25 апреля 2022

Петербургский институт ядерной физики представил проект компактного источника нейтронов DARIA для исследований методами нейтронного рассеяния

На волне всемирного интереса к компактным источникам нейтронов, о российском проекте DARIA (compact neutron source Dedicated to Academic Research and Industrial Applications) в рамках Малеевских чтений, которые проходят в течение 2022 года в НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ, рассказал главный научный сотрудник Отдела исследования конденсированного состояния Отделения нейтронных исследований С.В. Григорьев. Целью проекта является разработка и создание сначала прототипа, а затем сети компактных источников нейтронов для нужд нейтронного рассеяния.

Освоение новых технологий является одной из составляющих частей развития человечества. В значительной степени прогресс в XX веке основан на достижениях в области материаловедения, изучении природы вещества и создании искусственных материалов. Успех в решающей степени зависит от овладения методами исследования, способными как на блюдце выложить всю информацию о строении и свойствах материи. Одним из таких проводников для разгадки характеристик веществ является нейтрон. Благодаря уникальной комбинации свойств, нейтрон обладает высокой ценностью и как объект фундаментальных исследований, и как зонд для нужд прикладных наук. Так исторически сложилось, что основными источниками нейтронов для нужд нейтронного рассеяния явились ядерные реакторы. Связано это с хронологией развития ядерно- промышленного комплекса в мире. Однако, со временем большую популярность стали приобретать нейтронное источники на основе протонных ускорителей с колоссальной энергией налетающих ионов (1 - 2 ГэВ). Протонами высоких энергий бомбардируют мишень из тяжелых ядер (например, вольфрам или ртуть). По сравнению с реакцией деления, в данном процессе генерируется в несколько раз больше нейтронов на 1 Дж тепловыделения. Кроме того, протонные ускорители способны работать в импульсном режиме, что позволяет естественным образом использовать время-пролётную технику измерений, предоставляющую дополнительную информацию об исследуемом объекте. Несмотря на это, потребление электроэнергии подобными установками сопоставимо с нуждами небольшого города.

Оба рассмотренных типа требуют колоссальных финансовых затрат как при строительстве (более 100 млрд. рублей), так и при эксплуатации (около 10 млрд. руб./год). Большая стоимость определяет весьма скромное количество нейтронных центров в мире, что ограничивает их доступность. Такая ситуация ведет к неполному использованию потенциала методики нейтронного рассеяния в науке и промышленности. Ответом на этот вызов может стать создание сети компактных источников, которые бы закрыли брешь между флагманскими источниками и широким кругом исследователей. Стоимость источника при этом составляет 5-7 млрд. руб., а его эксплуатация около 100 млн. руб./ год.

Компактный источник нейтронов изначально уступает несколько порядков нейтронного потока большому источнику ускорительного типа или реактору; однако значительная часть этих потерь может быть компенсирована увеличением апертуры захвата и глубокой оптимизацией экспериментальной установки, включая адаптацию параметров ускорителя, мишени и замедлителя к потребностям каждого нейтронного инструмента. Например, ожидаемая плотность потока тепловых нейтронов в замедлителе реактора ПИК мощностью 100 МВт составляет 1014 см-2 с-1, тогда как средняя плотность потока тепловых нейтронов для прототипа DARIA составляет 5·1012 см-2 с-1. При их сравнении следует учитывать, что из общего потока нейтронов в стационарных реакторах для каждой конкретной установки нейтронного рассеяния вырезается узкая спектральная линия, то есть из потока выбрасывается от 90 до 99% нейтронов. В случае с импульсными источниками – примером которого является компактный источник нейтронов (КИН) DARIA – практически все нейтроны в импульсе используются в исследовании. При этом используется так называемые время-пролетные методики в рассеянии нейтронов.

Концепция КИН DARIA заключается в передаче пользователю контроля над параметрами источника нейтронов: температура замедлителя, частота повторения и длительность нейтронных импульсов, вследствие чего повышается эффективность использования низкопоточного источника нейтронов. Отсюда следует, что параметры приборов, такие как спектральная полоса, частота и длительность импульса, рассчитываются из нужд экспериментатора. Таким образом, есть "свобода" в выборе параметров приборов.

Сообщество КИН DARIA за последние годы пополнилось заинтересованными в развитии нейтронной науки в России институтами и лабораториями. Помимо авторов идеи — сотрудников кафедры ЯФМИ СПбГУ и отделения нейтронных исследований НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ — сообщество КИН DARIA составляют следующие группы: НИЦ «Курчатовский институт» - ИТЭФ (Москва), Инжиниринговый центр БФУ им. Канта (Калининград), ОИЯИ (Дубна), ИПФ РАН (Нижний Новгород), ИЯИ РАН (Москва), МИФИ (Москва), ФНИЦ КиФ РАН (Москва), НИЦ «Курчатовский институт» и ИФМ УрО РАН (Екатеринбург).

Работа поддержана проектом Минобрнауки России «Разработка компактных источников фотонов и нейтронов на базе новых технологий линейных ускорителей – основных элементов лазера на свободных электронах и импульсных нейтронных источниках» (Соглашение № 075-15-2021-1358 от 12.10.2021).