На главную
ПИК из Гатчины: нейтронная мощь мирового уровня

В Ленинградской области действует реактор ядерный реактор — устройство, в котором идет управляемая цепная реакция, то есть деление ядер тяжелых радиоактивных элементов на более легкие под воздействием нейтронов с выделением значительного количества тепла, который в ближайшие десятилетия будет самым мощным в мире источником нейтронов.

Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт» запускает в Гатчине (Ленинградская область) реактор ПИК — пучковый исследовательский комплекс. Он надолго станет мощнейшим в мире источником нейтронов. Пробный пуск установки уже состоялся. Планируется, что она выйдет на полную мощность в 2022 году.

1 из 4
Кому нужны нейтроны

Нейтроны нужны всем. С их помощью изучают ядерные реакции и поведение элементарных частиц. Облучение нейтронами помогает выяснить внутреннюю структуру, состав и магнитные свойства вещества. Это необходимо физикам, занимающимся свойствами твердых тел, материаловедам, химикам, биологам, фармацевтам. Медики применяют и совершенствуют методы лечения рака с помощью нейтронного облучения. Инженеры вырабатывают технические решения для конструкций, которым предстоит работать в условиях нейтронного облучения (такие системы используются в ядерной энергетике, а в обозримом будущем понадобятся и на термоядерных электростанциях). Список примеров можно продолжать еще долго. И практически по всем этим направлениям будут работать ученые на десятках экспериментальных установок, которые войдут в реактор ПИК.

Как это работает

ПИК имеет много общего с энергетическими атомными реакторами, установленными на АЭС. Так, в качестве топлива используется уран-235. Под действием нейтронов его ядра делятся, испуская новые нейтроны, которые, в свою очередь, делят новые ядра. Так происходит цепная реакция.

Однако основное назначение ПИК — вырабатывать не энергию, а нейтроны. Поэтому с энергетической точки зрения он имеет сравнительно небольшую мощность в 100 мегаватт (обычный энергоблок атомной электростанции вдесятеро мощнее). Однако эта мощность сосредоточена в небольшом объеме активной зоны: около 50 литров. Это позволяет создать необычайно плотный поток нейтронов, который отводится из реактора по специальным каналам (нейтроноводам).

Нейтроны, образующиеся при делении ядер, имеют огромную скорость (а значит, и энергию). Между тем для физиков, химиков и других исследователей представляют интерес частицы с самыми разными энергиями в зависимости от конкретной научной задачи. Поэтому применяется вещество, замедляющее нейтроны (в ПИК это обычная вода).

В разных зонах реактора частицы замедляются в разной степени. Поэтому в распоряжении ученых оказываются потоки самых разных нейтронов: от горячих (самых быстрых) до ультрахолодных (самых медленных).

Так, прямо в активной зоне размещена так называемая нейтронная ловушка из гафния гафний — металл, химический элемент IV группы таблицы Менделеева, в атомной технике используется его способность захватывать нейтроны. Гафний замедляет нейтроны еще эффективнее, чем вода. Здесь начинается центральный канал, по которому поток нейтронов выводится из реактора и подается на экспериментальные установки. На максимальной мощности через каждый квадратный сантиметр сечения канала ежесекундно будет проходить 1,3 × 1015 (1015 — это тысяча триллионов) частиц.

Чтобы нейтроны не разлетались из активной зоны, используется отражатель. На ПИК он состоит из тяжелой воды. В молекулах этого вещества водород представлен своим тяжелым изотопом — дейтерием. Такая вода практически не поглощает нейтроны. Поэтому она возвращает их обратно в активную зону, препятствуя утечке. В отражателе имеется 21 канал, по которому нейтроны выводятся из реактора, так сказать, в руки экспериментаторов.

Кроме того, конструкция установки позволяет размещать образец, который нужно облучить нейтронами, прямо внутри реактора.

Прошлое и будущее

Строительство реактора началось в 1976 году на территории НИИ, ныне носящего название Петербургский институт ядерной физики имени Б.П. Константинова (ПИЯФ) и входящего в НИЦ «Курчатовский институт».

