Поиск - новости науки и техники

Как рождаются реакторы. У всякого дела есть мотор. Иногда это не столько перспективная идея, сколько люди, умеющие распознать ее ценность.

В конце прошлого года в редакцию разом пришли три Валерия – Валерий Викторович Несвижевский из Международного института Лауэ-Ланжевена (ИЛЛ) в Гренобле, Валерий Анатольевич Артемьев – директор НИИ технологии материалов (НИИТМ) и Валерий Иванович Кошкин – профессор Московского государственного индустриального университета (МГИУ), недавно избранный на должность ректора МГИУ. Что их свело вместе? Физика – исследования с холодными нейтронами и намерение применить полученные знания на благо прогресса и Отечества. Например, как выразился В.Несвижевский, ему очень импонирует возможность работать с молодыми аспирантами, студентами, магистрантами. В.Артемьев считает, что контакты теоретиков с экспериментаторами открывают новые пути развития науки и технологий. В.Кошкин высоко ценит шанс показать студентам, как трудятся ученые с мировым именем, кроме того, с помощью опыта и возможностей В.Несвижевского и В.Артемьева он планирует создать в вузе сначала лабораторию, а потом целое направление по применению холодных нейтронов в индустрии. “Модель, как это осуществить, – сказал Валерий Кошкин, – выберем потом, в процессе работы, а пока нужно объединить понимание и намерения”. И все трое как-то разом улыбнулись.
Мне подумалось: есть люди, умеющие улыбаться всегда. Даже тогда, когда не везет. Но улыбающимся везет чаще, чем другим. Может, в улыбке – доля удачи?

– А не получится ли наоборот? – не согласилась я с их прогнозом. – Из опыта ЦЕРН (Женева) и лаборатории Ферми (Батавия под Чикаго) известно, что очень многие наши ребята, прошедшие там практику продолжительностью в месяц и более, рано или поздно перебирались туда насовсем. То есть, открывая талантам дорогу в мировые научные центры, мы способствуем “утечке мозгов” из России…
– В Гренобле этого можно не бояться, – говорит Валерий Несвижевский. – Там на весь Институт Лауэ-Ланжевена примерно 25 постоянных позиций и 25 краткосрочных (5-летних) контрактов. Каждый штатный сотрудник контактирует примерно с парой сотен человек со всего мира – из Европы, Америки, Японии, Индии, Китая, ну и, естественно, России. В Международный нейтронный центр ИЛЛ входят полтора десятка разных стран, и в нем выполняются практически все ведущие работы по нейтронной физике. Но начинает их каждый юзер в своем национальном центре или университете. То есть 97% времени они ведут исследования у себя на родине, и только на завершающей стадии – чтобы использовать самое совершенное оборудование, самые интенсивные нейтронные пучки – ученые приезжают делать эксперимент в Гренобль. Стандартный эксперимент по физике, биологии, медицине, химии продолжается в ИЛЛ три дня. По фундаментальной физике – 20-50 дней. Если усреднить по всем областям знаний, то эксперимент на реакторе ИЛЛ занимает несколько дней работы, а готовятся люди к этому год-два дома, находясь в постоянном контакте со штатными сотрудниками ИЛЛ. Кроме того, для души я занимаюсь научной работой сам, а обязанности мои в ИЛЛ, за которые мне, собственно, и платят деньги, – это помощь приезжающим готовить проекты и эксперименты. Раньше немало было ребят из России, потому что наша страна с конца 1990-х годов в течение 12 лет была формальным членом ИЛЛ.
– Как это “формальным”?
– Ну, Россия не деньгами оплачивала свое право вести эксперименты в ИЛЛ, а… ураном. Гренобльский реактор работает на обогащенном российском уране. Сегодня его запасли аж до 2020 года, больше не нужно. Поэтому России предложили вступить в ИЛЛ как обычному участнику – с денежным взносом на исследования. Но тогда РФ должно представлять не Минатом, как было ранее, а Министерство образования и науки. Вот уже три года длится пауза… Следствие: сейчас нельзя подать в ИЛЛ заявку на эксперимент как чисто российский, что раньше можно было сделать, надо обязательно брать в коллаборанты ученых из других стран – членов Международного центра ИЛЛ.
