13 декабря 2017

Комитет полномочных представителей ОИЯИ обсудил ход строительства "фабрики сверхтяжёлых элементов"

По инициативе еженедельника «Дубна» ход работ по проекту DRIBsIII в Лаборатории ядерных реакций регулярно, этап за этапом, освещался на страницах газеты начиная с 4 апреля 2014 года, то есть в течение более трех лет. Продолжением этого «многосерийного» цикла публикаций можно считать комментарий директора Лаборатории ядерных реакций профессора Сергея Дмитриева, подготовленный по материалам его доклада на сессии Комитета полномочных представителей правительств государств-членов ОИЯИ представленного 24 ноября 2017 г.

Одно из основных направлений деятельности нашего Института и главная задача исследований, ведущихся в нашей лаборатории – это синтез новых сверхтяжелых элементов. Мы завершили седьмой период Периодической таблицы Д.И.Менделеева. Инаугурация названий новых элементов (115 – Московий; 117 – Теннессин; 118 – Оганесон) стала самым ярким событием этого года. Ранее (2012 г.) свои названия получили 114 элемент — Флеровий и 116 элемент – Ливерморий.

Все эти новые элементы были синтезированы на ускорительном комплексе У-400 нашей Лаборатории, который на сегодня является мировым лидером в этой области. Базовой установкой для синтеза и идентификации новых элементов является наш газонаполненный сепаратор, эффективность которого составляет 30-35 процентов. Синтез новых 114-118 элементов осуществлен в реакциях актинидных мишеней с изотопом кальция с атомной массой 48. Это уникальный нейтронно избыточный изотоп кальция (20 протонов и 28 нейтронов), его содержание в природном кальции составляет всего 0,187%. Мы же используем препараты с обогащением по кальцию-48 близким к 70%. Специально для наших исследований его производят на одном из предприятий Росатома (комбинат Электрохимприбор, г. Лесной). Но элемент 118, синтезированный в реакции кальция-48 (Z= 20) с калифорнием (Z= 98) является последним, который можно синтезировать по этому методу. К сожалению, на сегодня (и в ближайшем обозримом будущем) калифорний остается наиболее тяжелым актинидом, доступном для синтеза СТЭ.

Очевидно, что нам необходимо перейти от кальция-48 к получению пучков более тяжелых ионов: титану-50, хрому-54 и др. Это и есть основная задача создающейся Фабрики сверхтяжелых элементов, которая нацелена прежде всего на синтез и проведение исследований с очень низкими сечениями образования, по крайней мере на порядок величины ниже по сравнению с реакциями с кальцием-48. Очевидно, что для этого мы должны повысить эффективность наших экспериментов в десятки раз. Нам предстоит синтезировать 119 и 120-й элементы, изучить их свойства. Создание фабрики откроет широкое поле исследований по изучению уже открытых элементов, от 112 до 118-го. Тогда мы уже можем проводить эксперименты, связанные с ядерной спектроскопией, с измерением масс, изучением химических свойств новых сверхтяжелых.

Базовая установка Фабрики сверхтяжелых элементов – это новый циклотрон ДЦ-280. Первый этап фабрики – новый экспериментальный корпус, новый ускоритель и новый сепаратор. В случае средних масс ДЦ-280 даст интенсивность минимум в 10 раз выше, чем мы имеем сегодня. Это 6*1013 частиц в секунду. И конечно все те исследования, о которых я говорил, становятся реальными. Параметры ускорителя много раз докладывались и на Ученом совете, и на КПП.

