Специалисты Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) провели эксперименты на ускорительном источнике нейтронов VITA, которые закрыли ряд пробелов в базах данных сечений ядерных реакций. Физики смогли с высокой точностью измерить вероятности рождения тех или иных частиц в результате столкновения протона и дейтрона с литием и бором.
Полученная информация является фундаментальной, но будет использоваться в прикладных целях. Столкновение дейтрона и лития дает реакции с выделением большого потока быстрых нейтронов, что актуально для задач материаловедения, например, для тестирования образцов в экстремальных радиационных условиях. Одна из реакций протона и бора, наоборот, проходит без выделения нейтронов, и мировое физическое сообщество рассматривает ее как одну из возможных для развития безнейтронных термоядерных реакторов. Результаты в виде пяти статей опубликованы в журнале Nuclear Inst. and Methods in Physics Research B, одной статьи в журнале Physics of Atomic Nuclei и внесены в международные базы данных.
Ускорительный источник нейтронов VITA на основе ускорителя-тандема с вакуумной изоляцией и литиевой мишенью был предложен и создан в ИЯФ СО РАН. Установка способна генерировать пучки протонов и дейтронов с энергией до 2,3 мегаэлектронвольт и током до 10 миллиампер. Этот нейтронный источник оснащен гамма, альфа и нейтронными спектрометрами, а также дозиметрами. Установка используется для развития методики бор-нейтронозахватной терапии (БНЗТ); тестирования материалов, перспективных для работы в экстремальных радиационных условиях, например, в термоядерных реакторах; для фундаментальных исследований по измерению сечений ядерных реакций, то есть вероятности рождения тех или иных частиц в результате столкновения исходных объектов, и других приложений. Свежие результаты по последнему направлению недавно были представлены на крупнейшей в России конференции по ускорительной технике RuPAC-25. Доклад научного сотрудника ИЯФ СО РАН Марины Бикчуриной «Применение ускорителя-тандема с вакуумной изоляцией VITA для измерения сечений ядерных реакций» был безоговорочно отмечен единственным первым местом в конкурсе молодых ученых в рамках конференции.
Награждение победителей конкурса молодых ученых на конференции по ускорительной технике RuPAC-25. Фото из личного архива М. Бикчуриной.
«Базы данных ядерных сечений содержат в себе фундаментальные данные, но при этом они очень важны для прикладных исследований. Такие базы актуальны для тех, кто занимается изучением свойств материалов при взаимодействии с излучением или для тех, кто работает в области управляемого термоядерного синтеза (УТС), – прокомментировала старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Марина Бикчурина. – Так сложилось, что VITA идеально подходит для получения подобного рода информации. Уникальность установки в том, что она позволяет свободно регулировать энергию стационарного протонного пучка – от 100 килоэлектронвольт до 2,3 мегаэлектронвольт с точностью 0,1%. Кроме того, в широком диапазоне с точностью 0,4% можно варьировать уровень тока от наноампер до десяти миллиампер. При использовании различных видов замедлителей мы способны получать весь спектр нейтронов: от холодных до быстрых. Все это повышает уровень наших исследовательских возможностей».
Работы ИЯФ СО РАН по измерению ядерных сечений на установке VITA начались с изучения свойств литиевой мишени, которые были необходимы для развития метода БНЗТ. В ходе прошлых работ ученые выяснили, что помимо основной нейтроногенерирующей реакции существует реакция с выделением вредных гамма-квантов. Также была измерена реакция протона с литием с рождением двух альфа-частиц.
«Следующими на очереди оказались реакции, проходящие в результате столкновения дейтрона с литием, – добавила Марина Бикчурина. – Это взаимодействие приводит к большому разнообразию реакций – существует 11 каналов взаимодействия. Шесть из них проходят с рождением нейтронов, часть которых характеризуется высокой энергией. Экспериментальные данные об этих реакциях сильно различаются у разных авторов, так как бум на их изучение пришелся на 60-е гг. XX в., когда детекторные технологии были не так развиты, как сейчас, или вовсе отсутствуют. Достоверная информация важна для многих применений, включая радиационные испытания современных материалов и оборудования. С помощью нашей уникальной установки мы решили заполнить этот пробел и измерили 7 из 11 реакций. Но наиболее интересны для нас были те, что проходят с нейтронами – их шесть. Первая реакция – это трехчастичный распад, при котором после захвата литием-7 дейтрона получаются две альфа-частицы и нейтрон. Информации о ее сечении в открытых базах данных нет. По нашим данным, вклад этой реакции является превалирующим, именно она будет давать очень широкий спектр нейтронов. Следующая реакция даже в резонансе дает вклад в выход нейтронов в 2,5 раз ниже, чем первая, а оставшиеся две, их мы измеряли с коллегами их проектного центра ИТЭР, в 8 и 13 раз».
На данный момент специалисты из шести нейтроногенерирующих реакций измерили все четыре реакции с литием-7 и планируют измерить оставшиеся две реакции с литием-6.
«Так как лития-7 в составе природного содержится 92,5%, мы можем говорить, что получили почти полную информацию о нейтронах, что вылетают из мишени, – пояснила Марина Бикчурина. – Более того, поскольку мы умеем делать мишени из лития-7, то полученные данные позволяют впервые восстановить энергетический спектр в реакции взаимодействия его с дейтроном. А это основной вопрос исследователей, которые хотят изучить свой образец под источником нейтронов, им нужны исходные данные эксперимента. В планах провести измерение оставшихся двух реакций, которые происходят при взаимодействии дейтронов с литием-6. Хотя энергия и интенсивность генерируемых нейтронов здесь ожидается меньше, чем в реакциях с литием-7, да и содержание лития-6 в природном литии заметно меньше, но мы сделали мишень из лития-6 и как раз сегодня приступили к измерению пока одной из этих двух оставшихся реакций».
Вторая часть исследований специалистов ИЯФ СО РАН заключалась в измерении ядерных реакций столкновения протона с мишенью из бора, которую разработали томские коллеги. После взаимодействия элементарной частицы протона с изотопом бор-11 происходят реакции без рождения нейтронов. Такие безнейтронные каналы распада интересы для области УТС.
Дифференциальное сечение ядерной реакции B11(p,α)Be8*(взаимодействие протона и изотопа бора-11с образованием альфа-частицы и ядра бериллия-8 в возбужденном состоянии). Сечение реакции измерено под углом 135 градусов относительно оси пучка и под углом 168 градусов относительно оси пучка.
«Реакция, которая происходит после взаимодействия пучка протонов с бором-11, на выходе дает три альфа-частицы. Научному сообществу эта реакция интересна тем, что она характеризуется большим энерговыделением, а еще тем, что в ней нет нейтронов. Получается, что реакция протон-бор очень перспективна для создания термоядерных установок без нейтронной защиты, – прокомментировала Марина Бикчурина. – Нами установлено, что реакция взаимодействия протона с бором идет преимущественно в виде распада на альфа-частицу и ядро бериллия-8 в возбужденном состоянии с его последующим распадом на две альфа-частицы. Сечение этой реакции, измеренное нами при двух углах, заметно меньше тех значений, которые часто используют при рассмотрении перспективности безнейтронного термоядерного синтеза. Поскольку эти данные очень важны, то мы изготовили дополнительное оборудование и вскоре планируем измерить это сечение уже для нескольких углов с тем, чтобы полученные достоверные данные позволили научному сообществу продвигаться в области развития безнейтронного термоядерного синтеза».