– У Валерия Викторовича особое положение в Гренобле, – вводит меня в курс дела Валерий Кошкин. – Он один из четырех постоянных штатных сотрудников ИЛЛ, имеющих специальный статус и обладающих полномочиями самостоятельно планировать и вести исследования. Поэтому он может выигрывать большие европейские гранты под придуманные им эксперименты и приглашать их исполнителей. Обычно же ученые в ИЛЛ в основном обслуживают юзеров, которые приезжают делать эксперименты.
– Обслуживать юзеров в ИЛЛ тоже очень интересно, – улыбается Несвижевский. – В Гренобль приезжают самые лучшие и талантливые нейтронщики со всего мира, всех возрастов, от студентов до асов… Нобелевских лауреатов, которые в ИЛЛ работали, страницы не хватит перечислить… В такой среде общаться, продумывать организацию работ, приборную базу создавать – крайне интересно. Внутри института научных групп нет, у каждого свой инструмент: нейтронный пучок с большим количеством оборудования, необходимого, чтобы этот пучок функционировал.
– Этот Институт Лауэ-Ланжевена, – вступает в разговор Валерий Артемьев, – словно фабрика по производству нейтронов. Как на настоящем производстве, там есть разные мастера своего дела. Ядерный реактор ИЛЛ производит в огромном количестве нейтроны, которые используются в качестве инструмента для проведения разнообразных уникальных исследований во многих современных отраслях знания. То есть это Международный центр коллективного пользования с самым мощным источником нейтронов в мире, оснащенный уникальной приборной базой. Сотрудники ИЛЛ как раз и занимаются эксплуатацией реактора, формированием нейтронных пучков и созданием оборудования и приборной базы для измерений.
– Общий штат – полсотни научных сотрудников плюс инженерный, технический, административный персонал в количестве более четырех сотен человек, – продолжает Валерий Несвижевский. – Бюджет – порядка 100 млн евро в год. У каждого ученого есть достаточно большие возможности проводить эксперименты, поддерживать юзеров, развивать интересующие направления экспериментальной науки… Зарплаты заметно больше, чем в соседних национальных лабораториях и университетах… Таким образом пытаются собрать коллектив неординарных специалистов. Но при этом последние годы получается, что в работе, чисто российской по идее, участвует больше нероссийских исследователей… Соответственно, больше получается публикаций нероссийских, в индексах цитирования нероссийские ученые впереди и т.д. Такова правда жизни. Хотя мнение, что множество нейтронных физиков совсем покинули РФ, ошибочно, навсегда уехали единицы.
– А как с вами это случилось, Валерий Викторович?
– Когда я впервые приехал в Гренобль, на два вакантных места претендовали почти 400 физиков из разных стран. Почему? Несколько лет в ИЛЛ не работал реактор, и постдоки, диссертанты долго ждали очереди на проведение своих экспериментов… Институт этот во Франции создан не как ЦЕРН – для научной работы сотрудников, а для проведения экспериментов приезжающих людей, которых называют юзерами… Я, например, еще во время учебы в университете прочитал работу Лущикова, который предсказывал существование квантовых состояний нейтронов в гравитационном поле. Я пытался доказать это экспериментально еще будучи в СПбГУ и в Гатчине, где работал в Петербургском институте ядерной физики (ПИЯФ), но у меня ничего не получалось. И когда я ехал в ИЛЛ на несколько лет, то в некотором смысле ехал сделать эту работу и вернуться. Но середина девяностых для российской науки была смутным временем. Меня уволили из ПИЯФ, и возвращаться стало некуда.