Все основные системы ускорителя были разработаны, изготовлены и скомплектованы в период 2012-2016 годов. Знаменательная веха — 15 сентября 2016 года в 9 часов утра первый трал доставил нижнюю балку основного магнита. В первых числах января 2017 монтаж основного магнита был практически завершен, и мы были готовы начать магнитные измерения, но, к сожалению, нас несколько задержало получение разрешительной документации на подключение электроэнергии в корпусе от органов госнадзора РФ. Вместе с тем такие измерения были начаты, на сегодняшний день они полностью проведены, магнитное поле сформировано. В момент его формирования мы конечно занимались и другими системами, Монтаж ускорителя мы рассчитываем завершить в этом году. Сегодня завершается монтаж системы аксиальной инжекции, а это наиболее ответственная часть, это ноу-хау наших ускорительщиков, за счет чего мы поднимаем интенсивность пучка. И уже готова площадка для монтажа нового ЭЦР источника. Сам источник готов, установлен на стенде и уже испытан. Полученные в этих испытаниях параметры говорят о том, что в момент запуска мы достигнем интенсивности пучков кальция-48 по меньшей мере 10 микроампер.

Помимо собственно ускорителя мы должны запустить новый газонаполненный сепаратор. Его эффективность составит 60%, т.е. вдвое больше нашего действующего сепаратора. Он разработан в нашей Лаборатории, а изготовлен хорошо нам известной французской фирмой «СигмаФи». Не могу точно сказать, на каком отрезке пути между Францией и Россией на данный момент находится наш новый сепаратор, но уже в декабре он прибудет в Дубну и мы приступим к его монтажу.

Экспериментальный корпус, новые ускоритель и газонаполненный сепаратор — это то, что является первым этапом. Естественно, развитие фабрики на этом не останавливается. Большое направление, о котором я говорил, – изучение химических свойств. Разработан проект и заключен контракт на изготовление нового предсепаратора, который будет нацелен только на химические исследования. Это будет уже элемент второй очереди развития фабрики СТЭ.

Конечно, очень важный для нас момент – это актинидные мишени. Они могут быть изготовлены либо в НИИАР, Димитровград (РФ), либо в Ок-Риджской национальной лаборатории в США. 117-й элемент назван теннесином – именно за вклад наших американских коллег, по названию штата, где находится Ок-Ридж. Там для нас синтезировали уникальный изотоп берклий-249, который являлся мишенью при синтезе 117 элемента. В долгосрочной программе Министерства энергетики США планы по синтезу сверхтяжелых элементов отмечены отдельной строкой – это наработка мишенных материалов именно для нашей фабрики.

В сентябре этого года мы провели в Польше 3-й Международный симпозиум по сверхтяжелым элементам «Проблемы в изучении сверхтяжелых ядер и атомов» (SHE 2017), на котором заместитель директора Ок-Риджской национальной лаборатории д-р Д.Роберто подтвердил, что наши коллеги готовы уже сейчас наработать до 30 миллиграмм берклия-249, который будет являться стартовым материалом для синтеза 119-го элемента в реакции с титаном-50. Исходя их этого, нами уже разработан и изготавливается новый мишенный блок. Это очень ответственная часть, мы понимаем, что ни у кого в мире нет опыта работы с такими высокоинтенсивными пучками. «Сжечь» одну такую мишень – это значит остановить эксперимент по меньшей мере на полгода. В начале следующего года мишенный блок будет готов.

О задаче ускорения титана-50 следует сказать отдельно. Если для получения ионов кальция в ЭЦР-источнике мы используем элементарный кальций, то для титана это затруднено. Температура плавления титана и его неорганических соединений очень высоки, необходим его перевод в достаточно легколетучее органическое соединение. Это очень трудное и дорогостоящее занятие, однако наши химики вместе с французскими коллегами (Страсбург) эту задачу решили. Мы научились получать такое соединение и уже сегодня ускоряем титан-50 на нашем действующем ускорителе У-400.

