На реакторе ИБР-2 в ОИЯИ:  эксперименты пользователей


https://www.youtube.com/jinrtv

В Лаборатории нейтронной физики Объединенного института ядерных исследований действует пользовательская (юзерская) программа, которая ежегодно охватывает более ста ученых как из ОИЯИ, так и из других научных центров. Они исследуют структуру и свойства  самых разных материалов с помощью пучка нейтронов, производимых реактором. Желающих воспользоваться  окном в наномир – так называют ИБР-2 с его спектрометрическим оборудованием – всегда много. Сейчас, например, здесь проводят свои эксперименты ученые из Института кристаллографии Российской академии наук, из Петербургского  института ядерной физики, который входит в состав исследовательского центра «Курчатовсий институт». Это внешние пользователи.

Геннадий Копица, заместитель заведующего отделом конденсированного  состояния  Петербургского института ядерной физики  НИЦ «Курчатовский институт»:  «Сейчас это единственное место в нашей стране, где можно что-нибудь померить на нейтронах. (Есть еще реактор в Курчатовском институте, но измерений нашего плана, которые нужны для исследований мезаструктуты – то есть  малоугловое рассеяние —  там, к сожалению,  нет). Реактор старый в Петербургском институте ядерной физики  был остановлен в 2015 году, а новый запускается (энергопуск) только сегодня.  И поэтому в ближайшие несколько лет там померить это будет невозможно. Единственный Центр у нас в стране – это ОИЯИ. Мы приехали сюда провести эксперимент.  У нас была подана в прошлом году заявка на проведение исследований бактериальной целлюлозы,  обработанной ферментами,  или, например,  выращенной в тяжелой воде D2O, а не в обычной — легкой H2O.  Мы получили одобрение этой заявки, и соответственно, сейчас получили время и приехали провести этот эксперимент. Это биополимер – бактериальная целлюлоза. Здесь двоякая задача — мы хотели вырастить целлюлозу не в обычных условиях, а используя тяжелую воду. Это для нейтронов хорошо, потому что контрасты другие, ну и сам эффект —  мы хотели посмотреть,  как вода участвует в процессе биосинтеза, как будет дейтерий  встраиваться вместо водорода. Мы хотели бы узнать, как кристаллическая структура влияет на надмолекулярную структуру, и как вообще на организацию бактериальная целлюлоза влияет. А вторая задача – это когда обычную целлюлозу  обрабатывают ферментами. Поскольку целлюлоза – прекрасный биополимер, и он не токсичен, его используют в раневых покрытиях. Но есть одна проблема – эти покрытия высыхают, и их бывает трудно удалять, а если она обработана ферментами, предполагается, что это будет сделать легче. Для этого мы хотим посмотреть — как это будет влиять на структуру, и какой будет выход. Параллельно одна из коллег проводила эксперименты на морских свинках — как действует этот медицинский эксперимент».

В Лаборатории нейтронной физики заинтересованы в расширении пользовательской программы. Заявки в  основном касаются исследований в области физики,  материаловедения,  химии и  биологии.

Наталья Цвигун, инженер  Института кристаллографии РАН: «Мы подаем сюда заявки для исследований, и если наши материалы интересны для изучения, то наши заявки проходят. Мы приезжаем сюда на эксперимент и получаем новые данные. Мы установили образцы карбоната кальция, который у нас  синтезирован при помощи одной из бактерий  в различных условиях. Мы хотим посмотреть, какая будет разница в синтезе, ну и посмотреть структуру получаемого вещества.  Когда мы сделали немного другое исследование, с интересом обнаружили, что кристаллическая структура получается различной – в пяти образцах мы получили  две различные кристаллические модификации этого вещества и одну аморфную. Это вообще получилось очень удивительно и здорово. И мы хотим посмотреть теперь с помощью малоуглового рассеяния — какие еще данные мы получим из этих структур».

Юлия Горшкова, научный сотрудник Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ: «Наша задача – обеспечивать юзеров, которые приезжают к нам на эксперименты, поскольку у нас  в Лаборатории нейтронной физики реализуется программа пользователей, и наша установка малоуглового рассеяния — одна из самых востребованных. От количества всех экспериментов, поданных на раунд (у нас два раунда в  году), третья часть экспериментов, как правило, это именно эксперименты, подаваемые на установку малоуглового рассеяния,  потому что это очень популярный метод по сравнению с другими. Кроме того, время, которое требуется на проведение эксперимента, значительно меньше – это обусловлено спецификой малоуглового рассеяния. Поэтому мы можем проводить больше  экспериментов, чем на других установках.  Юзеры, приезжающие к нам на эксперимент, имеют разные задачи,  и каждый из наших сотрудников  помогает им в поведении экспериментов. У нас двухдетекторная система. На сегодняшний день это восемь независимых колец — азимутальная геометрия, что позволяет существенно расширить диапазон по переданным импульсам, мы фактически в два раза тратим меньше времени на эксперимент, чем если бы имели одну детекторную систему. Нужно заметить, что у нас очень дружный коллектив, ответственный за установку. Сейчас работаем над тем, чтобы в дальнейшем использовать позиционно-чувствительный детектор для исследований. Это позволит расширить наши возможности и измерять образцы, которые имеют анизотропию. Это когда  по разным направлениям различные свойства имеет материал».