– Но нет худа без добра – вы стали штатным сотрудником Института Лауэ-Ланжевена, а Россию не забываете. Я видела вашу с Валерием Анатольевичем совместную статью по ядерным нанотехнологиям. Как вы нашли друг друга? Один – экспериментатор, другой…
– Мы с Валерием Ивановичем оба окончили МИФИ, причем одну кафедру, – вступил в разговор Артемьев. – То есть были подготовлены решать задачи оборонного комплекса. Самые первые работы в мире по взаимодействию излучений с ультрадисперсными средами (сейчас их называют нанодисперсными) начались в СССР в середине 1980-х годов. Выполнены первые целенаправленные работы по изучению как взаимодействия излучений со средами, так и поведения ультрадисперсных сред в полях ионизирующих излучений. Исследовалось взаимодействие с гамма-излучением, а потом с нейтронами, средства защиты, различного контроля, технологические применения… Валерий Викторович же шел от эксперимента с ультрахолодными нейтронами, пытаясь объяснить, почему нейтроны “живут” так мало – нагреваются и уходят, как увеличить их количество. Мы с Несвижевским девять лет по публикациям заочно знакомы были. Параллельно и независимо делали похожие вещи. Как-то в 2007 году я по случайной непонятной причине зашел в Интернете на сайт ВАК РФ, чтобы посмотреть, какие докторские диссертации представлены к защите (в первый и единственный раз). Увидел, что через пару недель в Курчатнике защищается Валерий Несвижевский. Пришел послушать, там и познакомились. Оказалось, у нас есть два общих очень хороших знакомых – Владислав Лущиков и Александр Стрелков. Потрясающие люди. Помните поговорку, что СССР славен ракетами, балетом и открытием ультрахолодных нейтронов? Так вот последнее сделали Владислав Лущиков, Федор Шапиро, Александр Стрелков, Яков Зельдович и Юрий Покотиловский… А Александр Стрелков – научный руководитель Несвижевского… Было что вспомнить и что обсудить – Валерий Викторович как раз проводил эксперименты с холодными нейтронами, которые полностью подтвердили параметры, теоретически предсказанные в работах нашего института.
– Институт-то чей – Минобр­науки?
– Нет, частный. Работаем в тесном сотрудничестве с коллегами из ВНИИ экспериментальной физики, Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ, заключили договор о научном сотрудничестве с ИЛЛ. Безденежный договор, но четко определили направления сотрудничества. У нас совместная неоконченная работа, которая принципиально сделана, а дальше много лет можно совершенствовать. Потом нужно будет расширять поле деятельности. У нас есть теоретическая база… Пишем совместные статьи, год назад в Дубне Несвижевский рассказывал о первых результатах по накапливанию и хранению очень холодных нейтронов в “бутылках” из мелкодисперсного алмаза. Участники оценили результаты как чрезвычайно обнадеживающие и перспективные.
– В чем же перспективность?
– Приборы и установки на основе интенсивных источников нейтронов сегодня применяются при исследованиях в физике, химии, биологии, кристаллографии, экспертизе вещественных памятников культурного наследия, в материаловедении, при разработке новых технологий, изучении живых организмов. То есть становятся движителем инновационного развития современной экономики, – рассуждает Несвижевский. – Не зря в ведущих странах мира на нейтронные исследования правительства сейчас не жалеют ни людских, ни финансовых ресурсов. Расходы на них составляют пятую часть всех трат на науку.
– Однако сами говорите, что в мире установок, подобных ЦЕРНовскому ускорителю, Теватрону или реактору ИЛЛ в Гренобле, – единицы. Большинство таких установок – международного масштаба, то есть не по средствам отдельным странам. Затраты-то фантастические, а результаты – удовлетворение любопытства да повышение точности экспертиз?
– Нет, новые ядерные нанотехнологии позволяют на порядки повысить эффективность нейтронных источников и сделать доступными по стоимости нейтронные установки для массового потребителя, – поясняет Артемьев. – На основе холодных нейтронов можно построить безопасные криогенные ядерные реакторы с очень малым содержанием делящегося материала. Они будут по средствам университетам, лабораториям, производствам… Создание и выпуск такого нейтронного источника по значимости можно сравнить с изобретением микроскопа – такой это будет важный исследовательский и технологический инструмент. Мобильный! Можно подвезти к объекту и обследовать элементы конструкций – нефтяную платформу, мост, авиационную технику и др., определить их состояние, выяснить, не опасно ли продолжать их эксплуатировать. На сегодняшний день нейтронные методы составляют примерно 25% всех исследований материалов. С их помощью можно проводить биологические исследования, изучать живую структуру, измерять параметры клетки, когда она делится, растет, поглощает лекарства, обменивается элементами… Невероятные перспективы для работы каждого из нас.
– Редкий случай, – объясняет Несвижевский, – когда не конкуренция движет, а конструктивное сотрудничество. Возник, что называется, синергетический эффект. Если бы вместе не работали, я бы и не думал о внедрении. А если бы Валерий Анатольевич не видел моих работ, то и конечный результат ему представлялся бы другим. Если бы Валерий Иванович не общался с нами, он не строил бы планы развития своего вуза с учетом такого прогрессивного направления мировой науки и прогрессивных технологий. Задача общего нашего сотрудничества – расшить узкие места и начать решать вместе более крупные задачи.
