Нейтроны из ведра

Команду запустить цепную реакцию деления урана на реакторе ПИК дал президент России Владимир Путин 8 февраля, в День российской науки. Это произошло на заседании Совета при президенте по науке и образованию, на котором глава государства присутствовал виртуально, из своего рабочего кабинета в Москве.

Запуск лидерской мегасайнс-установки ознаменовал открытие Года науки и технологий в России, а работа над реактором заново «пересобрала» российскую атомною отрасль, разбежавшуюся было «по отдельным квартиркам», как заметил президент. На завершающей фазе строительства сложилось четкое взаимодействие между национальным исследовательским центром «Курчатовский институт» — заказчиком объекта и госкорпорацией «Росатом» — подрядчиком.

Новый центр притяжения

Гатчина — городок в Ленинградской области с размеренным ритмом жизни — никогда не имела официального статуса наукограда. Но как ее еще назвать, если чуть ли не половина населения как-то связана с наукой? Характер города сформировался в бытность Павла I цесаревичем. В своей резиденции в Гатчинском дворце он вынашивал планы обновления России, до поры до времени не выходившие за пределы Гатчины.

Петербургский Институт ядерной физики (ПИЯФ) имени Б. П. Константинова, входящий в НИЦ «Курчатовский институт» на правах структурного подразделения, находится чуть в стороне от центральных гатчинских улиц, в густом еловом лесу. День пуска реактора ПИК выдался снежным и морозным, исполинские ели встречали участников события зимними открыточными видами, уже полузабытыми из-за теплых зим.

Вынесенная за пределы охраняемой территории институтская столовая напомнила об эпохе строительства коммунизма: где еще сейчас можно найти кофе с заварной булочкой с кремом по 50 рублей? Здесь же и роскошные финиковые пальмы в огромных кадках — типичные детали интерьеров советских научных институтов и КБ.

А дальше — защищенный периметр, охраняемый, как мне показалось, даже строже и серьезнее, чем государственная граница.

Сам реактор занимает ничтожно мало места — объем, в котором непосредственно протекает цепная реакция, составляет всего 50 литров. «Ведро», как выразился президент Курчатовского института Михаил Ковальчук, подбирая яркое сравнение для членов Совета при президенте по науке и образованию во время экскурсии для них по реакторному и соседним залам, которую он провел лично. В то же время территория, где построен реактор, занимает более 30 гектаров. Здесь создан целый комплекс зданий и сооружений, непосредственно обслуживающих работу реактора. «Конструкции центрального реакторного здания могут выдержать падение самолета», — рассказал Ковальчук.

Внутренние интерьеры комплекса выдержаны в нейтральных, очень спокойных тонах, разве что в реакторном зале можно увидеть оранжевую и красную разметку на полу и ярко-оранжевые нейтроноводы в нейтроноводном зале. К 2024 году эти конструкции будут смонтированы в несколько новых станций — так здесь называют конструкции, по которым проходят или будут проходить потоки нейтронов. Они разной формы и конфигурации — одни прямые, другие наклонные. На них уже смонтирована и будет монтироваться различная исследовательская аппаратура.

Снаружи все здания комплекса выкрашены яркой красной и оранжевой краской.

До запуска реактора многим ученым ПИЯФ нередко приходилось бывать в Гренобле и Мюнхене — занимать очередь и подолгу ждать выделенного им времени для работы на похожих установках. Теперь поток исследователей потечет в обратном направлении — из Европы в Гатчину.

Реактор ПИК по своим характеристикам заметно выигрывает по сравнению с нейтронными реакторами в Гренобле и Мюнхене, уверен Владимир Воронин, заместитель директора ПИЯФ. Он рассказал «Стимулу», что проектная мощность европейских нейтронных реакторов меньше — 58 МВт у реактора в Гренобле и 20 МВт у реактора в Мюнхене. По мнению Воронина, «правильнее всего сравнивать нейтронные реакторы даже не по мощности, а по потоку нейтронов». Здесь ПИК точно чемпион. При 50-литровом объеме реактора плотность потока испускаемых частиц составляет 2 МВт на литр. У немецких и французских коллег — не более 1–1,5 МВт на литр.

Михаил Ковальчук также уточнил, что ресурс гренобльского реактора в ближайшее время заканчивается.

Чтобы встретить поток исследователей из разных уголков России и со всего мира, в Гатчине есть все необходимое, даже обновленная дорожная сеть. Михаил Ковальчук подчеркнул, что всего за пятнадцать минут можно по хорошей новой трассе добраться до института из аэропорта Пулково.

