Сессия ОЯФ РАН

Нейтронная ядерная физика: что впереди?

В программе Международной сессии-конференции "Физика фундаментальных взаимодействий" секции ядерной физики Отделения физических наук РАН, проводившейся в апреле в Дубне, была предусмотрена специальная сессия "Нейтронные методы исследования вещества". Об итогах ее работы рассказывает научный руководитель ЛНФ ОИЯИ и Петербургского института ядерной физики имени Б.П.Константинова НИЦ "Курчатовский институт" член-корреспондент РАН Виктор Лазаревич Аксенов.

РЕШЕНИЕМ оргкомитета в рамках Международной сессии-конференции была организована специальная сессия "Нейтронные методы исследования вещества". Это вполне естественное решение: когда мы отмечаем 60-летие ОИЯИ, то просто обязаны сказать о нейтронной физике. И не только потому, что Лаборатория нейтронной физики была образована в том же 1956 году, это была одна из первых лабораторий ОИЯИ. Главная причина состоит в том, что нейтронная физика внесла существенный вклад в научный престиж, в научное имя Объединенного института. В настоящее время нейтронная физика - это известная в мире часть деятельности ОИЯИ, а ЛНФ - один из ведущих мировых центров нейтронных исследований. Кратко я сформулирую, о каких достижениях идет речь.

Здание реактора ИБР-2

Прежде всего, ОИЯИ известен своим пульсирующим реактором. Это совершенно оригинальное, отдельное направление в области создания источников нейтронов. Идея пульсирующих реакторов зародилась в Обнинске и была привнесена в Дубну первым директором Института Дмитрием Ивановичем Блохинцевым. Как раз в 1956 году первый пульсирующий реактор начал сооружаться. Все эти годы источники нейтронов на базе пульсирующих реакторов развивались и совершенствовались, и сегодня реактор ИБР-2 - один из пяти самых высокопоточных мировых источников нейтронов. Эти работы неоднократно отмечались государственными наградами. Отмечу только, что первая серия ИБРов была отмечена Государственной премией СССР в области науки и техники в 1977 году, а реактор ИБР-2 - премией Российской Федерации в 1996-м.

ВТОРОЕ, что нельзя не отметить, - научные достижения, полученные на пульсирующих реакторах. Напомню некоторые. Все знают об ультрахолодных нейтронах, которые были открыты в 1968 году на пульсирующем реакторе группой Федора Львовича Шапиро. Он пришел сюда работать по приглашению Нобелевского лауреата академика Ильи Михайловича Франка, имя которого носит лаборатория. Ф.Л.Шапиро сыграл огромную роль в формировании научной программы ЛНФ и, по существу, научной программы всего этого направления, называющегося нейтронной физикой. О современном состоянии физики ультрахолодных нейтронов на сессии был пленарный доклад сотрудника Института Лауэ - Ланжевена (Гренобль, Франция) В.Несвижевского. Нельзя не отметить инициированные Федором Львовичем исследования свойств атомных ядер и фундаментальных симметрий, связанные с использованием поляризованных нейтронов и поляризованных мишеней. Это направление получило огромное развитие у нас в стране и во всем мире. Достижения ЛНФ в нейтронной ядерной физике были отражены в пленарном докладе директора лаборатории В.Н.Швецова.

Нельзя не отметить совершенно замечательные результаты, полученные на реакторе ИБР-30, по исследованию спектра возбуждения в сверхтекучем гелии. Эти работы широко обсуждались в мире, имели поддержку Николая Николаевича Боголюбова, который параллельно с Л.Д.Ландау был одним из основателей теории сверхтекучих жидкостей и сверхпроводимости. В связи со сверхпроводимостью нужно вспомнить работы на ИБР-2 по изучению структуры и физических свойств высокотемпературных сверхпроводников, которые также поддерживал Н.Н.Боголюбов.

Мировое значение имеет и вклад ЛНФ и ОИЯИ в разработку методов исследований. Прежде всего я имею в виду развитие методов структурной нейтронографии по времени пролета. Впервые дифракция нейтронов по времени пролета была реализована на пульсирующем реакторе в Дубне в 1964 году по инициативе польских физиков А.Бураса и Е.Яника. Эти работы поддерживались Ф.Л.Шапиро и И.М.Франком. Фактически это лидирующее сегодня в мире направление в области дифракции зародилось в Дубне и получило здесь принципиальное развитие. Здесь наиболее заметным результатом стало развитие метода Фурье-дифрактометрии. Были созданы Фурье-дифрактометры, которые по точности своих измерений находятся на пределе возможностей дифракционных методов исследований. Эти работы также были отмечены Государственной премией Российской Федерации в области науки и технологий в 2000 году за развитие и реализацию новых методов структурной нейтронографии по времени пролета.

