (Москва), ВНИИЭФ (Арзамас-16), ПИЯФ (Гатчина), ИФВЭ (Серпухов), ФЭИ (Обнинск), Радиевом институте имени Хлопина (Санкт-Петербург) и других.

В Лаборатории высоких энергий имени В.И.Векслера и А.М.Балдина ОИЯИ сначала на синхрофазотроне, а теперь на нуклотроне проводится обширная программа фундаментальных и прикладных исследований. С 16 июня по 7 июля проведен очередной, 29-й сеанс работы нуклотрона, в ходе которого был выполнен эксперимент по нашей программе.

Первая половина 2004 года для многих специалистов из институтов и университетов государств - членов ОИЯИ и других стран, которые участвуют в реализации научной программы этого проекта, была насыщена напряженной работой по подготовке эксперимента на нуклотроне. Этот ускоритель за последнее время обрел статус базовой установки для пользователей - потребителей интенсивных пучков релятивистских ядер.

27-28 июня был проведен эксперимент на модели уранового бланкета при энергии протонного пучка 0,7 ГэВ. Основная цель этого эксперимента - исследование энерговыделения и энергозатрат на генерацию одного нейтрона, размножения, баланса и спектра нейтронов в бланкете из естественного урана, формирования и распада радиоактивных продуктов, образующихся в свинцовой мишени и 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.

В ходе этого эксперимента экспонировались образцы из долгоживущих высокотоксичных радиоактивных изотопов (йод-129, нептуний-237 и плутоний-239), накапливающихся в процессе длительной эксплуатации атомных реакторов, и отходов отраслей промышленности, использующих ядерные технологии. Эти образцы для изучения трансмутации приготовлены по заказу Лаборатории высоких энергий ОИЯИ по уникальным методикам, которые разработаны Физико-энергетическим институтом имени Лейпунского (Обнинск), ВНИИ неорганических материалов имени Бочвара (Москва) и Научно-производственным объединением "Маяк" (Озерск, Челябинская обл.). Актуальность и необходимость исследований по проблеме обращения с радиоактивными отходами, включая изучение их трансмутации на пучках ускорителей высоких энергий, возрастают, и можно с удовлетворением отметить, что эти работы, имеющие экологический аспект, были начаты в 1996 году на протонных пучках синхрофазотрона при активной поддержке академика А.М.Балдина.

Если первое слово в названии нашего Института "объединенный" дополнить словом "объединяющий" (это определение принадлежит И.Б.Иссинскому), тогда станут ясны существенные особенности подхода к реализации проекта "Энергия плюс трансмутация". Отметим, что ОИЯИ располагает уникальными возможностями для выполнения этого проекта: пучками релятивистских ядер нуклотрона, необходимыми запасами материалов для уран-свинцовой сборки, современными методиками экспериментальных и теоретических исследований; здесь работают коллективы высококвалифицированных специалистов. Важным обстоятельством является возрастающая в последние годы заинтересованность университетов, научных институтов и лабораторий стран-частниц ОИЯИ и других стран этой перспективной научной программой и готовность оказывать интеллектуальную и финансовую поддержку в ее реализации.

В подготовке научной программы и оснащении так называемого калориметра деления урана, включающего активационные и твердотельные трековые детекторы, ядерные эмульсии и термометрические датчики, а также в проведении эксперимента на уран-свинцовой сборке принимали активное участие физики из Германии, Греции, Чехии, Польши, Украины, Индии, России, Белоруссии, а также из ЛВЭ, ЛЯП и ЛИТ ОИЯИ. Таким образом, на основе созданной в 1999-2002 годах экспериментальной установки фактически образован конкурентоспособный и привлекательный союз пользователей в области электроядерной тематики и открываются новые возможности для фундаментальных и прикладных исследований (экология, материаловедение, производство изотопов для медицины, биологии и других прикладных целей).

В обсуждении программы описываемого эксперимента принимали участие профессора Р.Одой (Исследовательский центр, Юлих, Германия), Р.Брандт и В.Энсингер (Институт ядерной химии при университете имени Филиппса, Марбург) и доктор Э.-Й.Лангрок (Исследовательское бюро, Хойерсверда-Дрезден), а также профессора Ван Юшен (Северо-Западный институт ядерной технологии, Чиан, Китай) и С.Р.Хашеми-Нежад из Сиднейского университета (Австралия), которые неоднократно приезжали в Дубну для постановки экспериментов на ускорительном комплексе ЛВЭ ОИЯИ.

