Энергетический пуск
Под Гатчиной заработал исследовательский нейтронный реактор ПИК
В Гатчине под Петербургом прошел первый этап энергетического пуска исследовательского нейтронного реактора ПИК, который строился с середины 1970-х годов. Реактор, предназначенный для изучения элементарных частиц, структуры биологических молекул и многих других задач, выведен на энергию 100 киловатт, но до проектной мощности в 100 мегаватт он доберется примерно через два года. Подробнее о том, как строился ПИК, как он устроен и какие задачи будет решать, читайте в нашем материале.
Научный долгострой
Физики-ядерщики в постсоветскую эпоху сформулировали грустную «теорему»: до запуска реактора ПИК остается девять лет. Всегда девять лет. В самом деле, реактор ПИК, принадлежащий Петербургскому институту ядерной физики (Гатчинa) — старейший долгострой среди российских научных проектов. Параметры процессов, которые будут протекать в реакторе, впервые рассчитали еще в середине 1960-х Юрий Петров и Алексей Ерыкалов, одновременно инженеры под руководством Кира Королева начали прорабатывать модель установки. В 1976 году ПИК начали строить.
В 1983 году заработал критический стенд — маломощный макет, строение и физические свойства которого воспроизводят «большой» реактор. Эксперименты с критической сборкой подтвердили, что расчеты ученых верны. В 1986 году ПИК был готов больше чем наполовину — строители возвели технические здания, ученые начали налаживать оборудование. А потом произошла авария на Чернобыльской АЭС.
После катастрофы требования к ядерной безопасности сильно ужесточились, проект реактора пришлось заморозить и полностью переработать, а затем заново пройти экспертизу. В 1988 году эти работы удалось завершить, и к 1991 году реактор практически достроили. К сожалению, после распада СССР финансирование проекта резко снизилось, и его пришлось законсервировать.
Впрочем, в каком-то смысле длительная задержка в строительстве реактора даже оказалась удачной — за это время вычислительная мощность компьютеров сильно выросла, и теоретические расчеты удалось перепроверить с помощью численного моделирования.
Полноценные работы на реакторе возобновили только в 2007 году, когда правительство РФ выделило на строительство ПИК около шести миллиардов рублей. Еще несколько лет ушло на восстановление после консервации. В 2009 году был сдан в эксплуатацию первый пусковой комплекс, после чего ученые пообещали запустить реактор. Но задержки финансирования и проверки Ростехнадзора оттягивали этот момент на неопределенный срок.
Наконец, в феврале 2011 года состоялся физический пуск реактора на мощности порядка 100 ватт (мощность электрической лампочки). Физический пуск — это еще не полноценное начало работы, это скорее проверка реактора. При физическом пуске в установку загружают топливо и выводят реактор на минимальный контролируемый уровень мощности, а затем смотрят, насколько сильно поведение установки отличается от ожидаемого.
Такие проверки проводят потому, что при сооружении реактора допускаются технические отклонения от расчетных параметров, а также возникают небольшие отличия в химическом и нуклидном составе частей реактора (например, поглотителей и твэлов). Из-за этого характеристики активной зоны могут немного отличаться от расчетных. В то же время, чтобы обеспечить безопасную работу с реактором, необходимо знать эти параметры с высокой степенью точности.
В том же году гатчинский реактор вошел в программу «Мегасайенс», которая поддерживает проекты с международным участием и предполагает финансирование в масштабах десяти миллиардов долларов. Подробнее прочитать про другие проекты-участники этой программы — синхротронные ускорители в Москве и Новосибирске — можно в нашем материале «Больше синхротронов». Кроме того, ученым удалось договориться о сотрудничестве с Юлихским центром по нейтронным исследованиям (Германия), который передал ПИКу научное оборудование, оставшееся после реактора FRG-1, закрытого в 2010 году. В обмен немецкие исследователи получили 15 процентов времени работы реактора.
После физического пуска следует уже настоящий, энергетический пуск, при котором реактор выводят на проектную мощность. В 2011 году руководство НИЦ «Курчатовский институт», поглотившего к тому времени ПИЯФ, обещало, что энергетический пуск состоится в ближайшие несколько лет, однако по неизвестным причинам этот процесс задержался.