– Например?
– Кроме наночастичного отражателя есть еще работы по гравитационным квантовым состояниям нейтрона и их применениям. Это первое и единственное измерение, где наблюдалось квантовое состояние материи в гравитационном поле. Это тематика, которая нас объединяет. Здесь надо работать с энергией нейтронов 10 в минус 12-й степени электрон-Вольта. На пять порядков вниз спуститься по отношению к энергиям УХН, с которыми работали до нашего измерения и которые справедливо считали чрезвычайно низкими. Там тьма ложных эффектов, одно дело – на бумаге написать, другое – поверить и проверить…Академии наук разные призы за эти эксперименты дают – макроскопический квантовый эффект люди обнаружили. Представьте, что нейтрон размером в 10 микрон (то есть с длиной волны в 10 микрон) попадает в нижнее квантовое состояние – не прыгает по поверхности, как мячик, а левитирует, парит над ней, не касаясь… Это состояние соответствует минимальному уровню энергии нейтрона в гравитационном поле. Такой квантовый объект чрезвычайно чувствителен к малейшим воздействиям. А сейчас мы совсем над уникальной вещью начали работать: интересно посмотреть гравитационные квантовые состояния антиматерии, например атома антиводорода… В ЦЕРН есть проект GBAR, изучающий экспериментально гравитационные свойства антиматерии. На второй самой прецизионной стадии этот проект предусматривает использование гравитационных квантовых состояний антиводорода. Многие говорят, что не получится… А может, получится. Антипротон, антиэлектрон – про них экспериментально неизвестно, вверх полетят или вниз. Скорее всего, будут падать. Эксперимент сейчас готовится. Это логическое продолжение нашей первой работы с ультрахолодными нейтронами в гравитационном поле…
– А у нас теоретически было строго показано, что для этих нейтронов, которые экспериментально обнаружены, должны изменяться вероятности ядерных реакций, – говорит Артемьев. – Гравитационное взаимодействие малой энергии влияет на ход ядерных реакций с огромными энергиями взаимодействий. Значит, можно создать, условно говоря, “катализатор” – взаимодействия нейтронов с энергиями порядка 10 в минус 12-й степени электрон-Вольт будут влиять на ход ядерных реакций с энергией взаимодействия в 60-80 Мега-электрон-Вольт. На этом пути открываются заманчивые перспективы для разных целей. Но сегодня более значимо возникшее конструктивное сотрудничество и то, что при нормальной организации дела возможно провести исследования, разработки и создать технологический цикл производства криогенного реактора, разнесенный по пространству. В России по многим отраслям сейчас нет предприятий замкнутого цикла, где-то что-то в разных местах делается. А надо стремиться создавать замкнутый цикл производства таких реакторов. Опыт организации работ есть – вон Несвижевский умеет организовать работу пары сотен исследователей, что в разное время за год приезжают к нему в ИЛЛ. Расстояния не мешают им делать совместную работу. Помешает, если не дадут возможности…
– Денег? А кто их может дать – Минобрнауки?
– Министерство образования и науки в программе “Кадры” немного поддержало наши работы в рамках НИИТМ. Но дальше нет ни средств довести исследования до конца, ни права… Делать реакторы мы, частный институт, не можем. Только простые технологические части. В гараже производство реакторов не создашь – закон запрещает делать частные ядерные установки. С другой стороны, принципиальные моменты исследований и результаты уже опубликованы. Основополагающие идеи российские, но кто запрещает их развивать и реализовывать другим странам? Международные конференции по этой теме идут одна за одной то в Японии, то в Австрии, то в Индии… Упустим момент – в хвосте плестись будем. Потому единственный выход – объединить коллаборантов, нацелить их деятельность на конечный результат. Это задачи власти. Можно сделать на базе вуза Национальный исследовательский центр, чтобы было объединяющее начало для следующего шага. Чтобы был научный блок, студенты. Они могут быть не из одного вуза…
– И даже не из одной страны, – подхватывает идею Несвижевский. – Ко мне приезжают студенты из разных государств. Защищают диссертации, курсовые, дипломные, стажируются. А из России студентов мало. Когда “Росатом” представлял Россию в ИЛЛ, то студентов не было не по злой воле, а потому, что “Росатом” с ними редко имеет дело. А мне очень хотелось бы, чтобы российские студенты работали на современном оборудовании. На неделю можно приехать поработать на реакторе, а весь год потом обрабатывать полученные материалы и готовить новые эксперименты… Как организовать поездку, стажировку без больших затрат, я прекрасно понимаю. Русские ученые дают очень хорошие предложения на исследования, потом по их идеям шли бы заказы российским фирмам на создание соответствующего оборудования… Денежный вклад России за участие в ИЛЛ финансово несколько раз потом окупится за счет выполнения в России заказов на создание специального оборудования и приборной базы. МГИУ мог бы стать тем центром, который по стране собирал бы ребят… Так что делаем вывод: силы есть, идеи есть, значит надо намерение сформулировать, энергию сконцентрировать и пустить в дело. Только и всего.