Вместе с сотрудниками нашего Института в подготовке и проведении этого эксперимента на пучках нуклотрона участвовали многие специалисты из государств-членов ОИЯИ и других стран: профессор М.Замани-Валасиади и доктор М.Манолополо (Университет имени Аристотеля, Тессалоники, Греция), немецкие ученые В.Вестмайер и Х.Роботам (Общество ядерной спектрометрии, Меельн - Юлих), И.В.Жук и М.К.Киевец (Объединенный институт энергетических и ядерных исследований, Минск, Белоруссия), профессор М.Шута, А.Войцеховский и М.Билевич (Институт атомной энергии, Сверк - Варшава, Польша), профессор Ш.Гербиш (Национальный университет, Улан-Батор, Монголия), А.М.Хильманович, Б.А.Марцинкевич и С.В.Киселев (Институт физики имени Степанова, Минск Белоруссия) и А.Куглер, В.Вагнер и А.Краса (Институт ядерной физики, Ржеж, Чехия), а также М.Мажерле из Института физики имени Ж.Стефана (Любляна, Словения), который проходит длительную стажировку в ИЯФ (Ржеж) и Х.Кумават (Университет Раджастан, Джайпур, Индия).

Интернациональный состав коллаборации "Энергия плюс трансмутация" в этом году пополнился физиками из Харьковского физико-технического института (В.Я.Мигаленя, В.А.Воронко и В.В.Сотников), которые участвовали в совместных исследованиях взаимодействий пучков релятивистских ядер синхрофазотрона со свинцовым блоком (50х50х80 см3), которые в 1980-93 годах выполнялись под руководством профессора К.Д.Толстова ОИЯИ и профессора Н.А.Хижняка (ХФТИ).

Приятно отметить, что как в группе прикладного использования пучков релятивистских ядер ЛВЭ (М.И.Кривопустов, Д.Чултэм, О.С.Заверюха, А.В.Павлюк и другие), основное внимание которой в настоящее время сосредоточено на реализации проекта "Энергия плюс трансмутация", так и среди специалистов, приехавших на этот эксперимент в Дубну, более половины составляют молодые физики, ориентированные на многолетнее сотрудничество с Лабораторией высоких энергий ОИЯИ.

Глубокой благодарности заслуживают огромный труд и настойчивость в достижении проектных параметров нуклотрона коллективов инженерно-технических отделов Лаборатории высоких энергий ОИЯИ, которые под руководством А.Д.Коваленко, В.А.Мончинского и В.И.Волкова выполнили большую работу по созданию и развитию уникального ускорительного комплекса нуклотрона на основе перспективной технологии сверхпроводимости и обеспечению достаточно стабильной его работы с максимальной интенсивностью пучка во время длительных облучений по тематике проекта "Энергия плюс трансмутация".

Изготовление свинцовых мишеней и металлических конструкций для модели многосекционного уранового бланкета, оборудования и приспособлений, необходимых для проведения экспериментов, было выполнено специалистами ЦОЭП и АХП ЛВЭ и РСУ Института, возглавляемыми Ю.И.Тятюшкиным, В.В.Лысовым и С.Е.Ткаченко, а также высоквалифицированными механиками ядерно-физических установок и стендов А.Ф.Елишевым и И.И.Марьиным.

В сентябре 2003 года научно-технический совет ЛВЭ рассмотрел отчет о ходе работ по реализации проекта "Энергия плюс трансмутация", а 19-я сессия Программно-консультативного комитета по физике частиц, включая релятивистскую ядерную физику, состоявшаяся в ноябре 2003 года, одобрила этот отчет и рекомендовала продолжить осуществление этого проекта в рамках темы первого приоритета с привлечением внебюджетных средств.

Для измерения эволюционных характеристик спектров нейтронов и профиля первичного пучка, который облучает уран-свинцовую сборку, применяются комплекты детекторов, выполняющих активационную и трековую томографию как в объеме, так и на поверхности свинцовой мишени (диаметр 8,4 см, длина 48 см) и бланкета, имеющего массу 206,4 кг естественного урана.

Гамма-спектроскопические измерения активационных детекторов и трансмутационных образцов из йода-129, нептуния-237 и плутония-239, экспонировавшихся в ходе облучения уран-свинцовой сборки протонным пучком, выполняются в Лаборатории ядерных проблем многодетекторном комплексе ЯСНАПП отдела ядерной спектроскопии и радиохимии (В.Г.Калинников, П.Чалоун, И.Адам, В.И.Стегайлов, А.Р.Балабекян и др.).