В ноябре прошлого года президент НИЦ «Курчатовский институт» Михаил Ковальчук сообщил, что разрешение «Ростехнадзора» на энергетический пуск реактора на мощности 100 киловатт (примерно в тысячу раз меньше проектной мощности) уже получено, причем пуск состоится в начале февраля. По информации N + 1, реактор был выведен на эту мощность уже в январе 2019 года. При этом приборы, работающие на реакторе, предназначены только для измерения его параметров, а независимые эксперименты с нейтронными пучками пока еще не готовы. Поэтому назвать этот пуск по-настоящему полноценным нельзя. Тем не менее, он подтверждает, что реактор готов наращивать мощность.
Устройство и характеристики ПИК
Проектная мощность ПИК составляет сто мегаватт, максимальная плотность потока тепловых нейтронов — около пяти квадриллионов (5 × 1015) частиц на квадратный сантиметр в секунду. В отражателе плотность падает до 1,3 × 1015 нейтронов на квадратный сантиметр в секунду. Это рекордное значение для реакторов непрерывного действия.
На первый взгляд кажется, что мощность реактора ПИК сравнительно невелика. В самом деле, реакторы РБМК-1000 или ВВЭР-1000, установленные на большинстве российских АЭС, генерируют около 1000 мегаватт, а самый мощный реактор в мире, заработавший в прошлом году в Китае, производит 1750 мегаватт энергии. Это на порядок выше мощности ПИК.
Объясняется эта разница тем, что ПИК — исследовательский реактор и для него на первом месте стоит производство нейтронов, а не тепла. С одной стороны, чтобы повысить мощность реактора, надо организовать хорошее охлаждение рабочей зоны, а для этого необходимо увеличить ее размер. С другой стороны, чем больше размер рабочей зоны, тем меньше нейтронов успевает ее покинуть. При нынешнем уровне развития техники мощность реактора ПИК, выделяющаяся в 50 литрах его рабочей зоны, позволяет получить максимальный поток нейтронов.
В рабочей зоне реактора находится 27 килограмм обогащенного до 90 процентов урана, который охлаждается «легкой» (обычной) водой. Это означает, что 90 процентов составляет изотоп уран-235. Следует иметь в виду, что в обычных энергетических реакторах уровень обогащения по этому изотопу не превышает 3-5 процентов, для быстрых реакторов он составляет около 15–25 процентов, а уровень выше 85 процентов соответствует оружейному урану.
Рабочая зона окружена тяжеловодным отражателем толщиной около двух метров, который поглощает бóльшую часть быстрых нейтронов и гамма-квантов, обеспечивает максимальное отношение потока нейтронов к мощности и позволяет заменять экспериментальные каналы после пуска реактора. По каналам нейтроны отводятся из реактора к экспериментальным установкам.
Всего экспериментальных каналов у ПИКа 22 — десять горизонтальных, шесть наклонных и шесть вертикальных. Это позволяет подключить к установке до 50 экспериментальных станций, работающих одновременно. В зависимости от того, из какой области реактора забираются нейтроны и какую обработку проходят, их энергия может меняться от 0,2 электронвольт (горячие нейтроны) до 2 × 10−7 электронвольт (ультрахолодные нейтроны).
Научные задачи
Около половины каналов-нейтроноводов ученые отдадут экспериментам из области ядерной физики и физики частиц.
Во-первых, исследователи измерят электрический заряд и дипольный момент нейтрона. Во-вторых, ученые в подробностях исследуют β-распад нейтрона — уточнят его период, измерят корреляционные константы процесса и проверят закон сохранения T-четности. Возможно, эти эксперименты объяснят загадку времени жизни нейтрона и укажут на физику за пределами Стандартной модели. В-третьих, часть экспериментов будет посвящена осцилляциям нейтрино и поиску стерильных нейтрино.
Кроме того, на установке будут проводиться нейтронно-оптические и нейтронно-интерферометрические эксперименты, а также исследования слабого нуклон-нуклонного взаимодействия. Все эти темы в настоящее время активно обсуждаются в научном сообществе (чтобы убедиться в этом, достаточно почитать новости), поэтому результатов ПИК ждут не только экспериментаторы, но и теоретики.
На второй половине каналов будут располагаться эксперименты по физике конденсированного состояния. Проще говоря, в этих экспериментах ученые будут определять кристаллическое строение веществ с помощью нейтронных дифрактометров, спектрометров и рефлектометров различных конструкций. Более того, с помощью нейтронов можно наблюдать за динамикой атомов — «снимать кино», а не статичные картинки. Такие измерения широко используются в современном материаловедении, геологии, химии, биологии, медицине и даже археологии.