«Здесь построена качественная дорожная инфраструктура. Я здесь всегда езжу сам за рулем. В Москве я раньше не мог этого делать и сейчас не делаю, — подчеркнул Михаил Ковальчук, говоря о доступности ПИЯФ, куда прежде приходилось ехать из Пулково два часа по узкой ухабистой дороге. — Здесь, выезжая из гаража в Репино (там расположена одна из петербургских площадок Курчатовского института — “Стимул”), я точно знаю, сколько мне минут до университета (Михаил Ковальчук возглавляет физический факультет СПбГУ. — “Стимул”), и сколько минут до Гатчины. Ночью, днем, в любую погоду, по освещенной дороге. Если вдруг где-то авария, я могу перестроиться и уехать на ЗСД (Западный скоростной диаметр пересекает Петербург с севера на юг, соединяясь в двух местах с Кольцевой автодорогой. — “Стимул”), на кольцо. Вот что такое инфраструктура! Я точно могу планировать свое время, что в Москве сделать пока невозможно из-за размеров».

Президент НИЦ «Курчатовский институт» акцентировал внимание участников Совета при президенте по науке и образованию на том, что научная инфраструктура играет ту же роль, что и транспортная, только при решении других задач.

«То же самое относится к исследовательской инфраструктуре, — убежден Ковальчук. — У вас есть исследовательская инфраструктура, и вы можете делать всё! Мегаустановки — основа исследовательской инфраструктуры, потому что на них вы можете делать то, что невозможно больше нигде. Раньше исследовательские мегаустановки забирали 85–90 процентов денег, выделяемых на науку, и обслуживали 10–12 процентов научного сообщества (ядерную физику, ускорители). Сегодня эти установки повернуты на все научное сообщество».

Он акцентировал внимание на междисциплинарных исследованиях, отметив, что сотрудница НИЦ «Курчатовский институт» Екатерина Яцышина готовится к защите докторской диссертации по историческому материаловедению. Это направление объединило самые современные и сложные исследовательские мегаустановки, где используются естественно-научные методы исследований и уникальные объекты богатейшего культурного наследия России.

В результате, как отметил Ковальчук, становятся возможными вещи, которые прежде можно было воспринимать лишь как чудо, фантазию или художественную метафору: «рукописи не горят».

«В историческом материаловедении мы применяем естественно-научные методы для изучения объектов культурного наследия. Смотрим рукописи, видим тексты, которых нет, можем прочитать сгоревший свиток, не раскрывая его, потому что он разрушится при прикосновении — из пепла можем восстанавливать. Делаем уникальные вещи», — рассказал Михаил Ковальчук.

Диапазон возможностей ПИКа

Если говорить непосредственно о реакторе ПИК, то его возможности делятся на две большие группы. Нейтроны — элементарные частицы, входящие в состав атомного ядра и высвобождающиеся при его расщеплении, — могут здесь использоваться и как объект изучения, и как исследовательский инструмент.

Спектр излучаемых реактором нейтронов включает так называемые быстрые нейтроны (они обладают высокой энергией и на данном этапе не могут использоваться исследователями), тепловые нейтроны — главный объект изучения, и другие.

Тепловые нейтроны особенно интересны и ценны тем, что длина их волны составляет 1,5–2 ангстрема, что сопоставимо с размерами атомов и молекул и соответствует задачам изучения микромира. «Цена деления измерительного инструмента должна соответствовать размеру измеряемого объекта, — пояснил Владимир Воронин. — Нейтроны с меньшей длиной волны также будут задействованы исследователями, но чуть позже, с их помощью планируется исследовать строение ядер атомов».

Через некоторое время найдется применение холодным (с длиной волны 5–20 ангстрем) и ультрахолодным нейтронам. Холодные нейтроны подходят для изучения строения вещества и особенно интересны материаловедам. Ультрахолодные нейтроны с длиной волны 1000 ангстрем нужны для изучения свойств самих нейтронов. По словам Владимира Воронина, «энергия ультрахолодных нейтронов снижается настолько, что они теряют способность входить внутрь вещества и их можно хранить в обыкновенной банке». Работа с ультрахолодными нейтронами начнется на реакторе ПИК в 2022–2023 годах, с холодными — в 2023–2024 годах.

Каждый из типов нейтронов будет изучаться в разных исследовательских установках. Ко дню пуска были полностью готовы к работе пять исследовательских станций. К 2024 году, когда реактор выйдет на проектную мощность 100 МВт, к ним добавится еще двадцать. Система может развиваться и дальше. Уже есть предложения немецких коллег на этот счет.

В день пуска мощность реактора не превысила мощность обычной лампочки. Мощность реактора будет наращиваться медленно. Каждый новый шаг ученые тщательно проанализируют, прежде чем сделать следующий, так как надежность и безопасность для всех здесь фундаментальные понятия. «До 10 мегаватт мощность будет увеличена в ближайшие месяцы, до проектной мощности 100 мегаватт — к 2022 году», — уточнил Владимир Воронин.

Михаил Ковальчук и генеральный директор «Росатома» Алексей Лихачев сравнили постепенное раскрытие возможностей реактора с развитием младенца. «Введение реактора — это процесс. Вот ребенок родился, не держит голову, вот уже начал держать голову, потом вот он садится, начинает вставать, встал — учится ходить. Точно та же самая процедура у нас, и с любой мегаустановкой», — пояснил Михаил Ковальчук. Алексей Лихачев предложил сравнение с олимпийцем: «Сегодня наш “ребенок”, наш “человек” побежал: реактор начал жить энергетической жизнью. Побежал еще не со скоростью олимпийского чемпиона, но со скоростью участника олимпийского клуба, которому есть куда расти».