Наша справка:

Добрую треть века идут исследования холодных нейтронов, сначала ультрахолодных (УХН), потом очень холодных (ОХН). Условно ОХН ограничиваются диапазоном скоростей от 5 до 250 м/сек. Трудности работы с ОХН состоят в том, что их доля в потоке нейтронов от реактора не превышает 1-2%. Это усложняет проведение экспериментов с ними. ОХН интересны тем, что хорошо “различают” в веществе скопления атомов или флуктуаций плотности на масштабе наноразмеров, потому что длина волны ОХН соизмерима с параметрами таких флуктуаций.
В семидесятых годах прошлого века немецкий ученый А.Штайер заметил, что сильное рассеяние ОХН на флуктуациях плотности в веществе заметно увеличивает отражение ОХН от такого вещества. Позже В.Несвижевский предложил использовать этот эффект для создания высокоинтенсивного источника УХН, применив для эффективного замедления нейтронов до энергий УХН очень маленькие (около 5 нанометров) кристаллики дейтерия, находящиеся во взвешенном состоянии в сверхтекучем гелии. Такую коллоидную систему впервые получили в Черноголовке (Институт физики твердого тела РАН). Нейтроны если не вылетают за границы замедлителя, многократно сталкиваясь с практически покоящимися кристалликами дейтерия, снижают скорость до скоростей УХН. Редкий случай, когда размер частицы – нано, только он и играет роль. Потому что при наноразмере длина волны нейтрона сравнивается с размером частицы и возникает когерентное отражение, обуславливающее эффективное отражение нейтронов, которое является основой процесса. Уникальность ситуации в том, что ядерные технологии и нанотехнологии выступают вместе.
Валерий Несвижевский и группа физиков из Объединенного института ядерных исследований изучили в ИЛЛ свойства мелкодисперсного углерода отражать ОХН (был взят наноалмазный порошок с размером кристаллов порядка 5 нанометров) и выяснили, что можно запереть ОХН в ловушку со стенками из такого порошка. Наноалмазный порошок, кстати, тоже российского производства – его удалось получить специалистам ВНИИТФ в Снежинске.
Ловушку сделали в форме цилиндра, внутреннюю поверхность которого выложили трубочками из алюминиевой фольги, наполнив их наноалмазным порошком. Дно и крышку тоже усыпали этим порошком. Нейтроны со скоростями 30-200 метров в секунду попадали в ловушку через отверстие в боковой стенке и, рассеявшись на противоположной стенке, многократно хаотично отражались от внутренней поверхности, заполняя ловушку. Если вы сделаете ловушку из чего угодно, кроме наночастиц, то нейтроны пройдут сквозь стенку, ни разу не отразившись, или “погибнут”, поглощенные другими ядрами. А тут почти сто процентов отражаются обратно, что и позволяет накапливать нейтроны…
Прямая аналогия. Туман состоит из частичек воды. Размер капельки составляет полмикрона-микрон. Это длина волны видимого света. Поэтому луч фонаря сквозь такой туман не проходит. Вот тут то же самое: когда длина волны излучения соизмерима с размером преграды-порошинки, нейтрон много раз рассеивается и отражается обратно. Причем алмаз у вас или другой материал – не важно. Явление отражения нейтронов работает только потому, что структурный размер отражателя имеет масштаб несколько нанометров, сравнимый с длиной волны ОХН.
Уже достигнутое в эксперименте увеличение плотности очень холодных нейтронов соответствует эквивалентному увеличению мощности ядерного реактора (как исследовательского источника нейтронов) в 100 раз.

Беседовала Елизавета ПОНАРИНА

Нет комментариев