23 июля 2021

Научный андеграунд: что исследуют в лаборатории-бункере Радиевого института

Страна Росатом

В самом центре Санкт-Петербурга, прямо под Гостиным Двором, на глубине 65 м находится низкофоновая лаборатория Радиевого института им. Хлопина. Сейчас ее основные направления — ​радиоэкология и ядерная криминалистика, но ученые надеются расширить сферу работ: планируют участвовать в экспериментах по поиску редких и экзотических распадов частиц — ​эти процессы называют окном в новую физику.

Когда Константин Петржак и Георгий Флеров в 1940 году открыли спонтанное деление урана, им поначалу многие не поверили: говорили, что атомное ядро делится не само по себе, а под влиянием космического излучения. «Это поток высокоэнергичных заряженных частиц, в основном мюонов, которые не задерживаются обычной пассивной защитой, — ​объясняет ведущий специалист лаборатории радиоэкологического мониторинга Радиевого института Андрей Степанов. — ​В свинцовой защите эти частицы производят реакции расщепления, в результате которых образуются быстрые нейтроны, в свою очередь вызывающие ядерные реакции в материалах защиты и детекторах измерительной аппаратуры».

Ученые спускаются в метро

В Радиевом институте подумали и нашли выход.

«На глубине интенсивность потока космических лучей в тысячу раз меньше, чем на поверхности. Наркому путей сообщения Кагановичу отправили письмо с просьбой разрешить провести контрольные измерения в московском метро, — ​рассказывает научный консультант отделения радиоэкологии и обращения с РАО Виктор Тишков. — ​Флеров и Петржак обосновались в кабинете начальника самой глубокой в то время станции, «Динамо», — ​60 м. Каждую ночь они с нетерпением ждали, пока не остановится последний поезд, чтобы начать опыты. Измерения длились с часу ночи до пяти утра более полугода. Эффект спонтанного деления полностью повторился. Так подтвердилось одно из крупнейших открытий атомной эпохи».

Ученые института загорелись идеей обзавестись постоянной подземной лабораторией. В 1959 году арендовали помещение на станции ленинградского метро «Чернышевская», чтобы исследовать естественное нейтронное излучение горных пород, минералов, собственный гамма-фон подземных помещений. Были получены ценные знания о естественном нейтронном фоне атмосферы земной коры. В частности, выяснили, что нейтронное излучение на уровне моря, обусловленное космическими частицами, в 50–80 раз превышает собственное нейтронное излучение горных пород.

В 1963 году началось обустройство специальной подземной лаборатории Радиевого института в переходном тоннеле между действующей станцией «Невский проспект» и строившейся — ​«Гостиный Двор». Параллельно разрабатывалась пассивная защита для детекторов измерительной аппаратуры. «Задача осложнялась тем, что все материалы, производимые в то время, были загрязнены радионуклидами, образовавшимися во время испытаний ядерного оружия, — ​рассказывает Виктор Тишков. — ​Нужны были чистые материалы доядерной эпохи. Использовали сталь корпусов кораблей начала XX века и пушек времен Крымской вой­ны».

В 1967‑м лабораторию ввели в эксплуатацию. «Она находится на глубине около 65 м. Два рабочих помещения — ​64 и 32 м2, технический коридор, собственная вентиляционная камера с двумя колоннами с активированным углем для дополнительной очистки от радона, — ​перечисляет Андрей Степанов. — ​В помещениях естественным образом поддерживается постоянная температура и влажность, лаборатория обеспечена хорошим электропитанием, без скачков напряжения и помех».

От Ленинграда до Индийского океана

В 1972 году «научный бункер» вошел в состав лаборатории радиоэкологии. Ее специалисты изучали распространение радионуклидов в природе, связанное с испытаниями ядерного оружия, а позже — ​с эксплуатацией ядерных энергетических установок. Ученые привозили в Ленинград пробы со всего мира, и подземная лаборатория была незаменима при анализе образцов с низким содержанием радионуклидов. «В подземной лаборатории в разное время экспериментировали с низкофоновыми гамма-, бетаи альфа-спектрометрами, жидкостными сцинтилляционными радиометрами, газовыми пропорциональными счетчиками, другими установками. И часто аппаратура под землей показывала рекордные параметры», — ​подчеркивает Виктор Тишков.

