НЕЙТРОННЫЙ СКАЛЬПЕЛЬ
Владимир ГУБАРЕВ
Физики - люди изобретательные и настойчивые. Коль уж пришла на ум идея, ее непременно надо реализовать. И они это делают весело и нестандартно, вне зависимости от того, идет ли речь о поисках загадочных нейтрино в глубинах Вселенной или о проведении необычного юбилея в Объединенном институте ядерных исследований в г. Дубне, где в 2004 году чествовали детище большого коллектива ученых и инженеров - знаменитый импульсный быстрый реактор ИБР-2.
Юбиляру 20 лет - считают ученые, потому что день рождения - начало эксплуатации реактора, 1984 год. Он гораздо старше, - утверждают конструкторы. В графе "Дата рождения" следует ставить 14 ноября 1977 года, когда начался физический запуск реактора. "Не имеет значения, какую дату - круглую или не очень - мы отмечаем, - говорит академик Владимир Георгиевич Кадышевский, директор Объединенного института ядерных исследований, - важно, что реактор ИБР-2 стал гордостью научного центра Дубны. Получены результаты поистине мирового уровня. ИБР-2 и коллектив, который с ним работает, заслуживают того, чтобы о них знали… Ну а юбилейные торжества, как известно, только способствуют популярности!"
Прорыв в области ядерных исследований, связанный с разработкой оружия, разбудил воображение физиков. Они начали предлагать разнообразные проекты, в которых так или иначе использовались новые открытия. Особый интерес вызывали нейтроны. Эти частицы способны проникать в глубь вещества, а значит, с их помощью можно попытаться "разглядеть", как устроены атомные решетки. Для такого эксперимента нужен поток нейтронов. Но как получить его в лаборатории?
Если уж вопрос задан, то физики обязательно должны на него ответить! Мощные потоки нейтронов возникают во время взрыва атомной бомбы. Чтобы произошел взрыв, масса урана или плутония должна достигнуть критической величины. Но если создать критическую массу на очень короткое мгновение, то тогда родится поток нейтронов, а взрыв не успеет произойти.
В истории ядерной физики подобный эксперимент получил название "опыт дракона", поскольку Ричард Фейнман, один из крупных американских физиков - участников Манхэттенского проекта, сказал: "Проводить такие эксперименты - все равно, что щекотать хвост спящего дракона!"
А выглядело все так. Построили вышку, внутри которой шла труба. Бросали кусок плутония или урана вниз. Он пролетал мимо другого куска ядерного материала, и в это мгновение происходила вспышка, так как общая масса превышала критическую. Приборы регистрировали мощный поток нейтронов, которые так интересовали физиков Лос-Аламоса. Полученные столь экзотическим способом данные помогли американским физикам рассчитать параметры атомной бомбы.
Если можно получить однократную вспышку, почему бы не сделать целую серию?! Образно говоря, на самый верх вышки следовало бы посадить экспериментатора, который постоянно бросал бы вниз куски плутония или урана. Но так как желающих подниматься столь высоко среди физиков не оказалось, они придумали вращающийся диск, на котором закреплен плутоний. Вращаясь, он на мгновение оказывается рядом с покоящимся куском плутония, вот тут-то и возникает долгожданная вспышка.
Идею такого реактора - источника нейтронов - предложил Дмитрий Иванович Блохинцев. Он не стал щекотать "дракона", а просто схватил его за хвост и заставил подчиниться своей воле. Правда, для такой "дрессировки" потребовались сложнейшие расчеты и оригинальные конструкции. Первый импульсный быстрый реактор (ИБР) запустили в Дубне еще в 1960 году. О нем знаменитый Нильс Бор, побывавший в то время в Объединенном институте ядерных исследований, сказал: "Я восхищен мужеством людей, решившихся на сооружение такой замечательной установки!" А спустя четверть века появился ИБР-2, который и стал уникальным физическим инструментом не только минувшего века, но и начала нынешнего.
В кабинете у директора Лаборатории нейтронной физики имени И. М. Франка собралось несколько человек. Они принимали участие и в создании ИБР-2, и в его эксплуатации. Я поинтересовался, как у них хватило мужества построить такой реактор. Ведь это огромный риск: критическая масса, пусть на мгновение, - угроза взрыва!
"Можно по-разному отвечать на такой вопрос, - сказали мне. - Мол, мы были уверены в успехе, уверенно шли к нему, ну и так далее… Но можно сказать и так: если молодость и невежество сложить вместе, то получается мужество. Мы многого не знали, а потому и решились на такой эксперимент. Нам тогда казалось, что все можно! Сейчас мы понимаем, как много там было "подводных камней". К счастью, удалось сделать так, что они остались глубоко под водой".
