ИЯИ РАН - Нейтронные методы - передовой фронт атомной науки и техники

Атомная энергетика и промышленность, являясь наиболее высокотехнологичным сектором отечественной экономики, всегда опирались в своем развитии на достижения фундаментальных исследований. В силу своей специфики фундаментальные исследования направлены на выяснение основных закономерностей строения окружающей нас материи. При этом продвижение на пути научного познания становится возможным в результате создания все более сложных и масштабных инструментов исследований, что неизбежно по прошествии некоторого времени приводит к совершенствованию технологий, реализуется в качественно новых технических решениях. Происходит, как принято говорить, реализация результатов научных исследований в практических приложениях. Этот процесс наиболее ярко протекает в постиндустриальных странах, где доля высокоинтеллектуального продукта в общем объеме производства неуклонно возрастает.

Современные возможности освоения ядерной и термоядерной энергии опираются на понимание фундаментальных закономерностей в мире атомных ядер и элементарных частиц. Дальнейшее проникновение в глубь материи связано с изучением строения и взаимодействий субъядерных частиц. Согласно современным представлениям, закономерности в мире элементарных частиц и процессы эволюции Вселенной тесно взаимосвязаны. Более того, известная нам совокупность элементарных частиц и космологических объектов составляет малую часть Вселенной (проблема "темной материи" или скрытой массы во Вселенной).

Для изучения проблем, стоящих перед современной ядерной физикой, получения новых данных о взаимосвязи физики элементарных частиц, астрофизики и космологии, расширения возможностей экспериментальных исследований в 1970 году решением Президиума Академии наук СССР был образован Институт ядерных исследований (ИЯИ). На институт была возложена задача создания и развития крупного комплекса низкофоновых подземных и наземных установок на Северном Кавказе для исследования физики космических лучей и нейтринной астрофизики, ныне известного как Баксанская нейтринная обсерватория (БНО ИЯИ РАН). Одновременно в Подмосковье в научном центре Академии наук "Красная Пахра" (ныне город Троицк, Троицкий научный центр РАН) ИЯИ должен был организовать крупный исследовательский центр для исследований в области фундаментальной и прикладной ядерной физики промежуточных энергий на базе сильноточного ускорителя ионов водорода на энергию до 600 МэВ.

Академики М.В. Келдыш и М.А. Марков стояли у истоков создания ИЯИ, а его первым директором был академик А.Н. Тавхелидзе, ныне возглавляющий теоретический отдел института. Более восемнадцати лет возглавляет институт академик В.А. Матвеев. В институте работали академики И.М. Франк и А.Е. Чудаков, продолжаются исследования под руководством членов РАН Г.Т. Зацепина, В.М. Лобашева, В.А. Рубакова, В.А. Кузьмина, О.Г. Ряжской.

Многие идеи, легшие в основу создания ИЯИ РАН, реализованы и получили дальнейшее развитие в мировом научном сообществе, как например, результаты многолетнего российско-американского эксперимента SAGE на галлий-германиевом нейтринном телескопе БНО. Большой подземный сцинтилляционный телескоп БНО входит в систему глобальных наблюдений за источниками излучения во Вселенной. Для регистрации мюонов и нейтрино сверхвысоких энергий в больших объемах под водой создана Байкальская нейтринная обсерватория.

Одно из направлений наших работ связано с реализацией проекта импульсного нейтронного источника ИН-06 на базе ускорительного комплекса. Развитие исследований в области нейтронной физики и ее приложений находится на стыке проблем ядерной энергетики, разработки новых материалов и изучения наноструктур. Физический пуск нейтронного источника ИЯИ РАН осуществлен в 1998 году. В ближайшее время предполагается завершение создания первой очереди нейтронного комплекса, включающего ИН-06 и другие нейтронные ядерно-физические установки, а также нейтронографические установки для исследования конденсированных сред.

Показательно, что заложенная в проект ИЯИ РАН оригинальная концепция получения импульсов нейтронов под действием ускоренных протонов в мишенях из тяжелого металла получила дальнейшее развитие в создаваемых за рубежом крупных исследовательских комплексах. Интерес к подобным центрам в других странах связан с ожидаемыми перспективами экономического прогресса на основе развития и освоения наукоемких технологий. Значительные вложения сделаны в развитие установок по применению методов нейтронного рассеяния. В ближайшие несколько лет США, Япония, Австралия завершат создание нейтронных центров, стоимость сооружения каждого из которых составляет не менее одного миллиарда долларов США. Это отражает значимость развития нейтронных методов исследования вещества для совершенствования существующих технологий и поиска новых возможностей создания материалов с заданными свойствами. Учитывая наметившиеся тенденции, в МАГАТЭ ведется проработка вопросов развития нейтронных исследований в развивающихся странах.

