//Росатом/ВНИИЭФ
Контакты
En / Ru


Ядерная и радиационная физикаь

К приоритетным задачам этого направления исследований относятся прежде всего:
  • изучение прохождения ядерных излучений через различные среды, их взаимодействие с веществом, всесторонние исследования радиационной стойкости материалов и изделий различного назначения;
  • расчетно-теоретические и экспериментальные исследования по термоядерному синтезу;
  • физика деления, определение критических масс, способов управления цепной ядерной реакцией;
  • создание методов регистрации как отдельных актов ядерных взаимодействий, так и дозовых характеристик потоков излучений;
  • разработка ядерно-физических методов анализа состава и структуры конструкционных материалов.

Всестороннее изучение радиационной стойкости материалов, аппаратуры и различных систем, безопасности ядерных энергетических установок, исследования в области физики твердого тела проводятся в настоящее время с широким применением действующих в институте шести импульсных ядерных реакторов самогасящегося действия. Среди них:

  • БИГР - реактор на быстрых нейтронах с активной зоной из уран-графитового топлива;
  • БР-1, БИР-2М - реакторы на быстрых нейтронах с активной зоной из металлического сплава высокообогащенного урана-235 с молибденом;
  • ВИР-2М - реактор на промежуточных нейтронах с активной зоной из раствора соли урана в обычной воде;
  • ГИР-2 - реактор на быстрых нейтронах с комбинированной активной зоной, усиливающей поток гамма-излучения;
  • БР-К1 - реактор на быстрых нейтронах с большой полостью для облучения образцов.

Оснащение реакторных установок специализированными стендами и системами телеметрической регистрации процессов гарантирует безопасное проведение исследований в зонах с экстремально высокой плотностью потоков ядерных излучений.
Автоматизированные системы управления и защиты реакторов позволяют генерировать импульсы мощности различной длительности и формы при высокой степени повторяемости.
Эффективным инструментом фундаментальных физических и прикладных исследований являются ускоритель электронов ЛУ-50 и ускоритель протонов, дейтронов и тритонов ЭГП-10.
Электронный линейный резонансный ускоритель ЛУ-50 - лучший отечественный ускоритель электронов такого типа с параметрами, соответствующими мировому уровню.
Импульсный индукционный укоритель электронов ЛИУ-30 создан на основе впервые предложенных во ВНИИЭФ индукторов с водоизолированными радиальными линиями, коммутируемых многоканальными разрядниками на 500 кВ. Он введен в эксплуатацию в 1988 году и имеет рекордную энергию ускорения электронов 40 МэВ среди установок такого типа, обеспечивая получение пучка электронов с током до 100 кА в импульсе длительностью 25 нс и импульсную дозу тормозного излучения до 100 Гр на 1 м от мишени.
В 2004 году для расширения возможностей радиационных исследований на ускорителе ЛИУ-30 освоена компрессия его релятивистского электронного пучка в соленоиде из девяти секций, обеспечивающем рост продольного магнитного поля от 0,5 до 2,0 Тл на длине 1,1 м. Компрессия пучка обеспечила приблизительно 4-кратное увеличение дозы и мощности дозы тормозного излучения до 240 крад (ТЛД) и до 1,5x1013 рад/с соответственно.
Ускоритель ЛИУ-10М создан в 1994 году на базе водоизолированных линий со ступенчатым изменением волнового сопротивления и предназначен для получения пучка электронов с энергией до 25 МэВ, импульсным током пучка до 50 кА, длительностью тока 20 нс; дозой тормозного излучения на 1 м от мишени до 7,5 Гр.

ВНИИЭФ располагает перезарядным ускорителем заряженных частиц ЭГП-10. Он является единственным в Европе и одним из двух ускорителей в мире, на которых реализован режим ускорения ионов трития. ЭГП-10 обеспечивает ускорение протонов и дейтронов до энергий 10 МэВ и находит широкое применение при проведении физических исследований с заряженными частицами и нейтронами.