В то далекое время нейтронная физика делала первые шаги. Упоминание о "спящем драконе" неслучайно: любая ядерная установка таит в себе опасность, однако важно понимать, как нужно эксплуатировать эту установку, чтобы она стала безопасной. Физики из Дубны с самого начала знали, как это делать. Залог их успеха - хорошая школа, опыт, которого не было на Западе. В нейтронных исследованиях мы оказались впереди, а в науке это чрезвычайно важно. Нейтроны образуются и при ядерном взрыве, и при работе реакторов, и на ускорителях. Особенность же ИБР-2 в том, что создается мощный поток нейтронов, которым можно управлять. Это уникальная физическая установка, и ее нужно эффективно и разумно использовать.
К нашему разговору присоединился директор Лаборатории нейтронной физики имени И. М. Франка, доктор физико-математических наук Александр Владиславович Белушкин. Именно ему я задал главный интересующий меня вопрос:
- Скажите, а зачем все это нужно?
У Белушкина есть педагогический талант. К счастью, для меня… Он ответил так:
- Представьте, что вы находитесь в темной комнате. Короткая вспышка света - и вы увидели и запомнили часть обстановки. С помощью серии таких вспышек вы быстро и эффективно получите информацию о том помещении, в котором находитесь. Это, конечно, довольно вульгарный образ…
- … который все-таки дает представление о том, что вы делаете!
- На самом деле нас не очень интересует сам реактор. Для этого есть специалисты, которые его создавали и сегодня эксплуатируют как сложный научный прибор. Мы - потребители, и нам нужны нейтроны. Причем разные - "тепловые", "медленные", "холодные", "ультрахолодные" и так далее, то есть отличающиеся по энергии. Кстати, такие нейтроны производит не реактор, а специальное устройство с замедлителем. В современной науке, технике и промышленности нужны новые материалы и новые технологии. Создать их без нейтронных исследований иногда невозможно. На нейтронных источниках проводится несколько тысяч экспериментов в год. Однако такие установки уникальны. В мире их всего несколько. На нашем реакторе ежегодно специалисты из 30 стран выполняют около 300 экспериментов.
- А как осуществляются исследования на реакторе?
- Схема очень проста. В реакторе рождаются нейтроны. Затем формируется пучок нейтронов с нужной энергией. А дальше стоит исследуемый объект, куда и направляется нейтронный пучок.
- Будто нейтронный скальпель вонзается в материал?
- Только без разрушений… А объекты исследований могут быть самые разные - биологические, химические, физические, геологические, промышленные…
- И какова главная цель таких исследований?
- Изучить структуру вещества. Причем мы можем исследовать ее изменения, то есть динамику процесса. К примеру, можно наблюдать, как движутся полимерные цепочки, как перестраиваются биологические молекулы и так далее. Кстати, подобные эксперименты осуществля лись не только у нас, но и в Гренобле, в других ядерных научных центрах. Нейтронные исследования доказали свое преимущество, так как они дают возможность "подстраиваться" под тончайшие биологические процессы и наблюдать за их развитием. Другой пример - геологичес кие исследования, с помощью которых удается лучше понять, что происходит в глубинах Земли. Реактор, дающий нейтроны, - это универсальный физический прибор, и его возможности поистине безграничны - от фундаментальных исследований до сугубо прикладных. Когда вы привлекаете людей "со стороны", они приносят новые методики, свои ноу-хау, свои технологии. И происходит взаимное обогащение. Они используют ваши установки, но взамен расширяют ваши возможности. Так начались исследования по биологии, по физике Земли, по технике. Кстати, у нас ведутся прикладные экологические эксперименты, что само по себе очень интересно. Такие уникальные физические установки, как наш реактор, становятся своеобразным "центром притяжения" для специалистов самых разных областей науки и промышленности.
-А на каком уровне нейтронные исследования в других странах?
- В 60-80-х годах прошлого века европейцы значительно опережали в этой области американцев и японцев благодаря Греноблю, Резерфордовской лаборатории и нашему ИБР-2. К сожалению, в последнее десятилетие ситуация изменилась. Сейчас в Японии и США расширяются существующие и строятся новые центры, по сути дела - международные. Эту программу финансирует государство, а потому она продумана детально и объемно. Мы, к сожалению, теперь не имеем таких возможностей, а потому постепенно уступаем лидерство. Но Дубна остается крупным международным центром, который удовлетворяет запросы разных национальных лабораторий. По крайней мере, мы стараемся это делать. Мы стали в каком-то смысле походить на Гренобль. Там приблизительно 500 человек, которые обслуживают реактор, и примерно три с половиной тысячи экспериментов в год проводят те, кто к ним приезжает. Мы нынче в таком же состоянии, то есть научились привлекать "пользователей".
