На финише года

Гимн песочным часам, или
Что проще: замедлять или ускорять?

(Размышления перед Новым Годом)

На книжной полке у моего рабочего стола стоят песочные часы, назойливо напоминая о быстро текущем времени, и портят мне настроение. Песчинки сыплются вниз, неуклонно опорожняя верхний резервуар, и вот он уже пуст... Я переворачиваю древнее мудрое устройство... и тут внезапно обнаруживаю заложенное в него уникальное свойство - обращение времени! Верхний резервуар теперь вновь полон, и можно начинать новый отсчет времени...

Вот так, в режиме песочных часов, я и участвую в процессе создания "холодных замедлителей" для реактора ИБР-2 уже 20 лет. Сделав один замедлитель, увидев пустоту - начинаем новый цикл исследований и разработок. Включая экспериментальные стенды, этих циклов пройдено шесть, песочные часы перевернуты шесть раз... Таким непростым оказался путь к приемлемому и эффективному холодному замедлителю нейтронов.

После успешного запуска уникального импульсного исследовательского реактора в начале 80-х и первых лет его надежной работы создателям и пользователям стало вдруг ясно, что такой реактор, с его значительной мощностью 1500 Мегаватт в импульсе, с редкими (5 раз в секунду) и длинными (200 микросекунд) импульсами как будто специально предназначен быть источником "холодных", иначе говоря медленных нейтронов. Понятие "медленный" в микромире совсем не то, что в нашем, живом мире: "холодный" нейтрон мог бы участвовать на равных в соревнованиях по скорости со сверхзвуковыми истребителями, а вот по сравнению с протоном, ускоренным в наших дубненских машинах, он двигается как улитка в сравнении с тем же сверхзвуковым лайнером. И именно такие нейтроны-улитки сейчас нужны для исследований наноструктур, столь любимых нашими молодыми инноваторами.

О принципе замедления быстрых нейтронов деления в реакторе и превращении их в медленные, о принципиальном и техническом устройстве КЗ-202 (так сокращенно называется первый шариковый холодный замедлитель нейтронов из трех запланированных для ИБР-2) мы рассказывали год назад на страницах этой газеты в период исследовательских работ на полномасштабном стенде. Поэтому лишь совсем кратко напомню о том, что холодный замедлитель нейтронов, - это, попросту говоря, всего лишь некая камера, наполненная неким водородосодержащим веществом при температуре 15-30 градусов Кельвина (минус 258-243 по Цельсию). "Пустяк в сравнении со сложнейшим ускорителем протонов! Чего это они возятся 20 лет?" - подумает читатель. Но с таким же успехом можно сравнивать сооружение межпланетных станций с разработкой нового лекарства. Станция требует огромного объема научно-технических и производственных работ, а лекарство создается многолетним кропотливым подбором и изучением его свойств, незаметной с виду работой. Выбор вещества для КЗ, изучение его свойств в условиях жесткого излучения реактора, выбор способа подачи и отбора отработанного вещества - вот это и есть основная и малозаметная работа тех двух десятков (может быть, и больше) инженеров, научных работников и рабочих, кто посвятил ей заметную часть своей жизни.

Сейчас заканчивается последний шестилетний цикл "утечки песчинок": найден приемлемый вариант устройства КЗ, он изготовлен, и идет пуск на реакторе в реальных условиях. Совсем как в Библии: "И увидел Бог все, что Он создал, и вот, хорошо весьма... И был вечер, и было утро: день шестой".

Но о том, насколько "хорошо весьма", будет рассказано позднее, в первом квартале следующего года. А здесь я попытаюсь показать, что создание такого "простого устройства" - холодного ящика с водородосодержащим веществом, стоящего рядом с мощным реактором, потребовало применения огромного арсенала знаний из практически всех разделов естественных наук: механики, газо- и гидродинамики, криогеники, теплофизики, акустики, методов инструментального анализа, радиационной химии, молекулярной физики и химии органических веществ, теории прочности, ядерной и нейтронной физики и т.д. Пожалуйста, попробуйте вспомнить другие научно-технические разработки, где используется такой же длинный перечень разделов науки и техники.