Широкий круг физических исследований проводится в институте с использованием ускорителей прямого действия МИН, ГОНГ, РИУС-5, РИУС-3В, СТРАУС.

В 2004 году создан и введен в опытную эксплуатацию электронный ускоритель СТРАУС-Р для импульсной рентгенографии быстропротекающих процессов. Ускоритель генерирует одиночные импульсы тормозного излучения длительностью 50 нс при дозе 27 Р на расстоянии 1 м от мишени и эффективном диаметре фокусного пятна < 3,5 мм. Высокие выходные параметры установки при сравнительно малых габаритах (4,7×2,2×2,4 м) достигнуты за счет применения в ее конструкции развитой в РФЯЦ-ВНИИЭФ технологии формирования высоковольтных импульсов на базе многокаскадных линий со ступенчатым изменением волнового сопротивления. Кроме основного назначения, ускоритель может использоваться в качестве автономной облучательной установки для исследований в области радиационной физики.

На базе ускорителя ЛИУ-30 создан радиационно-облучательный комплекс ПУЛЬСАР в составе с импульсным ядерным реактором БР-1 и рядом других электрофизических установок. Он признан во всем мире уникальным комплексом и предназначен для исследования раздельного и комбинированного воздействия импульсов тормозного и гамма-нейтронного излучений.

На основе ускорителя ЛИУ-10М в составе с ядерным реактором ГИР-2 создан менее мощный облучательный комплекс ЛИУ-10М-ГИР2.

Изготовлен и пущен в эксплуатацию малогабаритный линейный резонансный ускоритель электронов ЛУ-7-2, дополняющий оснащение комплекса ПУЛЬСАР, для дефектоскопии промышленных объектов с большими массовыми толщинами.

В институте разработаны стационарные и транспортабельные плазменные импульсные источники нейтронов и рентгеновского излучения, применяемые для ядерно-физических и биологических исследований, градуировки детекторов ионизирующих излучений, контроля подкритичности реакторных сборок, нейтронографии, рентгенографии, включая быстропротекающие процессы в средах малой плотности.

Отделением, занимающимся разработкой тритиевых приборов, совместно с Лабораторией ядерных реакций ОИЯИ проведена серия экспериментов, направленных на получение ядер 5Н в реакции 3H+3H.

В России и за рубежом проявляется значительный интерес к двухсекционным реакторам-бланкетам с односторонней нейтронной связью секций (бланкетам каскадного типа). Эти устройства предназначены для работы в энергетических и трансмутационных электроядерных установках, что позволяет существенно снизить мощность ускорителя протонов. Они открывают также перспективы создания быстроходных импульсных реакторов. По реакторам каскадного типа имеются работы теоретические и проектные, но экспериментальные работы до последнего времени отсутствовали. В РФЯЦ-ВНИИЭФ впервые в мире проведена серия экспериментов на моделях реакторных бланкетов каскадного типа.

Вопрос о существовании магнитного момента нейтрино является фундаментальным для современной физики. В последнее время все большее внимание стали привлекать эксперименты с β-активными источниками, наиболее перспективный из которых тритий.