- Им необязательно знать все тонкости эксперимента?
- Нет, тонкости - это наша работа! И так происходит во многих областях физики. К примеру, всем ныне хорошо известен магнитный резонанс. Однако вначале это было чисто физическое открытие. Затем были созданы приборы, которые и сейчас работают и в лабораториях, и в медицинских учреждениях. Но врачу необязательно знать, как именно работает прибор и что такое магнитный резонанс. Специальная программа преобразует спектры поглощения и выдает на экран ту информацию, которая понятна врачу. Нечто подобное сейчас происходит и в нейтронных исследованиях. Хотелось бы, чтобы люди, которые ничего не желают знать о механизмах взаимодействия нейтронов с веществом, о ядерных реакциях, тем не менее пользовались бы нашими установками. Мы им должны предоставлять весь комплекс исследовательских услуг.
- Вы хотите обслуживать представителей других наук?
- Слово "обслуживать" может кому-то не понравиться, но это не меняет сути дела. К примеру, биолог ставит нам задачу на своем "языке". Мы же должны дать ему "ответ", который был бы ему понятен. Тогда нейтронные исследования станут доступными и необходимыми, как магнитный резонанс в медицине. Если мы на своих установках будем проводить тысячи экспериментов, то работа станет экономически выгодной. Есть любопытные данные, полученные в Европе: цена публикации, в которой использовались нейтронные измерения, ниже цены тех публикаций, где речь шла о ядерном магнитном резонансе.
- Это свидетельствует об эффективности нейтронных исследований?
- Конечно. Хотя у нас установки дороже, но результативность выше, что удешевляет "конечную продукцию".
- Теперь и научные исследования приходится так оценивать?
- Мир становится таким: власть науки расширяется.
- И все-таки, вы сами ищете сегодня клиентов, или они толпятся у дверей вашей лаборатории?
- Установки у нас уникальные, а потому без работы мы не останемся… В общем, очередь к нам стоит. Количество предложений на эксперименты в три-четыре раза превышает наши возможности. У нас есть право выбора. Предложения проходят независимую международную экспертизу. Ну а затем мы составляем расписание экспериментов. Приезжают ученые из разных стран и совместно с нами ведут работы. В Объединенном институте ядерных исследований такая система существует давно.
- Но что-то все-таки изменилось?
- Сегодня ученые более требовательны к бытовым условиям. Необходим европейский уровень жизни, что мы не всегда можем предоставить. Замечено, что на чистом энтузиазме науку теперь уже не делают. Разумеется, еще встречаются фанатики, но их стало намного меньше, чем раньше.
- Конечно, за исключением ваших сотрудников?
- Свой фанатизм мы унаследовали из прошлого - среди нас немало тех, кто создавал реактор, кто работает здесь с самого начала. Естественно, более преданных лаборатории людей не сыскать. Во многом именно это и обеспечивает эффективность нашей работы.
- А необычные предложения есть?
- Да, и среди них много интересного. К примеру, к нам обращались представители немецкой фирмы по строительству автобанов. Им нужно было узнать, как именно твердеет цемент: зависит ли это от размеров частиц? Потом мне говорили, что эта работа помогла сэкономить фирме немало средств. Немецкие специалисты изучали у нас и так называемые эффекты усталости металла, чтобы увеличить продолжительность службы рельсов на железных дорогах. Подобных примеров множество. У немецких промышленников есть желание проводить эксперименты: они тратят на них небольшие деньги, а выгода огромная.
- Но ведь наши фирмы хотят конкурировать с западными, не так ли?
- Мы пока этого не ощущаем. К примеру, мы намеревались поставить совместные эксперименты с нашими космическими предприятиями. Для этого у нас идеальные условия. Однако партнеров так и не нашли. Создается впечатление, что у нас еще живут прошлым. А это неверно!
- Для вас будущее столь же очевидно, как и прошлое? Или прогнозировать на десятилетие в современной науке невозможно?
- За минувшие десять лет тематика исследований сильно изменилась, а следовательно, будущее на столь длительный срок предсказать нельзя.
- Что значит "сильно изменилась"?