ЭТУ СЕССИЮ мы организовали, чтобы обсудить состояние дел в нейтронной ядерной физике. Главная проблема состоит в том, что число источников нейтронов для физических исследований неуклонно уменьшается во всем мире. Это естественный процесс, поскольку выводятся из эксплуатации реакторы, построенные в 1960-1970-х годах, а новые не строятся. Последний новый реактор FRM-2 был построен в Мюнхене и сейчас строится реактор ПИК в Гатчине. К реакторам сейчас отношение негативное, а источники нейтронов на базе ускорителей довольно дороги. Новые источники были построены в 2000-х годах - в США, Японии, работают прекрасные источники в Великобритании, в Швейцарии, продолжает работать наш ИБР-2, но, во-первых, их не хватает вообще, а, во-вторых, происходит некоторое вытеснение ядерной физики. Это связано с двумя обстоятельствами. Во-первых, бурно развивается использование нейтронов в физике конденсированного состояния, в химии, биологии, а ядерная физика с использованием нейтронов в последние годы не получает такого развития. Повторюсь, главная причина в отсутствии современных источников нейтронов для ядерной физики, и ситуация сегодня такова: есть хорошие теоретические группы, но развития ядерной физики не происходит, поскольку нет интригующих экспериментальных результатов. А дальше возникает самосогласованная ситуация, которая приводит к деградации этой области ядерной физики вообще. Казалось бы, что волноваться, идут какие-то объективные процессы, которые всегда происходят в науке на разных ее этапах. Ядерная физика сыграла колоссальную роль в развитии цивилизации, по существу, весь ХХ век - это ядерная физика. Но мне представляется, что этот вопрос требует определенного внимания, поскольку ядерная физика была, есть и будет основой ядерной энергетики. А поскольку мы возлагаем на ядерную энергетику определенные надежды в связи с развитием экономики, в том числе нашей страны, то этой области должно быть уделено внимание.

Петербургский институт ядерной физики

В определенной степени эта специальная сессия была направлена на обсуждение наиболее важных научных проблем и состояния источников. Общее состояние дел я изложил в своем докладе "Европейский нейтронный ландшафт", обсуждая состояние дел в Европе вообще и, конкретно, в связи с реактором ПИК, который сооружается в ПИЯФ НИЦ "Курчатовский институт". Поскольку это новый источник для Европы, но в первую очередь - для России, то вызывает озабоченность именно эта часть, связанная с ядерной физикой, которая проявилась после того, как мы разработали научную программу для реактора ПИК и концепцию создания экспериментальных станций. Эта концепция была подвергнута тщательной, детальной научной экспертизе, проведенной ведущими учеными основных мировых нейтронных центров. Она продолжалась более года, и в результате мы получили полную картину: все, что касается научной программы экспериментальных станций по рассеянию нейтронов конденсированного состояния вещества, соответствует современному международному уровню, а что касается ядерной физики, то предложения есть, но они, я бы сказал, не доработаны до современного европейского уровня.

НА ЭТОЙ СЕССИИ были представлены все имеющиеся в нашей стране источники нейтронов: в первую очередь, это работающий испарительный источник ГНЕЙС в Гатчине, имеющий 5 экспериментальных установок, на которых можно проводить современные научные исследования, несмотря на то, что это довольно старый источник - он был создан 40 лет назад. При этом число экспериментов совершенно не соответствует возможностям этой установки: на источнике работают физики Гатчины, а исследователи из других центров его возможностями не пользуются. Реактор ИР-8 в "Курчатовском институте", по существу, сейчас используется для физики конденсированного состояния. В принципе, неплохой источник в Институте ядерных исследований в Троицке, но, к сожалению, режим работы ускорителя на нейтронную мишень ограничен одной-двумя неделями в год. Понятно, что говорить здесь о каких-то возможностях не приходится. Реактор ВВРМ в Гатчине, так же как и не очень большой мощности, но очень хороший для проведения домашних исследований реактор в МИФИ, переведены в режим длительного останова. Очень хороший реактор в Томском политехническом институте, но он не имеет установок на выведенных пучках и предназначен, главным образом, для облучения. Новый источник создается в ФЭИ в Обнинске, и хотя он имеет не очень большую мощность, но ориентирован на проведение работ по получению ядерных данных, что очень важно для энергетики. Вот, собственно, и все.