В 1986 году, когда установка была готова более чем наполовину, грянула авария на Чернобыльской АЭС. Чтобы эта катастрофа не повторилась, требования к безопасности ядерных объектов были серьезно усилены. Проект ПИК был заново проанализирован, модернизирован и приведен в соответствие с новыми нормами. К началу 1990-х строительство было уже близко к завершению, но тут началась эпоха перемен. Работы были практически заморожены до середины 2000-х годов. Затем финансирование проекта возобновилось, но его объемы не позволяли ПИЯФ завершить строительство своими силами.

Перелом в судьбе ПИК произошел в 2010 году, когда ПИЯФ вошел в состав Курчатовского института. За короткое время реактор был существенно модернизирован, некоторые элементы были полностью заменены. Теперь он представляет собой современную установку класса «мегасайенс».

28 февраля 2011 года состоялся физический пуск реактора. Это значит, что систему запустили на небольшой мощности, которая не требует специально отводить от нее тепло, — установка охлаждается естественным образом. Впереди энергетический пуск, то есть запуск на полную мощность.

Постепенно ученые налаживали сложнейший комплекс из реактора и установок для экспериментов с полученными нейтронами, и сейчас он почти готов.

«В настоящее время начата подготовка инфраструктуры экспериментов: источники холодных и горячих нейтронов, научные станции, системы транспортировки нейтронов и другое оборудование. Первая фаза этой работы будет закончена в следующем году, когда в соответствии с указом Президента Российской Федерации будут запущены первые пять установок для проведения нейтронных исследований», — рассказывает Максим Владимирович Румянцев, заместитель главного инженера реактора ПИК.

Полномасштабное начало экспериментов планируется на 2022 год после ввода в эксплуатацию первого источника холодных нейтронов и нейтроноводной системы, уточняет эксперт.

Равных нет

«По своим возможностям ПИК превосходит все существующие и строящиеся нейтронные источники», — отмечает Сергей Иванович Воробьев, ученый секретарь Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» — ПИЯФ.

Установка отличается от большинства аналогичных зарубежных проектов очень мощными нейтронными потоками в отражателе, наличием нейтронной ловушки с рекордным потоком и увеличенным числом экспериментальных каналов для вывода нейтронов из реактора, конкретизирует ученый.

Ближайший конкурент ПИК — исследовательский реактор в Международном институте Лауэ-Ланжевена (Гренобль, Франция). Однако последний остановит свою работу в середине 2020-х годов.

Кроме того, в городе Лунд (Швеция) строится импульсный источник нейтронов ESS. Но он основан на других принципах получения нейтронов и по своим возможностям дополняет ПИК, а не конкурирует с ним.

«В ближайшее десятилетие установка ПИК будет лучшей в Европе в своем классе и станет основой Международного центра нейтронных исследований мирового класса в Гатчине», — обещает Воробьев.

Интерес всего мира

Начало исследований на реакторе ПИК и создание Международного центра нейтронных исследований (МЦНИ) является важнейшим событием для всего мирового научного сообщества.

«Мы наблюдаем большой интерес западных коллег к нашим проектам и открыты для международного научного сотрудничества. Так, уже подписано соглашение с Обществом Гельмгольца (Германия) о размещении на базе реактора ПИК станций из Научного центра ГКСС (Геестхахт). Это позволит проводить исследования в области физики конденсированного состояния и материаловедения», — делится фактами Воробьев.

В МЦНИ будут проводиться исследования в области физики, химии, биологии, наук о Земле, материаловедения, технологического контроля изделий, работ по развитию технологий микро- и наноэлектроники, производства изотопов и так далее.

«Такие возможности открывают новые горизонты для исследований: европейские страны, где располагаются крупнейшие научные центры, выражают желание включиться в проект создания МЦНИ. Например, уже готовится межправительственное соглашение между Россией и Германией о вхождении последней в Международный центр нейтронных исследований на базе реактора ПИК», — продолжает эксперт.

Молодые сердца

Установки класса «мегасайенс» во всем мире являются точкой притяжения молодых перспективных кадров. ПИК в этом смысле отнюдь не исключение.