С помощью нейтронного излучения ученые получили возможность изучать микромир в масштабе нескольких ангстрем — надатомных и высокомолекулярных структур, что открывает принципиально новые возможности в области биологии, биофизики и физики конденсированного состояния вещества.

Распределять время на реакторе ПИК для осуществления научных экспериментов различными научными группами, как российскими, так и зарубежными, по мнению Владимира Воронина, можно будет примерно с 2022 года. «Стоимость работы реактора в год составляет около одного миллиарда рублей. Реактор не может работать 365 дней в году, а примерно около 200 дней. В год можно провести около 20–30 экспериментов продолжительностью от одного до десяти дней. Получается 5000 эксперименто-дней. Выходит, что один день работы в рамках одного эксперимента может стоить около 200 тысяч рублей», — примерно подсчитал ученый, уточнив, что на самоокупаемость установка не сможет выйти никогда.

Веха в истории

На момент пуска реактора с начала его строительства прошло сорок пять лет. При этом Михаил Ковальчук назвал его «ультрасовременным».

Реактор начал строиться в 1976 году. Первый вариант названия — ЛИР 2. Затем было в ходу название МИФ. Минсредмаш поддержал название ПИК. Оно не расшифровывается однозначно, как аббревиатура, однако у реактора есть характеристики «пучковый», «исследовательский», «корпусной». Некоторые указывают за зашифрованные в названии реактора фамилии разработчиков его проекта — Юрия Викторовича Петрова и Кира Александровича Коноплева. Но это, конечно, неофициально. Название ПИК прижилось, как полагают ученые, благодаря поверью, что как корабль назовут, так он и поплывет. А создавался он явно с прицелом на лидерство.

К 26 апреля 1986 года, когда случилась катастрофа на Чернобыльской АЭС, готовность реактора составляла 70%. Все работы по строительству ПИКа были приостановлены. Полностью изменены — резко ужесточены — требования к безопасности. Строительство возобновилось в 1988 году, но после распада СССР и всеобщего безденежья вновь остановлено. Возобновление работ произошло в 2001 году. В 2011 после аварии на станции «Фукусима-1» работы на ПИКе вновь были остановлены из-за пересмотра требований безопасности. В последовавшее десятилетие правительство выделило шесть миллиардов рублей на достройку реактора и в январе 2019 года состоялся физический пуск установки. Энергетический пуск 8 февраля 2021 года — это начало цепной реакции.

ПИК — реактор водо-водяного типа, где обычная вода используется для отвода тепла, а тяжелая вода, с дейтерием, для замедления ядерной реакции. Замедлитель является средством контроля за скоростью протекания ядерной реакции: ее можно увеличить, уменьшив количество поглощаемых нейтронов, вылетающих из зоны реакции, и уменьшить, увеличив количество поглощаемых нейтронов. Топливом для реактора является изотоп урана-235.

При небольшом объеме, в котором протекает реакция расщепления атомного ядра, так или иначе в процессе обеспечения работы реактора задействованы центральный круглый корпус и еще целая серия корпусов. В одном из них расположен суперкомпьютер и кабинеты ученых, в остальных либо строятся новые исследовательские установки, либо обеспечивается процесс отвода тепла. Целый ряд корпусов, в том числе большой подземный блок, служит обеспечению безопасности, которая находится на уровне самых современных атомных станций.

Михаил Ковальчук уверен, что гатчинский мегапроект демонстрирует «полную преемственность и неразрывность научного лидерства Курчатовского института и индустриальной промышленной составляющей — “Росатома”». Он напомнил, что на заре атомной эры Курчатовский институт, где впервые на Евразийском континенте в 1946 году была осуществлена цепная реакция деления ядра, стал прародителем новой атомной отрасли и научным ядром Минсредмаша.

На каком-то этапе Курчатовский институт стал самостоятельным. Затем Курчатовский институт и «Росатом» прошли через период «беготни за деньгами и славой», как выразился Ковальчук, но в настоящее время снова становятся одним целым. «Росатом» выступил генеральным подрядчиком строительства реактора ПИК, нарастив в процессе этой работы свои знания и возможности и обеспечив исследовательской установке надежность и безопасность на уровне современных АЭС.

«“Росатом” превратился в транснациональную, самую высокотехнологичную компанию, при этом Курчатовский институт становится его сторонним научный главком на аутсорсинге. И мы отработали эту систему на реакторе ПИК, — сказал Ковальчук. — Мы являемся преемниками создателей атомной отрасли и снова переводим эту работу на лучший уровень в мире. Мы сегодня закрепили флаг лидерства и крепко держим в своих руках.

По словам Алексея Лихачева, реактор ПИК «оформит ландшафт нейтронных исследований в мире».