Путь в науку: как контролировать ядерную безопасность, предотвращать катастрофы и изучать процессы внутри Солнца.

Доктор физико-математических наук, заведующий научно-исследовательской межкафедральной лабораторией экспериментальной ядерной физики НИЯУ МИФИ Александр Иванович Болоздыня рассказал порталу «Школа.Москва» о детекторе нейтринного излучения РЭД-100.

В.: Александр Иванович, расскажите, пожалуйста, о вашем приборе!

Болоздыня А.И.: Мы, наверное, уже около восьми лет работаем над этим прибором для экспериментальной ядерной физики. Он называется «Российский эмиссионный детектор» и предназначен для регистрации нейтрино.

Вы знаете, нейтрино — очень интересная частица! Весь мир вокруг нас насыщен ими! Между прочим, нам крупно повезло, что они очень слабо взаимодействуют с веществом, из которого мы состоим. Только представьте — за сутки через каждого из нас проходит 1011 нейтрино, излучаемых нашим Солнцем. Но из-за слабого взаимодействия они пролетают сквозь нас, и мы этого не замечаем!

А вот в окружающем мире они играют очень важную роль, и их регистрация —необходимое дело. Вот, например, регистрация нейтрино, которые излучает ядерный реактор атомной электростанции, может позволить контролировать состояние активной зоны этого реактора, не вмешиваясь в работу станции! То есть это можно делать параллельно с функционированием станции и проследить, какой поток нейтрино вылетает несмотря на все «защиты» — бетонные и металлические.

Кстати, чтобы представить наглядно проникающую способность нейтрино, отметим такой факт: чтобы остановить нейтрино от реактора, надо построить стену из железа толщиной от Земли до ближайшей звезды!

В.: То есть понятно, что это просто невозможно?

Болоздыня А.И.: Да, упрощенно говоря — этого сделать нельзя. Но если мы говорим о больших потоках нейтрино, как от реактора или от Солнца, то прибор, который их видит, должен обладать высокой чувствительностью.

В.: В чем заключается основная задача, с которой должен справляться детектор?

Болоздыня А.И.: Если совсем просто — из школьного курса физики мы знаем, что мир состоит из атомов. Атомы сами по себе сложные структуры — ядро и электронная оболочка. Весь мир состоит из элементарных частиц, которые не воспринимает наш глаз. Есть даже исторический анекдот. Когда Резерфорд в 20-х годах прошлого века установил строение атома — что внутри него находится ядро, а на большом расстоянии от него — электронное облако, газеты написали: «А кто это видел?» Доказательств-то не было! Конечно, потом была изобретена пузырьковая камера, стали видны треки этих частиц — как они летят, взаимодействуют.

Значит, для того, чтобы увидеть этот невидимый мир, нужны специальные инструменты. Это, знаете, как прибор ночного видения, который позволяет понять, что происходит в темноте. Так вот, наш детектор будет «смотреть», что происходит внутри работающего ядерного реактора! Такое проникающее излучение, как нейтрино, которое нельзя остановить или обмануть, пройдет через любые защиты и выйдет из реактора. И если мы имеем средства увидеть его, то мы можем контролировать, что происходит внутри ядерного реактора, — в частности, наблюдать изменение изотопного состава топлива и, возможно, даже предотвращать аварийные ситуации.

В.: То есть можно сказать, что с помощью «Доктора Нейтрино» мы будем видеть невидимое и держать под контролем возможные угрозы?

Болоздыня А.И.: Ну нельзя сказать, что до сих пор мы это не контролировали! Атомная энергетика существует в том числе благодаря контролю и является одним из мощных источников энергии для всего человечества. Потому что когда мировые запасы нефти и газа исчерпаются, — а они исчерпаются! — человечество уцелеет благодаря колоссальным запасам делящихся материалов.

Так вот, прибор позволяет нам не только контролировать, что там происходит, но и избежать возможных сложностей при эксплуатации реактора. Кроме того, Россия является поставщиком атомных электростанций практически по всему миру, и мы несем ответственность перед международным сообществом, что другие государства эти машины не используют во вред человечеству! Ведь из отработанного топлива условные «враги» могут самостоятельно добывать вещества, из которых легко делать атомные бомбы. Контролировать, что именно творится на станции другой страны, очень трудно, но, если у нас есть свой прибор, который буквально можно поставить на улице рядом с АЭС, мы сможем наблюдать изменения изотопного состава атомного реактора и предотвращать незаконное изъятие опасных материалов.

