Ученые обнинского ФЭИ выводят ядерную физику на передовые рубежи мировой фундаментальной науки

Автор: 03 февраля 2022 1017
Виталий Хрячков Виталий Хрячков

 

Физико-энергетический институт (ФЭИ) изначально создавался для решения практических задач — например, разработки «самоходной урановой машины», то есть корабельного реактора. И сейчас главное направление работы ФЭИ — создание новых реакторов различных типов и назначений.

Однако, как говорит начальник управления перспективных исследований ФЭИ, доктор физико-математических наук Виталий Хрячков, «исторически фундаментальная наука в институте была всегда, более того, в последние несколько лет наблюдается ее подъем. Без фундаментальных исследований Россия не может быть великой державой. США, Европа, Япония в состоянии поддерживать такую деятельность. И мы тоже находимся не на последних ролях. Это вопрос как безопасности ядерных установок, так и престижа».

ФЭИ знаменит своими фундаментальными исследованиями в области физики твердого тела, лазеров и, конечно же, ядерной физики, в которой за историю института было сделано несколько открытий.
О том, какие фундаментальные исследования в области ядерной физики происходят в ФЭИ сейчас, нам рассказал Виталий Алексеевич Хрячков.

Корр. Известно, что вы работаете над пополнением библиотеки ядерных данных. Зачем они нужны?

Хрячков. Ученые изучают взаимодействия в микромире, проводя различные эксперименты и определяя константы, характеризующие эти взаимодействия. Физики-экспериментаторы всего мира за все время провели огромное количество измерений для разных ядерных взаимодействий — их результаты заносятся в национальные и международные базы данных. Не обладая этими фундаментальными данными, невозможно вести практическую деятельность. Поясню.

Прежде чем начинать строить новый реактор, необходимо «рассчитать установку», чтобы понять ее основные характеристики и обеспечить безопасность ее работы. Как это моделирование происходит? Возьмем отдельный нейтрон, который возник внутри реактора, и рассмотрим его судьбу. Он будет двигаться внутри него довольно долго, встречая по дороге различные ядра, из которых реактор состоит — ядра урана, кислорода, бора, водорода, железа и множества других элементов, входящих в состав топлива и конструкционных материалов. При каждом взаимодействии с ядром может происходить множество ядерных реакций, при которых первичный нейтрон может изменить свою энергию и направление движения или поглотиться с испусканием гамма-излучения или заряженной частицы. Траектория нейтрона может быть очень длинной и богатой событиями, возникающими при его взаимодействии с различными ядрами.

Мы работаем над пополнением отсутствующих ядерных данных и над уточнением уже имеющихся, применяя собственные цифровые методики. Современные компьютеры умеют детально рассчитывать все взаимодействия шаг за шагом. Повторяя расчеты для множества нейтронов, можно в деталях воспроизвести все основные характеристики проектируемой установки.

Корр. Какова точность таких расчетов?

Хрячков. Как я уже говорил, нейтрон определенной энергии, встретившись с определенным ядром, может вызвать не одну, а несколько различных ядерных реакций. Какая именно реакция произойдет в данном конкретном случае, неизвестно, можно говорить только о вероятности, с которой она произойдет. Если значение вероятностей известно точно, то и расчет выдаст точные параметры проектируемой установки.

В расчетах используются оцененные данные. Физики-теоретики получают их, исходя из современных теоретических моделей. Однако современный уровень ядерной теории не позволяет расчетным путем получать их абсолютные значения и поэтому их точность зависит от точности экспериментальных данных.

Несмотря на длинную историю работ по получению ядерных данных, проводимых многими исследователями в мире, до сих пор остается немало белых пятен в этом огромном пазле. Около ста химических элементов, в несколько раз больше изотопов различных ядер, десятки возможных реакций, которые оказывают влияние на поведение нейтронов… Для каждой реакции необходимо измерить множество параметров, учитывающих различные энергии нейтронов. Если представить себе весь этот огромный массив данных, становится понятной грандиозность и амбициозность стоящей перед исследователями задачи. После этого не удивительно, что решать данную задачу в мире взялись только США, Европа, Япония и Россия.

Корр. Что конкретно сделано в ФЭИ в этом направлении?

Хрячков. На протяжении последних трех лет в ФЭИ велись масштабные работы по получению новых данных. Нашим преимуществом стало наличие современного ускорителя, банка разделенных изотопов и развитые цифровые методы регистрации излучений. Над поставленной задачей работали не только наши специалисты. Мы пригласили к сотрудничеству ученых Гатчины, Дубны и Томска. В работе были задействованы три ускорителя заряженных частиц и один исследовательский реактор.

Упомянутая выше идея цифровой обработки сигналов, поступающих от детекторов ионизирующих излучений, зародилась в ФЭИ более 20 лет назад. За эти годы разработаны алгоритмы, позволяющие детально анализировать форму импульсов и получать дополнительную информацию о природе регистрируемых частиц. При проведении экспериментов зачастую «мусор», называемый «фоном», может составлять 99,99% от регистрируемых событий. Найти в нем искомые события так же трудно, как найти иголку в стоге сена. Разработанные же методы позволили анализировать нюансы формы регистрируемых сигналов и за счет этого выделить те, которые отвечают изучаемой реакции, то есть те самые «иголки».

В результате трехлетней работы мы получили новые данные для реакций на изотопах железа, никеля, цинка, бора, кислорода, лития, циркония, различных изотопов урана и плутония, хлора, титана. Проведены измерения спектров мгновенных нейтронов деления для спонтанного деления калифорния-252 и теплового деления урана-235. Получены новые данные для выходов запаздывающих нейтронов деления.

Работа, проделанная в ФЭИ, внесла значительный вклад в развитие как отечественной, так и мировой науки. Ее результаты послужат повышению экономической эффективности и безопасности эксплуатации существующих и перспективных ядерных энергоустановок.

Решение этих задач было невозможно без слаженной работы большого коллектива ФЭИ, подключились практически все отделения института. Результаты работы лягут в основу нескольких кандидатских работ наших молодых сотрудников.

Пример HTML-страницы
© 2018 Портал НГ-РЕГИОН Все права защищены