Попробуем разобраться, почему нейтроны так удобно использовать для исследования внутренней структуры вещества. Характерное расстояние между атомами кристаллической решетки, как правило, составляет несколько ангстрем (10−8 сантиметров), поэтому разглядеть их можно только с помощью частиц со сравнимой длиной волны — рентгеновских или гамма-лучей, электронов, протонов и нейтронов. Тем не менее, по сравнению с остальными кандидатами, нейтроны имеют ряд важных преимуществ.
Во-первых, при одинаковой длине волны кинетическая энергия тяжелых нейтронов гораздо меньше, чем у легких фотонов или электронов (электрон почти в две тысячи раз легче нейтрона, фотон вообще не имеет массы). Вдобавок к этому, нейтроны электрически нейтральны. Следовательно, они слабо взаимодействуют с образцом и с их помощью можно «заснять» низкоэнергетические процессы — например, тепловые колебания атомов.
Во-вторых, нейтроны имеют ненулевой магнитный момент (спин), а потому чувствительны к магнитным свойствам вещества. Например, они могут ухватить возбуждения в высокотемпературных сверхпроводниках.
В-третьих, нейтроны взаимодействуют с ядрами атомов, а не с электронными оболочками, а потому гораздо лучше «чувствуют» изотопический состав вещества. В частности, с помощью нейтронов можно разглядеть легкие атомы водорода и кислорода в соединениях тяжелых элементов, что практически недоступно для других методов. Поэтому нейтронные «микроскопы» играют важную роль при исследовании биологических соединений и разработке материалов для водородной энергетики.
Экспериментальные установки на ПИК планируют вводить постепенно. Буклет ПИЯФа сообщает, что к 2019 году на реакторе будут работать только 12 научных станций: три из них посвящены ядерной физике и физике элементарных частиц, еще девять — физике конденсированного состояния. К 2021 году число установок доведут до 19.
Часть экспериментов будут ставить зарубежные ученые — руководители проекта утверждают, что им уже поступили заявки от нескольких крупных европейских институтов. Учитывая, какие исследования можно провести на ПИК, в это можно легко поверить.
Аналоги установки в мире
Несмотря на то, что проект реактора ПИК был предложен еще в 1960-х годах прошлого века, он до сих пор остается актуальным. Как утверждают эксперты ПИЯФ, разработанная тогда схема реактора — охлаждаемая «легкой» водой активная зона и отражатель из тяжелой воды — до сих пор считается самой эффективной. Практически все современные реакторы-источники нейтронов построены по той же схеме.
В настоящее время в мире работает около ста реакторов с выведенными нейтронными пучками, предназначенных для физических исследований. Около двадцати из них создают потоки порядка 1014 нейтронов в секунду на квадратный сантиметр, и всего два генерируют мощности, сравнимые с заявленной мощностью ПИК.
Первый — это в 1971-м (High Flux Reactor) в институте Лауэ-Ланжевена в Гренобле (Франция), мощность которого составляет примерно 58 мегаватт, а поток — около 1,5 × 1015 нейтронов на квадратный сантиметр в секунду. Благодаря такому потоку на установке могут одновременно работать около сорока групп ученых.
Вторая установка —
(High Flux Isotope Reactor) Окриджской национальной лаборатории (США) — обеспечивает поток порядка 10
нейтронов на квадратный сантиметр в секунду при тепловой мощности около 85 мегаватт. Раньше в США также работал реактор HFBR, имевший сравнимую мощность и поток нейтронов, однако в 1999 году его окончательно
.
Еще один реактор, совсем чуть-чуть «не дотягивающий» до рекордных значений, — немецкий FRM II с мощностью 20 мегаватт и потоком около 8 × 1014 нейтронов на квадратный сантиметр в секунду.
Более того, «реакторы-рекордсмены» были построены примерно в то же время, в которое был разработан проект ПИК — в 1960-1970 годах. Реактор HFIR в Ок-Ридже вышел на максимальную мощность в 1966 году, HFR в Гренобле — в 1971-м. Со временем такие реакторы «выгорают» под действием мощного потока нейтронов, и работать с ними становится опасно. Именно по этой причине остановили реактор HFBR, на котором произошла утечка тяжелой воды, а HFR и HFIR в 1990-х годах реконструировали — в том числе, чтобы соответствовать новым требованиям ядерной безопасности, ужесточенным после Чернобыльской аварии.