Для получения верхнего предела магнитного момента нейтрино на уровне 2x10-12μβ за время 1-2 года необходим источник с активностью 40 МКи (4 кг трития, находящегося в химически связанном состоянии). Разработка такого источника сложная техническая задача, которая решается специалистами РФЯЦ-ВНИИЭФ.
РФЯЦ-ВНИИЭФ участвует в работах в Европейской организации ядерных исследований (CERN) по созданию и эксплуатации спектрометра тепловых фотонов PHOS эксперимента ALICE, предназначенного для изучения кварк-глюонной материи. Работы ведутся в составе широкой международной коллаборации на протяжении более 15 лет, начиная с 1997 года, в рамках Соглашений между CERN и Правительством РФ, Протокола об участии в проекте БАК, Соглашений между ALICE/CERN и РФЯЦ-ВНИИЭФ.
Большой Адронный Коллайдер (БАК) ускоряет встречные пучки заряженных частиц до энергий соударения 8 ТэВ. После модернизации, которая должна закончиться в конце 2014 года, планируется вывести БАК до энергий соударения 14 ТэВ. Кольцо ускорителя имеет длину 26,7 км и пересекает границы двух государств – Швейцарии и Франции. Туннель БАК лежит на глубине от 45 до 170 метров в разных точках.
Спектрометр PHOS обеспечивает получение важной информации о фотонном излучении, возникающем при взаимодействии встречных пучков тяжелых ионов высоких энергий. Принцип работы спектрометра основан на новых тяжелых сцинтилляторах – кристаллах вольфрамата свинца PbWO4, разработанных и произведенных в России и охлаждаемых до температуры минус 25ºС при обеспечении ее долговременной стабилизации в диапазоне не хуже ±0,05ºС. В состав спектрометра входят 3 идентичных модуля, в каждом из которых находятся 3584 кристалла. Общий вес одного модуля - ~4,2 т. Общий вес массива кристаллов трёх модулей - более 7,7 т.
Специалистами РФЯЦ-ВНИИЭФ выполнена разработка механической конструкции спектрометра, системы его охлаждения, контроля температуры и термостабилизации, программного обеспечения AliPhosCool, обеспечивающего работоспособность этих систем, а также программного обеспечения, интегрирующего спектрометр PHOS в общую структуру эксперимента ALICE. В основе выполненных разработок лежат результаты экспериментов с созданными в РФЯЦ-ВНИИЭФ прототипами спектрометра на 64 и 256 каналов регистрации, которые проводились в 1996-2004 годах на пучках ускорителей PS и SPS в CERN.
В первой половине 2009 года собран и установлен на место проведения эксперимента в шахту (глубина около 60 м) на кольцо БАК спектрометр в составе первых трёх модулей.
К октябрю 2009 года спектрометр выведен на рабочие параметры и полностью подготовлен к началу проведения первых физических измерений на ускорителе БАК.

23 ноября 2009 года в кольцо ускорителя впервые произведена инжекция встречных пучков протонов с энергией 450 ГэВ. Вечером этого же дня детекторами эксперимента ALICE, в том числе и спектрометром PHOS, зафиксировано несколько сотен событий, возникших при соударении заряженных частиц.

Скрин-шоты с компьютера контроля и управления экспериментом ALICE, на которых (слева) смоделированы траектории зафиксированных заряженных частиц, разлетающихся из центра соударения эксперимента, и (справа) места прохождения этих частиц через спектрометр PHOS (три модуля расположены внизу эксперимента ALICE и выделены желтым цветом)

В 2011 году впервые достигнута и обеспечена долговременная стабилизация температуры матрицы кристаллов спектрометра PHOS в коридоре ±0,04º С, что качественно повлияло на результаты физических измерений и позволило международной коллаборации PHOS/ALICE иметь высокоточный физический прибор (единственный в мире спектрометр, работающий в данном диапазоне температур с требуемым энергетическим разрешением) для проведения уникальных измерений на самом мощном в мире ускорителе БАК.

В 2012 году в эксперименте ALICE с участием спектрометра PHOS впервые получены инвариантные дифференциальные сечения рождения πº- и η-мезонов в области средних быстрот в протон-протонных столкновениях при рекордно высоких энергиях БАК: √s = 0,9 ТэВ, √s = 2,76 ТэВ и √s = 7 ТэВ. Спектры нейтральных мезонов измерены в широком диапазоне поперечных импульсов: 0,3 <рT<25 ГэВ/с для пионов и 0,4 <рT< 15 ГэВ/с для η-мезонов.

