Реактор ПИК станет мощнейшим источником нейтронов в мире

На фото пульт управления реактором ПИК. Фото сайта pnpi.spb.ru

Основные векторы развития установок класса «мегасайенс» в России задаются Федеральной научно-технической программой развития синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры на 2019–2027 годы. Головная организация этой программы – Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт». При поддержке нацпроекта «Наука и университеты» он реализует сразу несколько мегасайенс-проектов.

Один из самых передовых научных комплексов «Курчатовского института» – исследовательский ядерный реактор ПИК в Гатчине Ленинградской области, который станет мощнейшим источником нейтронов в мире. С их помощью можно изучать ядерные реакции и поведение элементарных частиц: облучение нейтронами позволяет физикам, материаловедам, химикам, биологам, фармацевтам узнать внутреннюю структуру, состав и магнитные свойства вещества. Это, например, помогает медикам при разработке методик лечения и диагностики онкологических заболеваний.

Физический пуск реактора состоялся еще в 2011 году, а в прошлом году завершился второй этап энергетического пуска установки. ПИК – реактор водо-водяного типа: обычная, «легкая», вода в нем используется для отвода тепла, а «тяжелая» – оксид дейтерия – в качестве замедлителя и отражателя участвующих в ядерной реакции нейтронов. Пучки нейтронов, вылетающие из замедлителя, выводятся в специальные каналы, которые ведут к исследовательским станциям – на них и будут проводиться эксперименты. Пять станций уже действуют, остальные 20 построят в ходе Десятилетия науки и технологий – к 2024 году.

«На предварительном этапе выхода на энергетическую мощность измерены спектры выведенных нейтронных пучков, а также их интегральные интенсивности, проведена серия экспериментов по исследованию образцов нейтронной оптики, – рассказал заведующий отделом эксплуатации нейтронных станций Отделения нейтронных исследований НИЦ «Курчатовский институт» – Петербургского института ядерной физики (ПИЯФ) Владислав Тарнавич. – В части эксплуатации реактора проведена валидация работы всех инженерных систем реакторного комплекса. В настоящее время выполняется программа подготовки к выходу на проектную мощность. Идет строительство установок нейтронного рассеяния, которые в дальнейшем обеспечат решение огромного круга научных задач. Это как прикладные, так и фундаментальные исследования. Среди них – исследование материалов с памятью формы и катализаторов химических реакций, исследования наночастиц для направленной транспортировки лекарственных средств, исследования «мягкой» материи, в том числе биополимеров и клеточных мембран, и многое другое».

Реактор ПИК станет основой Международного центра нейтронных исследований. Как подчеркивают в «Курчатовском институте», этот проект позволит скоординировать и объединить усилия больших международных научных коллективов для работы на территории России, даст возможность молодежи принимать участие в инновационных процессах во многих областях и будет способствовать росту престижа российской науки в мире.

Еще одна установка класса «мегасайенс» – Курчатовский специализированный источник синхротронного излучения «КИСИ-Курчатов». Сейчас это единственное в России и одно из нескольких мест в мире, где на одной площадке сосредоточены источник синхротронного излучения и исследовательский нейтронный реактор (ИР-8). Сочетание их экспериментальных возможностей позволяет добиться нового качества фундаментальных и прикладных исследований.

Синхротронное излучение – универсальный исследовательский инструмент, позволяющий получать информацию об атомарном устройстве материалов и объектов в самых разных областях знаний: физике, химии, биологии, медицине и даже археологии. Сейчас на «КИСИ-Курчатов» работают 16 экспериментальных исследовательских станций разной направленности. Ежегодно на нем проводится более 200 экспериментов исследовательскими группами из примерно 60 российских и зарубежных организаций. Результаты исследований помогают создавать лекарственные препараты нового поколения, солнечные батареи, устройства для микроэлектроники, приборостроения, металлургии и машиностроения, энергетики, космоса и многих других областей.

К примеру, на станции «БиоМУР» ведутся эксперименты, связанные с биомедициной: здесь определяют структуру биологических объектов в том состоянии, в котором они находятся в организме человека или животного. Речь идет о био- и синтетических полимерах, растворах белков и биологических макромолекул, фибриллярных структурах, липидных наноструктурах и наноструктурах в твердых телах.

На станции «Ленгмюр» проводятся рентгеновские исследования структуры тонких пленок на поверхности жидкости. Здесь можно изучать, например, воздействие противоракового препарата на клеточную мембрану человека или процесс самосборки монослоя (толщиной в один атом) молекул, перспективных для создания органических покрытий солнечных батарей. Эксперименты необходимы в разработке новых гибридных систем для наноэлектроники, энергетики, устройств искусственного интеллекта и при биомедицинских исследованиях.

В ходе Десятилетия науки и технологий синхротрон «КИСИ-Курчатов» будет значительно усовершенствован. Работы над проектом модернизации, запланированной на 2022–2026 годы, продолжаются в рамках Федеральной научно-технической программы развития синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры. Как сообщают в «Курчатовском институте», в результате технического переоснащения будет создан синхротрон третьего поколения мощностью 2,5 ГэВ, способный работать в режиме «бесконечного» времени жизни пучка при неизменной интенсивности излучения. Это позволит проводить более длительные эксперименты и расширит исследовательский потенциал синхротрона.

В мае 2021 года в «Курчатовском институте» была запущена термоядерная установка токамак Т-15МД – модифицированная версия комплекса Т-15, работавшего в этом научном центре с конца 1980-х годов. Это еще один «мегасайенс»-проект института, уникальность которого заключается в сочетании высокой мощности с компактными размерами. Это первый термоядерный реактор, созданный в России за последние 20 лет.

Термин «токамак» расшифровывается как «тороидальная камера с магнитными катушками» и давно стал интернациональным – в мире построены сотни установок такого типа, разработанного еще советскими учеными. По принципу токамака будет работать и реактор международного научного проекта ИТЭР (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor) – крупнейшей мировой коллаборации, призванной подтвердить возможность использования реакции термоядерного синтеза не только в исследовательских, но и коммерческих целях – для получения энергии в промышленных масштабах.

Введение в эксплуатацию токамака Т-15МД стало еще одним шагом к управляемому термоядерному синтезу – практически неиссякаемому и безопасному источнику энергии. Установка Т-15МД предназначена для получения и исследования плазмы с термоядерными параметрами и решения ряда инженерных задач, непосредственно связанных с созданием термоядерного реактора.