Впрочем, даже с учетом реконструкции реактору в Гренобле осталось работать около десяти лет. HFIR, который работает в более щадящем режиме (161 день в год против 200), «протянет» чуть дольше, до 2040-х годов. Реактор FRM II к этому времени тоже уже закроется.
При этом замену «выгоревшим» реакторам ученые строить не собираются, надеясь заменить их ускорителями, на которых нейтроны рождаются за счет столкновений протонов и мишени. В Ок-Ридже такой ускоритель работает с 2006 года, в Европе его планируют достроить уже в этом году.
Впрочем, несмотря на то, что пиковый поток на таких установках в десятки раз превышает поток реакторов, их интегральный поток (усредненный за долгое время) все-таки меньше 1015 нейтронов на квадратный сантиметр в секунду. Таким образом, в ближайшие 15–20 лет аналогов ПИК в мире практически не останется.
Дмитрий Трунин
Ее до сих пор не удавалось зарегистрировать из-за акустичности, электро-нейтральности и отсутствия взаимодействия со светом
Физики экспериментально обнаружили в рутенате стронция Sr2RuO4 особый вид плазмона — демон Пайнса. Существование этой частицы было предсказано 67 лет назад, но из-за акустичности, электро-нейтральности и из-за отсутствия взаимодействия со светом ее до сих пор не удавалось зарегистрировать. Чтобы обнаружить демона, ученые применили метод спектроскопии характеристических потерь энергии электронов с разрешением по импульсу. Статья опубликована в журнале Nature. В 1952 году американские физики Дэвид Пайнс и Дэвид Бом описали коллективное поведение электронного газа в плазме, которое можно представить в виде квазичастицы, которую назвали плазмоном. Некоторые виды плазмонов уже научились регистрировать. В 1956 году Пайнс предположил, что в металлах могут существовать особые плазмоны, которые возникают при колебании электронов из разных зон в противофазе, что приводит к модуляции заселенности этих зон. Такие плазмоны назвали демонами: они не обладают ни массой, ни электрическим зарядом, да и со светом не взаимодействуют, — поэтому их крайне сложно зарегистрировать обычными методами. Группа физиков под руководством Петра Аббамонте (Peter Abbamonte), профессора Университета Иллинойса, изучала рутенат стронция Sr2RuO4. Этот металл обладает тремя вложенными зонами, пересекающими энергию Ферми, и поэтому может быть кандидатом на появление в нем демона. Ученые использовали метод электронной спектроскопии потерь энергии электронов с высоким разрешением по импульсу в режиме отражения. Этот метод позволяет измерять как поверхностные, так и объемные возбуждения в металле при ненулевой передаче импульса q, где сигнатура демона ожидалась наиболее четкой. Спектры потерь энергии электронов при большой передаче энергии и больших переданных импульсах — более 0,28 единиц обратной решетки — демонстрируют бесхарактерный энергонезависимый континуум. При малых переданных импульсах — q менее 0,16 единиц обратной решетки — ученые обнаружили широкую плазмонную особенность с максимумом в районе 1,2 электронвольта. Ученые обнаружили, что в низкоэнергетическом режиме, при q менее 0,08 единицы обратной решетки, метод выявляет акустическую моду. Дисперсия моды оказалась линейной в большом диапазоне импульсов, с групповой скоростью примерно в 100 раз больше скорости акустических фононов, которые распространяются со скоростью звука, но на три порядка меньше, чем для поверхностного плазмона, распространяющегося со скоростью, близкой к скорости света. Однако скорость моды находится в пределах 10 процентов от предсказанной расчетами скорости для демона. Как отмечают ученые, это возбуждение явно электронное и это как раз и есть демон, предсказанный Пайнсом 67 лет назад. Наблюдение демона стало возможным, благодаря высокому разрешению в миллиэлектронвольт в используемом методе. Однако для дальнейшего изучения демонов ученые предлагают повысить точность, используя высокоэнергетические электроны в сканирующем просвечивающем электронном микроскопе с высоким разрешением, работающем в расфокусированной конфигурации. Физики отмечают, что требуется новая теория демонов, которая точнее опишет полученные экспериментальные данные. Эти квазичастицы могут быть ответственны за возникновение сверхпроводимости и играть важную роль в низкоэнергетической физике многих многозонных металлах. Изучение демонов и других видов плазмонов важно для описания коллективного поведения электронов в разных веществах. Например, недавно мы писали как физикам удалось увидеть часть плазмонной матрицы плотности.