Эмиссионный детектор нейтринного излучения поможет контролировать ядерную безопасность, предотвращать катастрофы и изучать процессы внутри Солнца и Галактики. Руководитель проекта Александр Болоздыня, доктор физико-математических наук, заведующий межкафедральной лабораторией экспериментальной ядерной физики НИЯУ МИФИ, рассказывает об открытии.
Фото: Из личного архива
— Что значит для науки создание эмиссионного детектора нейтринного излучения и как простым языком объяснить, что это такое?
— Детектор регистрирует нейтрино — незаряженные элементарные частицы с очень маленькой массой, которые очень слабо взаимодействуют с веществом. За сутки через каждого из нас проходит триллион нейтринов, излучаемых Солнцем. В том количестве, которое излучает Солнце или наши АЭС, они безвредны для человека и не влияют на экологию, но их очень сложно зарегистрировать. Еще они появляются в ядерных реакциях, происходящих в звездах, на Солнце и в ядерных реакторах. Если мы научимся хорошо регистрировать нейтрино, то сможем лучше понять процессы, происходящие в недрах Солнца, при взрывах сверхновых звезд, в момент рождения нашей Вселенной.
— Почему о детекторе должны знать обычные люди? Какую пользу он несет нам, а не ученым?
— Нейтрино обладает высокой проникающей способностью и легко проходит через бетонную защиту и оборудование атомных электростанций. Нейтринный детектор позволит дистанционно контролировать процессы, происходящие в активной зоне ядерного реактора, и тем самым повысить безопасность атомной энергетики, что поможет предотвращать катастрофы, подобные Фукусиме или в Чернобылю, а также следить за нераспространением ядерного оружия. Объясню, что это значит. Атомная энергетика — это топливо будущего, которое обеспечивает нас резервом энергии на случай, когда нефть и газ закончатся. Сегодня все больше стран стремятся обзавестись АЭС. Этой технологией обладают развитые страны — Россия, США, Франция, Англия, Китай. Существует система международных соглашений, направленных на предотвращение расширения круга государств, обладающих ядерным оружием. За этим следит, в частности, МАГАТЭ (Международное агентство по атомной энергии — межправительственная организация, задачей которой является контроль за мирным использованием атомной энергии). Акты продаж, передача ядерных технологий, строительство и эксплуатация АЭС находятся под бдительным контролем МАГАТЭ. В процессе работы ядерного реактора на уране-235 в результате ядерных реакций нарабатываются другие изотопы — в частности, плутоний-239, который можно использовать для изготовления атомных бомб.
Если мы строим АЭС стране, которая не входит в «клуб держателей акций ядерной энергетики», мы ставим условие, что мы, как гарант международного режима нераспространения ядерного оружия, должны забирать отработанное топливо, чтобы перерабатывать на своих предприятиях. По факту может происходить иначе, так как новый владелец АЭС сам обеспечивает эксплуатацию ядерных реакторов. Детектор, установленный вне стен АЭС, позволит понимать, нет ли нарушений эксплуатации АЭС и не изымаются ли опасные изотопы незаконным образом.
— Насколько детектор делает работу АЭС безопаснее?
— В цифрах сказать не могу — мы не занимаемся такого рода анализом. Но подобный детектор интересует организации, отвечающие за безопасность атомной энергетики на международном уровне. Пару лет назад нас посетил заместитель гендиректора МАГАТЭ и отметил важность проводимой нами работы.
Открытие нейтрино
На основе нашей разработки можно создать мобильный нейтринный детектор, который на грузовике может подъехать к зданию АЭС и по нейтринному излучению проверить режим эксплуатации ядерного реактора.
— А какой он по габаритам?
— Прибор, который есть сейчас, предназначен для лабораторных исследований. Рабочее вещество в нем — жидкий ксенон, который находится в охлажденном состоянии при температуре –105°С. Его масса около 200 кг, размеры центральной части детектора — примерно 40 на 40 см. Наружные размеры криостата — примерно с рост человека.
— Когда и где именно начнутся испытания?
— Мы планируем поставить детектор в Тверской области на Калининскую АЭС. Но для этого нужно пройти определенные согласования с Росэнергоатомом. В этом нас поддерживает государственная корпорация по атомной энергии «Росатом». Если согласования пройдут успешно, испытания могут начаться через год.
— От чего зависит массовое внедрение?
— Мы планируем, что исследования займут не меньше года. Нам нужно будет доказать мировой общественности, что мы действительно регистрируем нейтрино. Будет много экспериментальной рутины, компьютерного моделирования и сравнения экспериментальных результатов с расчетами.
