Нейтронные исследования, в которых Россия долгое время занимала и во многом сохраняет лидирующие позиции, важны не только для современной физики, создания и развития новых технологий, но также для сохранения и развития интеллектуального и высокотехнологического потенциала страны.
Реализуемый в настоящее время в России в Национальном исследовательском центре «Курчатовский институт» на базе Петербургского института ядерной физики проект ПИК предусматривает создание уникального научного комплекса на базе высокопоточного пучкового исследовательского ядерного реактора ПИК. Реактор ПИК с самого начала задуман как высококлассная установка общегосударственного масштаба, предназначенная для обеспечения исследований в интересах различных областей науки, техники и промышленности. Это следует из научной программы реактора ПИК, одобренной многочисленными научными отечественными и международными комитетами и совещаниями, подтверждающими, что России нужны современные источники нейтронного излучения и экспериментальные установки, работающие на выведенных пучках.
Высокопоточный исследовательский пучковый реактор ПИК мощностью 100 МВт с плотностью потока тепловых нейтронов в тяжеловодном отражателе 1,2*1015 н/см2с и рекордной для пучковых реакторов, не имеющей аналогов в мире, плотностью 5*1015 н/см2с в центральном экспериментальном канале, предназначен для проведения исследований в различных областях фундаментальной науки, а также для решения широкого круга прикладных проблем.
Схема реактора ПИКПараметры нейтронных пучков и экспериментальные возможности реактора ПИК являются уникальными. Он не уступает, а по некоторым показателям превосходит лучший на сегодняшний день исследовательский реактор HFR в международном Институте Лауэ-Ланжевена (Гренобль, Франция).
В частности, реактор ПИК предоставляет уникальную возможность облучать образцы в предельно высоких потоках и их же исследовать на выведенных нейтронных пучках. В мире такая возможность проводить материаловедческие исследования отсутствует.
Экспериментальные возможности реактора ПИК определяются не только высокой интенсивностью нейтронных пучков, но также наличием источников горячих, холодных и ультрахолодных нейтронов. Реактор ПИК предоставит новые уникальные возможности как для углубления исследований, проводимых в мире с использованием нейтронов, так и для проведения новых исследований, не доступных в настоящее время на существующих исследовательских реакторах.
Концепция реактора ПИК, несмотря на то, что она была разработана достаточно давно, до сих пор определяет современные тенденции реакторостроения. Основная схема реактора, а именно: охлаждаемая легкой водой активная зона и тяжеловодный отражатель, впервые примененная в проекте реактора ПИК (защищена авторским свидетельством в 1976 году), признана сегодня наиболее эффективной и технологичной. Как было отмечено в решении специально посвященного этой проблеме научно-технического совета Минатома России, «реактор ПИК по своим параметрам и экспериментальным возможностям отвечает высшим мировым стандартам. По конструкции, физическим и техническим характеристикам он остается непревзойденным в реакторостроении для экспериментальных целей и после пуска станет уникальной базой научных исследований в России».
Для проведения исследований на выведенных нейтронных пучках на реакторе ПИК предусмотрены залы горизонтальных, наклонных экспериментальных каналов и нейтроноводный зал, в которых имеется возможность разместить до 50 экспериментальных установок, на которых одновременно с использованием нейтронного излучения будут проводиться эксперименты по исследованию фундаментальных свойств материи, структуры вещества, динамики атомных и магнитных систем, изучению наноматериалов, наносистем, биоорганических нанообъектов, разрабатываться технологии наноконструирования органических и неорганических систем, новые методы неразрушающего контроля, медицинской диагностики и терапии и по другим направлениям. Возможность определять с помощью нейтронов положения легких атомов в присутствии тяжелых делает их незаменимым инструментом для изучения органических (в том числе биологических) структур, содержащих водород. Более того, чувствительность нейтронов к изотопическому составу дает возможность использовать изотопическое замещение для определения структуры выделенных фрагментов макромолекул и агрегатов. В «наномире» польза нейтронов определяется их высокой проникающей способностью и наличием магнитного момента. Нейтроны оказываются уникальным инструментом для изучения магнитных пленок и многослойных структур, межфазных границ жидкость — жидкость, жидкость — твердое тело и др. Рассеяние нейтронов, наряду с использованием синхротронного излучения, является одним из наиболее эффективных методов исследования атомной и магнитной структуры, а также динамики веществ, внедренных в поры нанопористых матриц или адсорбированных на поверхности. Для решения этих задач НИРК ПИК будет оснащен экспериментальными станциями для проведения исследований наносистем и материалов, в их числе: дифрактометры для исследования монокристаллов, порошковые дифрактометры, порошковый фурье-дифрактометр, трехосный, времяпролетный и спин-эхо-спектрометры неупругого рассеяния нейтронов, спектрометр и рефлектометр поляризованных нейтронов.
Следует отметить особую важность нейтронов для целенаправленного создания материалов водородной энергетики. Нейтронные методы, безусловно, являются основными для изучения гидридов металлов и родственных соединений, которые относятся к числу наиболее перспективных материалов для хранения водорода и для создания водородных топливных элементов.
Основу исследовательской базы нейтронного реактора ПИК составят 50 уникальных установок коллективного пользования, создаваемых силами как российских исследовательских институтов, так и их зарубежных партнеров. Так, в частности, с центром GKSS (Германия) уже заключен контракт, по которому он поставляет в ПИЯФ комплекс из 8 экспериментальных станций для установки их в нейтроноводном зале реактора ПИК и проведения совместных исследований по физике конденсированного состояния на этих станциях.
Летом 2011 года Правительственной комиссией по высоким технологиям и инновациям были утверждены шесть приоритетных мегапроектов. В первую группу из трех наиболее проработанных проектов вошел высокопоточный пучковый исследовательский реактор ПИК (с бюджетом проекта — 15 млрд рублей). Проект ПИК сейчас находится на стадии физического пуска. Еще примерно 1,5–2 года потребуется для следующего этапа — его энергетического пуска. За прошлый год, после вхождения ПИЯФ в НИЦ «Курчатовский институт», значительно интенсифицировался процесс ввода установки в эксплуатацию. Вскоре реактор ПИК станет основой международного центра нейтронных исследований мирового класса.
Благодаря реализации проекта ПИК, Российская Федерация сможет вернуть частично утраченные за последние два десятилетия лидирующие позиции в мире в области фундаментальных и прикладных исследований с нейтронами, а также в создании и использовании для этой цели специализированных высокопоточных источников нейтронов.
Михаил Ковальчук, член-корреспондент РАН, директор НИЦ «Курчатовский институт»