Спектры πº – мезонов в сравнении с предсказаниями пертурбативной КХД (штриховые кривые)

Спектры η – мезонов в сравнении с предсказаниями пертурбативной КХД (штриховые кривые)

Полученные экспериментальные данные позволили провести сравнение с современными предсказаниями пертурбативной квантовой хромодинамики (КХД) в области энергий, ранее недоступной для эксперимента. Проведенное сравнение показало, что в то время как экспериментальные данные при энергии 0,9 ТэВ согласуются с предсказаниями теории, данные при больших энергиях существенно расходятся с теоретическими результатами. При энергиях 2,76 ТэВ и 7 ТэВ пертурбативная КХД предсказывает значительно больший выход мезонов, чем получено в эксперименте. Таким образом, полученные результаты представляют серьёзный вызов для теоретических КХД-расчетов и должны стать основой для лучшего понимания применимости КХД при энергиях БАК. Результаты, полученные при энергиях 0,9 ТэВ и 7 ТэВ, недавно опубликованы в Physics Letters B 717 (2012) 162–172 (в состав коллектива авторов входят ученые и специалисты РФЯЦ-ВНИИЭФ).
В период плановой остановки БАК (март 2013 - декабрь 2014 годов) коллаборацией PHOS будут проводиться работы по модернизации спектрометра: должен быть собран и запущен в эксплуатацию 4-ый модуль, что позволит значительно увеличить разрешение спектрометра как физического прибора; должны быть модернизированы все системы, находящиеся в зоне ответственности РФЯЦ-ВНИИЭФ, будут продолжены работы по совершенствованию программного обеспечения и наращиванию аппаратных ресурсов.
По результатам работ за период с 2010 по 2012 годы ученые и специалисты РФЯЦ-ВНИИЭФ в составе международной коллаборации ALICE явились соавторами более 30 научных публикаций, представленных в ведущих мировых физических журналах, имеющих самый высокий индекс цитируемости.
В 2010 году в РФЯЦ-ВНИИЭФ начаты работы по созданию распределённого информационно-вычислительного комплекса (кластера) российской сети RDIG(Russian Data Intensive GRID), входящей в состав сети CERN/GRID Большого Адронного Коллайдера и обеспечивающей обработку физических данных. Введенный в эксплуатацию кластер будет интегрирован в крупнейшую мировую сеть распределенных компьютерных вычислений WLCG (Worldwide Large Hadron Collider Computational GRID) с учетом всех требований CERN.
Создание RDIG-центра несомненно будет еще одним реальным шагом интеграции РФЯЦ-ВНИИЭФ в международное научное сообщество и позволит:
- включиться в составе большой международной коллаборации в работы по сбору, обработке и, в перспективе, анализу уникальных физических данных, получаемых на БАК;
- проводить работы по контролю и управлению параметрами спектрометра, находящимися в зоне непосредственной ответственности РФЯЦ-ВНИИЭФ;
- перенести часть работ, требующих в настоящее время непосредственного присутствия специалистов в CERN, в РФЯЦ-ВНИИЭФ;
- осуществлять оперативное решение вопросов с коллабораторами в режиме on-line посредством видео- и аудиоконференций.
Ещё одной задачей, которую успешно решают специалисты РФЯЦ-ВНИИЭФ в составе коллаборации ALICE, является задача управления, контроля работоспособности, сбора физических данных и анализа их качества, мониторинга радиационной и пожарной безопасности супердетектора ALICE. Кроме этого, РФЯЦ-ВНИИЭФ в тесном сотрудничестве с международной коллаборацией PHOS разрабатывают научную программу модернизации спектрометра до 2017 года, когда светимость Большого Адронного Коллайдера будет увеличена более чем в 10 раз.
Заслуги РФЯЦ-ВНИИЭФ высоко оценены международной коллаборацией проекта ALICE/CERN, что неоднократно подтверждено благодарственными письмами Руководителя проекта ALICE P.Gubellino и российского координатора в Объединении ALICE, руководителя международного проекта PHOS/ALICE В.И.Манько в адрес директора РФЯЦ-ВНИИЭФ В.Е. Костюкова и научного руководителя РФЯЦ-ВНИИЭФ Р.И. Илькаева.