В одном из наших экспериментов впервые с помощью эмульсионной методики получена информация, подтверждающая возможность ее применения для исследования спектров быстрых (с энергией вплоть до 300 МэВ) нейтронов в различных точках объема уранового бланкета. Просмотр эмульсий и анализ полученных результатов выполняется группой профессора Ю.А.Батусова из Лаборатории ядерных проблем.

Программа дальнейших работ по электроядерной тематике и трансмутации радиоактивных отходов включает важный этап реализации проекта "Энергия плюс трансмутация" - исследование ядерно-физических характеристик процессов, которые происходят в урановом бланкете, окружающем свинцовую мишень. Эксперименты с делящимся веществом в виде бланкета качественно отличаются от работ, выполненных до 1998 года на свинцовом блоке и свинцовых мишенях, которые были в основном нацелены на изучение генерации нейтронов.

Участники коллаборации "Энергия плюс трансмутация" благодарят Министерство атомной энергии (ныне - Федеральное агентство по атомной энергии) России за предоставление материала, из которого создан урановый бланкет, - именно благодаря этому появилась возможность проведения исследований по электроядерной тематике и трансмутации радиоактивных отходов атомной энергетики.

В ходе успешно выполненного эксперимента получен большой объем информации, обработка и анализ которой будут проводиться как в лабораториях нашего Института, так и в университетах и институтах государств - членов ОИЯИ и других стран. Многолетние традиции Дубны продолжаются.

М. Кривопустов, руководитель проекта "Энергия плюс трансмутация"

В.Вестмайер, Р.Брандт, Х.Роботам, В.Энсингер и Э.Й.Лангрок (Университет Филиппса, Марбург, Германия):
Мы, немецкие физики с удовлетворением отмечаем, что исследования по актуальной научной программе проекта "Энергия плюс трансмутация", имеющей экологический аспект, проводятся в полном соответствии с основными принципами деятельности ОИЯИ: открытость, прозрачность, творческая атмосфера и объединение усилий и научных интересов ученых из университетов и институтов разных стран Европы, Азии и Австралии для проведения фундаментальных и прикладных исследований.

А.Куглер и В.Вагнер (Институт ядерной физики, Ржеж, Чешская Республика):
За последние годы дипломные работы четырех студентов Пражского университета - В.Гензла, Д.Ганушевой, А.Красы и Ф.Кржижека были посвящены исследованию физических аспектов электроядерного способа производства энергии и трансмутации радиоактивных отходов на протонных пучках синхрофазотрона-нуклотрона ЛВЭ и фазотрона ЛЯП. И как теперь становится ясно, результаты этих дипломных работ войдут заметными составными частями в диссертации, над которыми работают молодые физики.

А.М.Хильманович, Б.А.Марцинкевич и С.В.Корнеев (Институт физики имени Степанова НАН Белоруссии, Минск, Белоруссия):
В ходе совместных работ по научной программе международной коллаборации впервые была адаптирована активационная методика для восстановления спектров быстрых нейтронов в объеме уран-свинцовой сборки и предложен метод эффективных сечений, позволяющий восстанавливать спектры с энергией нейтронов до 100 МэВ. С удовлетворением отмечаем постоянное внимание и готовность оказать поддержку со стороны руководства ЛВЭ задачам, предлагаемым белорусскими учеными по тематике проекта "Энергия плюс трансмутация". Совместные работы, выполняемые на протяжении пяти лет по научной программе этого проекта, проходят в творческой и дружеской атмосфере интернациональной коллаборации, созданной для его осуществления.

Профессор М.Замани, доктор М.Манолополо (Университет имени Аристотеля, Тессалоники, Греция):
В Лаборатории физики высоких энергий нашего университета на основании результатов экспериментов на пучках синхрофазотрона-нуклотрона по электроядерной тематике выполнено три дипломных работы и защищена одна диссертация, а также заканчивается подготовка к защите ещё одной диссертации. Мы заинтересованы в дальнейшем развитии совместных работ, выполняемых университетом (Салоники) и ЛВЭ ОИЯИ, и с благодарностью вспоминаем поддержку академиком А.М.Балдиным нашего участия в этом сотрудничестве.