Конечно, первые эксперименты на фабрике СТЭ должны быть тестовыми – мы должны испытать ускоритель, сепаратор, мишенный блок. Мы планируем начать наши работы с использованием относительно доступных мишеней (америций, плутоний) в реакциях с кальцием-48. Достичь нужной интенсивности и при этом показать, что новый комплекс существенно эффективнее, чем тот, что мы имеем сегодня. Сечение реакции америций-243 плюс кальций-48 составляет 8 пикобарн. Сегодня в этой реакции мы можем ожидать получения одного ядра 115 элемента за два-три дня. Соответственно легко посчитать, сколько будем получать на новом комплексе – вполне достаточно для проверки, достаточно для проведения полноценных химических экспериментов. И конечно мы должны проверить реакцию плутоний-244 плюс титан-50 и сравнить ее с реакцией кюрий-246 плюс кальций-48, приводящих к образованию одного и того же компаунд ядра 116 элемента — ливермория-294. Это позволит оценить, насколько же все-таки упадут сечения в реакциях с титаном-50 по сравнению с кальцием-48, на порядок или больше, чтобы планировать будущие эксперименты. И после этого уже будем готовы приступить к нашей главной задаче — синтезу 119-го в реакции берклий плюс титан и 120-го – калифорний плюс титан.

Особо хотел бы отметить, что практически все страны-участницы нашего института приняли участие в создании нового ускорителя ДЦ-280. Их прямой вклад в изготовление систем циклотрона – 14 миллионов долларов из общей стоимости 24 млн. Свой вклад внесли Болгария, Польша, Румыния, Словакия, Украина, Чехия. По сути наш новый ускоритель – это коллективное детище и в него вложены все современные технологии, которыми наши страны владеют в этой области.

Таким образом, каков наш план? Все строительные работы будут завершены до конца этого года и дальше три-четыре месяца уйдет на отладку инженерных систем. Это будет сложный этап. Весь корпус классифицирован вторым классом по радиационной безопасности. Это значит, что необходимо запустить очень сложные системы АСРК, спец-вентиляции, сбора радиоактивных отходов и др. В декабре завершатся все монтажные работы на ускорителе и начнется отладка всех систем и подготовка к запуску. Предстоит много и плотно работать с Ростехнадзором и ФМБА по получению разрешительных документов на запуск и эксплуатацию. Подготовка и проведение первых экспериментов планируется на сентябрь – ноябрь 2018 года.

Я уже говорил о конференции в Польше, которая собрала практически всех ведущих ученых мира, которые занимаются физикой тяжелых ионов и синтезом СТЭ – из России и других стран-участниц ОИЯИ, а так же США, Швейцарии, Германии, Японии, Франции, Китая. Это был 4-дневный мозговой штурм на пути к острову стабильности сверхтяжелых элементов, и результаты круглого стола – основные задачи на ближайшее десятилетие. Это прежде всего синтез сверхтяжелых за 118-м – 119, 120 и так далее. Это синтез более тяжелых изотопов. На сегодня у нас самый тяжелый – оганесон-294. Он получен на калифорнии-249, теперь надо синтезировать еще более тяжелые изотопы 118 в реакциях с калифорнием-251. Большая область, к которой мы только приступили, – заполнить вакуум исследований между холодным (нейтронодефицитным) и горячим (нейтроноизбыточным) синтезом. Соответственно, это химия СТЭ и получение изотопов вблизи центра острова стабильности долгоживущих сверхтяжелых.

То, что сегодня заложено в Фабрику СТЭ, в новый ускоритель, сепараторы и так далее, позволят решать все эти основные задачи с достаточно высокой эффективностью.

Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ) был создан на основе Соглашения, подписанного 26 марта 1956 г. в Москве представителями правительств одиннадцати стран-учредителей, с целью объединения их научного и материального потенциала для изучения фундаментальных свойств материи. Институт расположен в Дубне, в 120 км от Москвы, в Российской Федерации. Сегодня Объединенный институт ядерных исследований является всемирно известным научным центром, в котором фундаментальные исследования (теоретические и экспериментальные) успешно интегрированы с разработкой и применением новейших технологий и университетским образованием. Членами ОИЯИ являются 18 государств.