В.: А что представляет из себя прибор? Если совсем упрощенно?

Болоздыня А.И.: Это очень интересный вопрос! (смеется) Ведь его уникальная способность регистрировать нейтрино основана на двух вещах. Первое: для того, чтобы обнаружить нейтрино, мы используем особый процесс его взаимодействия с ядрами тяжелых элементов — в нашем случае это ксенон. Этот процесс называется «упругое когерентное рассеяние нейтрино на тяжелых ядрах». Открыт он был только в 2017 году. И второе: мы используем специфическую технологию регистрации самого акта взаимодействия. Вероятность взаимодействия нейтрино с нашим веществом довольно мала — мы должны иметь массивный детектор! В нашем случае это 200 килограммов жидкого ксенона, заключенного в сосуд, который позволяет содержать его в этом состоянии при температуре минус 100 градусов. Но тем не менее с помощью нашей технологии мы можем видеть сигналы, состоящие из одного, двух или трех электронов!

В.: То есть это очень объемная установка?

Болоздыня А.И.: Да, это большая установка — я бы поместился в детекторе, если бы залез в криостат! (смеется) Но кроме самого детектора в установку входит ряд устройств, которые поддерживают его работоспособность. А вот чтобы увидеть в 200-килограммовой массе один-два электрона, которых там миллиарды и миллиарды, требуется специальная техника, методика выделения электронов из массы, их идентификация и регистрация. Все это мы делаем благодаря методу, который изобрели у нас, в НИЯУ МИФИ, ровно 50 лет тому назад! Это знаменитый эмиссионный метод регистрации. Мои учителя — профессора Б. А. Долгошеин и Б. У. Родионов, а также мой старший коллега В. Н. Лебеденко — были его изобретателями.

Из ряда всех современных детекторов мы выделяемся тем, что собираемся эксплуатировать такой сверхчувствительный детектор практически на земной поверхности! Для такого чувствительного прибора это довольно рискованная затея, поэтому мы разработали специальные методики, позволяющие работать именно на поверхности земли, а не в глубоких шахтах, как это делают для поиска темной материи во Вселенной! Итак, в этом приборе заложены две вещи: необычная техника взаимодействия нейтрино с ядром и техника регистрации самого акта — она тоже нетривиальная, изобретена у нас, в НИЯУ МИФИ, а сейчас используется во всем мире в экспериментах по поиску темной материи.

Мы сделали первый прибор, который должен работать рядом с АЭС и регистрировать нейтрино от ядерного реактора, — на самом деле это будет большой прорыв!

В.: А где вы собираетесь опробовать и в дальнейшем использовать «Доктора Нейтрино» на практике?

Болоздыня А.И.: Вот сейчас идет подготовительная работа, и в начале следующего года мы должны будем поставить наш прибор на Калининскую атомную электростанцию в Тверской области.

В.: Если я правильно понимаю, «Доктор Нейтрино» в первую очередь отвечает за безопасность эксплуатации атомных электростанций?

Болоздыня А.И.: Безусловно! Специалисты, которые занимаются международной безопасностью, — например, бывший заместитель генерального директора МАГАТЭ Теро Варьёранта — высоко оценили наше изобретение, заявив, что такого прибора действительно не хватает. Он необходим еще и для того, чтобы можно было избежать использования атомной энергетики в целях неконтролируемого создания атомного оружия. На самом деле это одна из важнейших международных задач!

В.: И, наверное, последний вопрос! Александр Иванович, пожалуйста, несколько слов о современных школьниках и студентах — возможно, ваших будущих учениках, коллегах и единомышленниках!

Болоздыня А.И.: У нас в НИЯУ МИФИ существует традиция проведения «Университетских суббот». Школьники приходят к нам, им читают лекции, а потом их водят по лабораториям и показывают, где что происходит. Мы всегда рады таким экскурсиям, потому что молодые ребята — это наше будущее. Конечно, у нашей лаборатории несколько специфическая область и не всем это интересно, не всем по силам. Но существует определенный процент ребят, у которых моментально загораются глаза, и они сразу начинают спрашивать: «А как к вам попасть?» А попасть к нам очень просто — поступаешь в НИЯУ МИФИ и в любое время приходишь, например, в нашу лабораторию! (смеется) Каждый найдет здесь занятие по душе — от электроники и методов математической обработки, моделирования физических процессов и анализа результатов измерений до сборки установок! Ждем вас!


Источники: НИЯУ МИФИ, Школа.Москва.