Лабораторией пользовались не только специалисты Радиевого института, но и представители других научных организаций, советских и зарубежных.

«В 1974–1982 годы совместно с Морским гидрофизическим институтом АН УССР здесь исследовали образцы неорганических сорбентов, экспонированных на разных горизонтах Индийского океана, — ​рассказывает Андрей Степанов. — ​Так была изучена вертикальная структура отдельных районов Индийского океана, а также уточнена система глубинных океанических течений. Не последнюю роль эта работа сыграла в открытии глубинного экваториального противотечения Тареева».

После распада СССР государственное финансирование фундаментальных исследований в подземной лаборатории практически прекратилось. «В 1990‑е — ​начале 2000‑х основными стали работы по массовому гамма-спектрометрическому измерению проб объектов окружающей среды, — ​вспоминает Виктор Тишков. — ​Существенную загруженность приборного парка обеспечили работы, связанные с выполнением международных обязательств России по линии Хельсинкской конвенции по защите Балтийского моря и оценкой радиационной обстановки в районах гибели АПЛ «Комсомолец» и «Курск».

Сегодня одно из новых направлений — ​ядерная криминалистика. В лаборатории провели ряд работ, позволяющих оценить возможности низкофоновой гамма-спектрометрии высокого разрешения для анализа изотопных соотношений в уране и плутонии и обнаружения следовых количеств этих и других радиоактивных нуклидов. Гамма-спектрометрия не дает такой точности, как масс-спектрометрический анализ, но она на порядки дешевле, быстрее и, главное, не требует разрушения образца. Поэтому во многих случаях эффективнее.

«В 2018 году на «Маяк» пало подозрение в выбросе радиоактивного рутения‑106, — ​приводит пример ведущий научный сотрудник лаборатории радиоэкологического мониторинга Радиевого института Сергей Васильев. — ​По просьбе международной комиссии, расследовавшей этот инцидент, в лаборатории провели анализ образцов почвы, взятых в месте расположения комбината. Анализ показал очень низкую концентрацию рутения‑106, что позволило снять с комбината подозрения».

Возвращение в большую науку

Радиевый институт хочет вернуть подземную лабораторию на службу фундаментальной науке. «Интерес мировой научно-технической общественности к использованию подземных лабораторий растет, — ​говорит Андрей Степанов. — ​Создаются международные ассоциации «подземщиков». В частности, Радиевый институт с этого года входит в Европейскую ассоциацию подземных лабораторий (EUL), основная задача которой — ​взаимопомощь в исследованиях и поиск финансовых источников в международных программах и фондах».

«Мы готовы участвовать в экспериментах по обнаружению редких и экзотических распадов частиц, эти процессы называют окном в новую физику, — ​отмечает Сергей Васильев. — ​Можем исследовать фоновые характеристики и содержание радионуклидов в конструкционных материалах установок для поиска двойного бета-распада, частиц темной материи и т. п. Еще одно возможное направление — ​радиоизотопное датирование археологических находок и биологических объектов».

«Лаборатория может продолжить выполнение международных обязательств РФ по радиационному мониторингу окружающей среды с требуемым уровнем чувствительности, — ​добавляет Виктор Тишков. — ​Обеспечивать контроль распространения радионуклидов в районах расположения объектов радиационного наследия, в том числе затопленных, и пунктов захоронения РАО для раннего обнаружения выхода радионуклидов в окружающую среду».

Для расширения научной программы лаборатории потребуется ремонт и модернизация спектрометрических комплексов и вспомогательного оборудования. «Сейчас в Радиевом институте реализуется программа финансового оздоровления, и это позволяет надеяться на светлое будущее подземной лаборатории и новые масштабные исследования», — ​говорит Андрей Степанов.

КСТАТИ

Китайская подземная лаборатория «Цзиньпин» (CJPL) — ​самая глубокая в мире, 2,4 тыс. м. Ее построили в горе Цзиньпин в провинции Сычуань на юго-востоке Китая и открыли в 2010 году. На объекте проводятся два эксперимента, CDEX и PandaX, в ходе которых ученые пытаются напрямую обнаружить темную материю.