Из реактора вылетают нейтроны разных энергий —  от медленных (тепловых) до быстрых (высокой энергии). Поток уходящих из активной зоны реактора нейтронов разделяется на 14 горизонтальных пучков для проведения научных экспериментов.  Бетонные блоки, закрывающие нейтроноводы,  имеют разный цвет.

Дорота Худоба, ученый секретарь Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ: «От реактора идут  нейтроноводы, один цвет – это одна установка. Каждая линия нейтроноводов закончена установками, которые работают в большинстве  в юзерской программе. Если посмотреть  — с правой стороны начинается первый канал –  для ядерных исследований, он не в юзерской программе. Второй канал – это неупругое рассеяние (зеленый цвет),  третий канал – тоже не юзерская программа,  далее —   желтый, синий и зеленый – это как раз малоугловое рассеяние. Это первый зал, есть еще большой зал, где находятся установки по рефлектометрии и  дифрактометры.  Там находятся новые установки, в том числе нейтронная радиография и томография – это новые установки, которые пока не включаются в юзерскую программу,  а остальные все дифрактометры в нашей программе работают».

На сессии Программно-консультативного комитета по  физике конденсированных сред была представлена информация  о программе пользователей Лаборатории нейтронной физики Объединенного института ядерных исследований. Большой интерес у ученых вызывают нейтронные методы  исследований наносистем и материалов.

Дорота Худоба, ученый секретарь Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ: «Материаловедение — самый большой процент  —  40%  заявок. Следующий раздел – физика, потом идет химия,  прикладные науки, биология, геофизика. Большинство юзеров к нам приезжают из России. Нужно отметить,  сам юзер выбирает, что он поставит. В 2018 году было несколько сложнее  для юзеров  — было только три цикла».

В  2018 году для пользователей было только три цикла, потому что реактор несколько месяцев не работал. ИБР-2 был остановлен в мае из-за возникшей неисправности технологического оборудования. Во втором контуре (не радиоактивном) натриевого охлаждения реактора произошла небольшая течь натрия в воздушном теплообменнике из-за  микротрещин. Это была  не авария, а  всего лишь нарушение в работе. Тем не менее, это повлекло за собой  остановку реактора. Устранить неполадки можно было достаточно быстро, но оформление соответствующей документации заняло определенное время. Зато в этом году  пользователям предоставят больше времени для проведения экспериментов,  потому что увеличена продолжительность циклов.

Валерий Швецов, директор Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ: «Из-за неполадок в различных компонентах оборудования два цикла мы потеряли в 2018 году, плюс к этому начались процессы, которые были  и на старом реакторе ИБР-2 —  с неким увеличением разброса амплитуды импульсов. И мы также как наши предшественники в конце  1997 года, когда был директором Виктор Аксенов, приняли решение перейти на более низкий уровень мощности реактора. Это было сделано для того, чтобы абсолютно надежно гарантировать нормальную стабильную  работу реактора. Хотя все эти флуктуации (как я показывал в своем докладе) далеко-далеко — в 10 раз  еще не достают до того уровня, который является  критическим  для безопасной  работы реактора, и при котором начнет срабатывать автоматическая  защита. Это  не значит, что если мы достигнем до критического уровня, что-то случится – нет, автоматика просто отключит, тогда нельзя будет работать. Так вот, до этого нам очень далеко. Тем не менее, мы решили уменьшить мощность, увеличить расход теплоносителя для того, чтобы  стабильно  и надежно работать дальше. Ну а чтобы физики не страдали и наши юзеры, мы увеличили длительность циклов – просто больше времени дадим. Планируем на 500 часов больше, чем обычно работать.  Вместо двух будет 1,7 МВт, но мы при этом увеличили  длительность цикла для того, чтобы компенсировать  недостающие нейтроны физикам».

Директор Лаборатории нейтронной физики Валерий Швецов доложил членам Программного комитета о положении дел  на реакторе ИБР-2

Валерий Швецов, директор Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ: «Если говорить про будущее Лаборатории, а не только про реактор — очень большой прогресс был в обосновании новых источников нейтронов. Буквально вчера закончилось совещание рабочей группы по стратегическому планированию – подгруппы, которая занимается нейтронным источником. Многие участники отметили, что по сравнению с декабрьским рабочим совещанием, вчера уже был достигнут значительный прогресс, потому что была видна работа АО «НИКИЭТ» и наших людей. Сергей Куликов показал уже разводку пучков на будущем реакторе  с конкретными замедлителями. Так что тут тоже работа идет».

После 2032 года в Лаборатории нейтронной физики должен работать новый источник нейтронов.  Рассматриваются два варианта, один – не реакторный, основанный на использовании  мощного линейного ускорителя с нептуниевым материалом  в качестве ядерного топлива, другой вариант – реакторный. Главное, чтобы это был  высокоинтенсивный  источник мирового класса, — говорят специалисты, — и  в начале  2020 года должна быть  подготовлена  хорошо проработанная физическая  модель с техническими характеристиками, с юзеровскими характеристиками.

Еще более 10 лет ИБР-2 будет давать юзерам  нужные им нейтроны для  решения широкого круга научных задач, в том числе и прикладных — как в случае  с пользователями, которые выбрали Лабораторию нейтронной физики ОИЯИ,  потому что другого такого места, по их словам, в России просто нет, где  можно  было бы  померить биологические и другие материалы  на нейтронах.

Научно-информационный отдел ОИЯИ, 2019

Редактор портала: Инна ОРЛОВА
Видео: Евгений ГОРЯЧКИН

http://www.jinr.ru

http://www1.jinr.ru/News/Jinrnews_rus.html