Вот пара примеров нетривиальных проблем создания холодных замедлителей. Вещество в КЗ-202 - твердая аморфная смесь двух ароматических углеводородов (с незабываемым запахом, полная антитеза запаху духов) облучается мощнейшим потоком быстрых нейтронов. Каждый нейтрон, влетевший в камеру холодного замедлителя, инициирует несколько тысяч (!) химических реакций за счет ионизации вещества протонами отдачи. В одном грамме вещества происходят тысячи химических реакций в секунду. В результате на этой радиационной кухне из двух несложных соединений получается много десятков других. И менее сложных, и более сложных. Осуществляется некий аналог эволюции биологических структур во вселенной из простейших элементов (углерода, водорода, азота), только протекающей в миллиарды раз быстрее. На современном этапе эволюции жизни на Земле мы имеем человека - архисложную структуру с архинепредсказуемым поведением. Подобно этому в холодном замедлителе, загруженном изначально ароматическим углеводородом мезитиленом после нескольких суток облучения потоком быстрых нейтронов мы имеем смесь бог знает чего, со свойствами, отличными от исходного вещества. Здесь мы вынуждены были сами "подковываться" и обращаться к специалистам по радиационной химии, хотя и они никогда не сталкивались именно с такой проблемой. К счастью, как ожидалось, эта адская вонючая смесь дает холодных нейтронов практически не меньше, чем исходный мезитилен. Правда, часть ее куда-то бесследно исчезает...

Другая непростая решенная задачка - пневмотранспорт шариков замороженного мезитилена в камеру. Здесь нужны были знания газодинамики течения холодного гелия по сложной трассе, подобной гигантской змее - символу 2013 года, в присутствии твердофазных частиц. Долгие лабораторные эксперименты, теоретические разработки с участием сотрудников ЦАГИ имени Жуковского. Нечего и говорить о теплофизических задачах, конструировании криогенных устройств, нейтронной физике быстрых и медленных нейтронов. Специальные исследования неупругого рассеяния нейтронов проделал доктор Иренеуш Натканец, обосновывая выбор мезитилена и ксилола. Нити сотрудничества связали создателей шарикового криогенного замедлителя в Дубне с Японией, Аргентиной, США, Румынией, МАГАТЭ, Чехией, Великобританией, Германией.

Пуск первого в мире шарикового холодного замедлителя подходит к концу. Как и сам 2012 год. На праздничную елку у административного корпуса ОИЯИ можно было бы повесить новую елочную игрушку - маленький прямоугольный прозрачный ящичек, наполненный замороженными (ясное дело, Дедом Морозом!) прозрачными шариками. Где же еще быть холодному замедлителю, как не на январском морозе, пока реактор отдыхает? И белел бы наш "парус такой одинокий" на фоне исполинских дубненских ускорителей.

...Отдыхаю поздним вечером за игрой в шахматы с компьютером. А верхний резервуар песочных часов снова пуст. Глядеть на пустую камеру и неподвижные песчинки - неприятно. Переворачиваю чашки... Песчинки высыпаются, не мешая друг другу. И мелькает мысль - почему бы не сделать так же в холодном замедлителе, высыпая шарики и одновременно наполняя камеру новыми? Тем самым исключить нежелательную неконтролируемую химию, не дать трубе-змее 2013 года заглатывать часть полезного вещества. Вот вам и задача для нового амбициозного проекта. Проекта для молодых и умных исследователей, которые еще не сгорбились под тяжестью мешка с тяжелыми новогодними "подарками-проблемами" очередного Деда Мороза...

Евгений ШАБАЛИН,
доктор физико-математических наук,
главный научный сотрудник ЛНФ имени И.М.Франка