Молодежи есть откуда узнать про этот проект. Сотрудники ПИЯФ преподают на профильных кафедрах в Санкт-Петербургском государственном университете (СПбГУ — один из важнейших участников национального проекта «Образование» и один из центров мирового уровня) и Санкт-Петербургском государственном политехническом университете — вузе-участнике «Проекта 5-100», вовлеченном в формирование сети национальных лидеров образования в рамках федерального проекта «Молодые профессионалы». По инициативе президента НИЦ «Курчатовский институт» Михаила Валентиновича Ковальчука на физическом факультете СПбГУ создана кафедра ядерно-физических методов исследования. Реакторный комплекс станет базовой установкой для студентов этой кафедры.

Петру Ивановичу Конику, заместителю начальника отдела координации международных проектов НИЦ «Курчатовский институт» — ПИЯФ, всего 28 лет. Кажется, совсем недавно он окончил по специальности «Физика» Санкт-Петербургский государственный университет. Теперь же его деятельность — разработка и оптимизация нейтроноводной системы реактора ПИК, а также обеспечение международного (главным образом российско-немецкого) сотрудничества в области использования возможностей реактора ПИК.

«Меня привлекает прикладная направленность как всего проекта в целом, так и моей собственной работы. Реактор ПИК ориентирован на решение практических задач, таких как разработка новых материалов, решение структур белковых молекул, исследование напряжений напряжение (в промышленных изделиях) — мера внутренних сил, возникающих в изделии, подвергнутом внешней деформации в промышленных изделиях. Мои собственные задачи в области оптимизации нейтронных пучков лежат на стыке науки и инженерного дела», — поясняет специалист.

Свою будущую карьеру физик уверенно связывает с проектом ПИК.

«В случае создания Международного центра нейтронных исследований на базе реактора ПИК Гатчина превратится в один из главных нейтронных городов мира, поэтому работа в НИЦ «Курчатовский институт» — ПИЯФ станет еще более привлекательной с точки зрения собственных научных задач и карьерных возможностей», — констатирует Коник.

За наукой приходит рост

ПИК — объект целевой поддержки со стороны государства, в частности, в рамках национального проекта «Наука».

«Проект высокопоточного пучкового исследовательского реактора ПИК — яркий пример продолжения развития меганауки, строительства новых мегаустановок в России. Российская наука всегда была флагманом в области создания ускорительно-накопительных комплексов ускорительно-накопительный комплекс — протонный коллайдер, устройство для исследования столкновений пучков протонов , нейтронных источников, лазеров лазер — оптический квантовый генератор, устройство, преобразующее энергию накачки в узконаправленный поток излучения и токамаков токамак — установка для магнитного удержания плазмы, предшественник термоядерного реактора; имеет форму тора, то есть бублика», — говорит Воробьев.

Гатчинский реактор ПИК сегодня входит в федеральную программу развития синхротронно-нейтронных исследований синхротрон — циклическая установка для ускорения элементарных частиц до близкой к световой скорости; принцип действия основан на явлении резонанса; к синхротронам относится, например, Большой адронный коллайдер и «Нуклотрон» в ускорительном комплексе NICA и является одним из флагманских проектов уникальных научных мегаустановок в России, заключает ученый.

Федеральные проекты в сфере высшего образования включены в Национальный проект «Образование». Их цель — обеспечение глобальной конкурентоспособности российской высшей школы. «Молодые профессионалы» — проект, направленный на формирование сети национальных лидеров высшего образования.

Университеты-лидеры проведут обновление содержания образовательных программ за счет реализации проектов в ходе обучения, решения профессиональных задач (практико- и проектно-ориентированные программы) в кооперации с работодателями, а также обеспечат переход на модульное построение образовательных программ с включением «коротких» программ (адаптивность и гибкость). Со стороны государства будут обеспечены технологическая инфраструктура онлайн-обучения, нормативно-правовая база для использования онлайн-курсов и развития академической мобильности студентов. Также будут созданы условия для академической мобильности научно-педагогических работников (в первую очередь внутрироссийской) и поддержаны лучшие практики. Системным эффектом от реализованных мероприятий будет являться повышение востребованности выпускников образовательных организаций высшего образования на рынке труда.