И на этом фоне, конечно, мы возлагаем большие надежды на ОИЯИ, где хотя и медленно, но все-таки создается источник ИРЕН, предназначенный для ядерно-физических исследований. В настоящее время он может быть использован для методических работ, но как следует из доклада В.Н.Швецова, можно ожидать, что через год-полтора он будет пригоден для проведения научных исследований. Если подвести итог состояния источников нейтронов для ядерной физики у нас в стране, то картина, я бы сказал, получается нерадостная: с одной стороны, источники нейтронов вроде бы есть - ГНЕЙС, ИР-8, ИРЕН и два канала на ИБР-2. Фактически же работы на современном уровне можно вести лишь на старом спектрометре ГНЕЙС, но он используется только физиками ПИЯФ. Эта та самая самосогласованная ситуация, о которой я уже говорил: нет условий для проведения экспериментов на высоком уровне, поэтому нет стимула для изучения, и число групп, работающих в нейтронной ядерной физике, очень невелико: это Дубна, небольшая группа в Гатчине и Обнинск.

ХОЧУ ОБРАТИТЬ ВНИМАНИЕ еще на одну проблему, обсуждавшуюся на этой сессии, - это создание новых источников нейтронов. В значительной степени проблемы общего состояния ядерной физики - это отсутствие высокопоточных источников нейтронов. С другой стороны, для науки, для физики всегда надо заглядывать вперед, поскольку существующие и создаваемые источники нейтронов всех типов практически достигли своих технологических пределов и создать более мощные источники на базе существующих не представляется возможным. Возможны три направления. Традиционные реакторы с непрерывным потоком: реактор ПИК - предел возможностей для такого типа реакторов. Пульсирующие реакторы - ИБР-2 оказался исключительно удачным в своем исполнении, но расчеты, проведенные в ЛНФ по его оптимизации, показывают, что он был спроектирован самым оптимальным образом и больше ничего улучшить нельзя. Третье, развивающееся направление - на базе протонных ускорителей с нейтрон-производящей мишенью: создается Европейский испарительный источник ESS в Лунде (Швеция), он тоже представляет собой предел возможного. Поэтому мы стали смотреть, какие возможности есть, и вернулись к тем вариантам, которые здесь в Дубне и развивались: это бустерные системы, то есть системы, в которых имеется ускоритель, производящий нейтроны, и размножающая сборка. Может быть, для неспециалистов понятнее так: подкритический ядерный реактор с использованием ускорителя частиц в качестве инициатора ядерной реакции. ИБР-30 и был таким бустером, который проработал фактически с 1964 года до конца прошлого века, так что опыт в этом направлении очень большой. Более того, первоначальный проект ИБР-2 предполагал возможность использования бустерного варианта, так что мы вернулись к этой идее на современном уровне. Такие бустерные системы уже давно рассматриваются в ядерных центрах, в частности, в известных ВНИИЭФ (Арзамас) и ВНИИТФ (Снежинск). Но там ставилась главная задача - получение высокого общего потока нейтронов, а нам важна плотность потока нейтронов. Для этого необходима компоновка активной зоны как можно меньшего объема. Те расчеты, что мы провели в Дубне (доклад Ю.Н.Пепелышева), и были направлены на применение идей повышения плотности потока нейтронов, развитых в этих центрах. Такие расчеты показывают, что при скромных параметрах ускорителя, легко достижимых сегодня, - 600 МэВ, можно создать источник нейтронов, по своим возможностям такой же, как ESS. Так что перспективы есть, это направление мы будем развивать. Во-первых, надо попытаться сделать такую размножающую мишень на ИРЕН, что сразу же выведет установку на самый современный уровень, и начать работы по проекту нового источника, который должен появиться после завершения работы ИБР-2. Я считаю, эта сессия была вполне успешной, а все обсуждения будут продолжены на нашей традиционной конференции ISINN в конце мая.

Ольга Тарантина