В детекторе заложены две важные составляющие, которые обеспечивают его уникальность. Во-первых, сам способ регистрации с помощью двухфазного эмиссионного детектора, который впервые был предложент в МИФИ примерно 50 лет назад. Сейчас на этом принципе действует несколько установок в мире, которые занимаются поиском темной материи. Отличаются они тем, что работают глубоко под землей, а наш детектор будет работать практически на поверхности земли. На Калининской АЭС мы будем стоять в 19 м от активной зоны. А во-вторых, мы первые, кто для регистрации реакторных нейтрино будет использовать эффект упругого когерентного рассеяния нейтрино на тяжелых ядрах, который открыт только в 2017 году.
— Что за команда работала над детектором?
—Технология эмиссионных детекторов начала интенсивно развиваться 20 лет назад, когда ученые во всем мире начали ставить опыты по поиску темной материи во Вселенной. Я сам участвовал в нескольких экспериментах такого рода. В 2010 году правительство РФ учредило конкурс на получение мегагрантов для создания новых современных лабораторий в России под руководством ученых с мировым именем. В 2011 году я обсудил возможность получения мегагранта для создания нейтринного детектора нового поколения с моим другом, коллегой и выпускником МИФИ Юрием Ефременко (Юрий — профессор Университета Теннесси и ведущий научный сотрудник Окриджской национальной лаборатории США), и он от имени нашего коллектива подал заявку на этот грант. На полученные средства (450 млн руб.) мы создали лабораторию экспериментальной ядерной физики и построили детектор РЭД-100.
Сейчас у нас работают 25 человек, восемь из них — штатные сотрудники НИЯУ МИФИ, а остальные — совместители из ведущих ядерных институтов: НИЦ «Курчатовский институт», НИУ МФТИ, Университета Теннесси, Объединенного института ядерных исследований в Дубне, а также студенты и аспиранты.
— Вы только предполагали, что можно построить такой прибор, который будет регистрировать нейтрино. Но его еще нужно было создать. Вы верили в идею? Вам не говорили, что это невозможно?
— Ядро научного коллектива составили физики с большим опытом работы в экспериментальной ядерной физике и физике элементарных частиц. Идея поиска и регистрации эффекта когерентного рассеяния на тяжелых ядрах сгенерировал примерно в 2008 году как раз Юрий Ефременко вместе с профессором Университета Северной Каролины Кейт Шолберг. Они написали статью, где предположили, что этот эффект можно обнаружить. А мы построили такую технику.
Внутренний страх был всегда. Было много технических проблем — например, связанных с чистотой ксенона. У нас был очень грязный ксенон, который нельзя было использовать в эксперименте. Мы его вычистили, что потребовало нескольких лет напряженной работы. Мы даже получили патент на очистку ксенона. Но такие риски — особенность любой экспериментальной работы.
— Запатентован ли прибор? Как вы защитили его от копирования?
— Как я говорил выше, в детекторе заложено несколько ноу-хау, на которые мы получили несколько патентов. Помимо этого, у нас работают уникальные специалисты. Только благодаря этому мы смогли сделать РЭД-100. Пока это лабораторный прибор и имеет много функций, которые для работы «в поле» не нужны. По сути, это прототип рабочего детектора, который нужно еще построить. Например, нужно сделать его более компактным. Сейчас установка занимает площадь примерно 5 на 5 м. Для автомобиля, конечно, нужно делать другую конфигурацию.
Мы вряд ли будем заниматься коммерциализацией изделия. Пока о продажах, цене и подобном мы не думаем: мы ученые, и сейчас наша цель — провести испытания и доказать, что идея эффективной регистрации нейтрино с помощью эффекта упругого когерентного рассеяния нейтрино на тяжелых ядрах работает.
2 — внутренний (холодный) сосуд криостата
3— верхняя матрица из девятнадцати фотоэлектронных умножителей типа HAMAMATSU R11410-20
4 — сетчатый анод и вытягивающая сетка
5 — рабочий объем, окруженный тефлоновым отражателем со встроенными полезадающими
электродами
6 — сетчатый катод
7 — нижняя матрица из девятнадцати фотоэлектронных умножителей
8 — нижний центральный теплосъемник с термосифоном
9 — медная обойма для нижней матрицы фотоэлектронных умножителей
10 — медный кожух холодного сосуда криостата
11 — один из двух боковых теплосъемников с термосифонами
12 — медная обойма верхней матрицы фотоэлектронных умножителей
13 — гибкий тепловой мост
14 — верхний центральный теплосъемник с медным диском, на котором конденсируется ксенон
15 — теплоизолирующий подвес на основе материала Vespel
16 — сильфонная тепловая развязка на трубопроводе для вывода кабелей