Следует отметить, что новое поколение нейтронных источников создается на основе комплексов "ускоритель - нейтронные мишени". Такая комбинация, в отличие от источника нейтронов в виде ядерного реактора, обеспечивает лучшие условия для получения хорошо контролируемых и управляемых нейтронных пучков. Нейтроны в управляемых ускорителем нейтронных источниках (УУНИ) рождаются в мишенях из тяжелых неделящихся металлов, главным образом, в результате процесса скалывания, а не в процессе деления ядер. Сравнительно небольшое тепловыделение в мишени в расчете на один нейтрон, а также возможность получения нейтронных импульсов требуемой и варьируемой в нужных пределах длительности также является важным преимуществом УУНИ по сравнению с источниками деления.

Резерфордовская лаборатория (Великобритания) получила финансовую поддержку в размере сто миллионов фунтов стерлингов на реализацию второй очереди мишенной станции (ISIS Target Station 2 project, завершение в 2008 году). Уже упомянутые выше проекты - американский US Spallation Neutron Source (SNS ) и японский Japanese Spallation Neutron Source (JSNS) - находятся на стадии реализации, имеется предложение о создании в Китае Chinese Spallation Neutron Source (CSNS, предполагаемое завершение в 2010 году), разработан проект Европейского нейтронного источника (ESS).

Наряду с УУНИ с рекордными параметрами, МАГАТЭ рассматривает возможности создания источников средней и малой интенсивности в интересах предварительной отработки новых методов нейтронных исследований и соответствующих технологий, а также для подготовки кадров для науки и промышленности. Оптимальный набор аппаратуры должен обеспечить следующие возможности измерений: малоугловое рассеяние нейтронов, рефлектометрию, порошковую и поликристаллическую дифрактометрию, в том числе при механической нагрузке образцов, активационный анализ, время-пролетную технику для некогерентно-неупругих экспериментов, тестирование нейтронных устройств типа детекторов и нейтронной оптики: оптимизация технологии нейтронных источников (нейтроники), т.е. всего комплекса "мишень-замедлитель-рефлектор".

Параметры УУНИ начинают конкурировать с высокопоточными реакторами, например, с RHF института Лауэ-Ланжевена в Гренобле, где поток тепловых нейтронов составляет величину порядка 1,3x10¹⁵ н/см²с. Реализация проектов крупных УУНИ осуществляется в тесной кооперации национальных центров.

В настоящее время в США (Indiana University) создается источник нейтронов малых энергий мощностью до 10¹⁴ н/с (Low Energy Neutron Source, LENS, завершение в 2006 году) с капитальными вложениями от 10 до 30 миллионов долларов и стоимостью эксплуатации 10-15% от капитальных вложений. Импульсные источники нейтронов средних энергий, такие как ISIS в Великобритании и Lujan Center (Los Alamos) в США, с интенсивностью до 10¹⁶ н/с требуют разработки и создания дополнительной инфраструктуры. Кстати, на базе Lujan Center образован центр по нанотехнологиям.

Приведенные данные показывают, насколько актуальным является для России завершение работ по созданию крупного исследовательского комплекса для широкого круга нейтронных исследований на базе сильноточного ускорителя ионов водорода ИЯИ РАН. Соответствующая инфраструктура первой очереди в основном создана. В ближайшие годы при сохранении намеченного объема финансирования планируется выведение ускорителя на мощность 100 кВт, что обеспечит получение нейтронных пучков достаточно высокой интенсивности для реализации исследований по изучению динамики и структуры конденсированных сред, в том числе материалов атомной науки и техники. Ведется проработка возможностей создания многофункционального подкритического стенда для исследований и моделирования концепции ускорительно-управляемых систем и трансмутации продуктов ядерной энергетики. Имеющиеся в ИЯИ РАН в составе нейтронного комплекса уникальный нейтронный спектрометр по времени замедления нейтронов в свинце СВЗ-100 и время-пролетный спектрометр уже сейчас позволяют проводить прецизионные измерения ядерных данных в минорных актинидах - в материалах, представляющих ключевой интерес для перспектив развития ядерной энергетики. Дополнительно в 2005 году в ИЯИ РАН создана и оборудована современным оборудованием лаборатория рентгеноструктурного анализа. Реализация программы исследований предполагает тесную кооперацию ИЯИ РАН как с академическими институтами, так и с организациями Росатома.

Эдуард КОПТЕЛОВ,
заместитель директора ИЯИ РАН,
доктор физико-математических наук