- Тогда 80 процентов составляли физические исследования. На нашем поле не было биологов, геологов, других специалистов. Теперь ситуация коренным образом поменялась, стало больше прикладных работ, в том числе связанных с экологией. Мы изучаем ситуацию вокруг комбината "Маяк", определяем характер загрязнений. Кстати, наши данные показывают, что загрязнение ураном на Урале, к сожалению, произошло и за пределами восточноуральского радиоактивного следа.
- Нельзя привести еще пример по экологической тематике?
- Нейтронные методы позволяют следить за загрязнением окружающей среды не только радионуклидами, но и тяжелыми металлами. Например, если в образцах, собранных вокруг электростанции, повышено содержание ванадия, значит, котлы там топят мазутом. Экологи провели такое исследование в окрестностях Конаковской ГРЭС. Оспаривать наши данные практически невозможно, так как мы надежно определяем наличие в пробах до сорока металлов с уникально высокой точностью!
- Постепенно выходите в лидеры борьбы за чистоту природы?
- Это обязательно надо делать, потому что идет интенсивное загрязнение окружающей среды. Но мы работаем не только с экологами. Первые эксперименты проведены и на специализированных установках, которые предназначены для геологов, инженеров. Ничего подобного десять лет назад не было! Существовал стандартный нейтронный анализ, он применялся для узких целей, то есть использовался в "чистой" науке. Сейчас люди больше работают над решением практических задач. Думаю, в ближайшие годы области использования нейтронного излучения будут расширяться. Границ применения этих методов я не вижу.
- Не чувствуете себя "извозчиками"?
- Что вы имеете в виду?
- Когда-то мы начинали летать в космос. Пилотам кораблей давали звезды героев. А теперь они возят на околоземные орбиты туристов - богатых иностранцев. Вы в таком же положении? Ведь раньше занимались "большой" наукой, а теперь лишь "обслуживаете" ее. Или я ошибаюсь?
- Так интерпретировать ситуацию нельзя! Мы остаемся международной организацией, а потому обязаны обслуживать тех партнеров, которые платят деньги. Давно уже нет такой ситуации, когда ты берешь деньги и не работаешь на тех, кто их дает! Нет, коль уж взял, то изволь сотрудничать - делать так, чтобы было выгодно всем! Значит, мы не "извозчики", а партнеры… Иногда, не скрываю, возникает психологическая проблема, кое-кто из физиков возмущается, почему он должен работать "на дядю". Приходится доказывать и убеждать, что у таких больших установок, как наш реактор, не станет будущего, если не проводить прикладные работы. Необходимо оправдывать те средства, которые вкладываются в эксплуатацию.
- Но в Европе, как известно, АЭС закрываются, исследовательские реакторы и ускорители не строятся.
- К сожалению, европейские чиновники и по отношению к нейтронным исследованиям настроены весьма пессимистично. Огромное влияние оказывают на них "зеленые", а потому запускать новые реакторы в Европе, скорее всего, не удастся. Иная ситуация в Юго-Восточной Азии и Австралии: в Китае строятся два новых реактора, в Австралии - один. Там нейтронные исследования бурно развиваются.
- Мы помогаем китайцам?
- Нет. Американцы. Они несут основную финансовую нагрузку. Мы участвовали в оснащении новых лабораторий там лишь частично. В Китае очень хорошее оборудование, интересные перспективы работ. Надеемся, что сотрудничество с ними будет расширяться. В Японии три стационарных реактора и хорошие ускорители. Сейчас они строят большой физический комплекс, где предполагается проводить разные исследования. Первый источник, который будет пущен, - нейтронный. И это факт уже сам за себя говорит.
- А Америка?
- Там традиционно нейтронные исследования ведутся на высоком уровне. Конкурентом для США становится Япония, так как поток заказов из Европы устремляется туда. Это беспокоит американцев, и они уже начали реализацию новых проектов в области нейтронных исследований.
- А мы, в России?
- К 2010 году мы надеемся завершить модернизацию ИБР-2 и затем еще четверть века сможем работать на нем эффективно и на высоком уровне. Это будет современный источник нейтронов, доступный пользователям. И расположен он очень удачно - в одном из красивейших мест не только России, но и Европы.
- Вы имеете в виду Дубну?
- Конечно. А вы разве не согласны с этим?!
- Согласен!
г. Дубна. Февраль 2004 г.
Иллюстрация: «Реактор ИБР-2 - уникальный импульсный источник нейтронов высокой интенсивности.»
Реактор ИБР-2 - уникальный импульсный источник нейтронов высокой интенсивности. Он оснащен комплексом спектрометров, которые позволяют проводить исследования в самых разных областях науки - физике, химии, биологии, геофизике, материаловедении. Фото Ю. Туманова.
Читайте в любое время
