Libmonster ID: UA-1706

 Автор: В. Л. АКСЕНОВ

XX в. стал столетием физики, которая значительно расширила знания человечества об окружающем мире и создала базу для научно-технической революции. Но на рубеже тысячелетий интересы ученых стали смещаться в область наук о жизни и Земле. На первый план выходят проблемы биологии, медицины, охраны окружающей среды, фундаментального материаловедения (особенно в плане создания новых конструкционных материалов) и т. д. Однако определенная смена ориентиров исследований не означает, что физика теряет статус авангарда естественнонаучных дисциплин. Более того, разные специалисты все больший интерес проявляют к использованию уникальных физических приборов: ускорителей частиц, ядерных реакторов, больших телескопов, прессов высокого давления и т. д. К подобным, так называемым крупным установкам, относится и находящийся в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) исследовательский ядерный импульсный быстрый реактор ИБР-2.

стр. 26


Доктор физико-математических наук В. Л. АКСЕНОВ, начальник отдела нейтронных исследований конденсированных сред Объединенного института ядерных исследований (Дубна), научный руководитель реактора ИБР-2

ЧТО ВЕК ГРЯДУЩИЙ НАМ ГОТОВИТ?

В 1960 г. в Дубне запустили первый в мире пульсирующий ядерный реактор - ИБР. Успешная работа ИБР и его модификаций стимулировала появление в середине 60-х годов новых проектов аналогичных установок в США, Италии, Японии, СССР. Однако на практике реализовали только один из них - ИБР-2, опять-таки в Дубне (принят в эксплуатацию 10 февраля 1984 г.). Этому во многом способствовал уникальный опыт применения подобных систем, находившихся под патронажем Министерства среднего машиностроения (ныне Министерство РФ по атомной энергии - Минатом), в самом ОИЯИ и в Физико- энергетическом институте им. А. И. Лейпунского (Обнинск).

Реактор ИБР-2 разработали в Научно-исследовательском конструкторском институте энерготехники (главный конструктор академик Н. А. Доллежаль), проектные работы выполнил Государственный специализированный проектный институт, топливные элементы изготовили Всесоюзный научно- исследовательский институт неорганических материалов и комбинат "Маяк". Для решения отдельных задач привлекали и другие специализированные институты, конструкторские бюро.

Первым научным руководителем реактора был автор его идеи и первый директор ОИЯИ, член-корреспондент АН СССР Д. И. Блохинцев. Позднее его "опекал" нобелевский лауреат, академик И. М. Франк, при котором на базе этой установки для создания других ИБР и проведения исследований на них была образована Лаборатория нейтронной физики, ныне носящая его имя.

Эксперименты на ИБР-2 стали проводить сразу же после пуска. Реактор в импульсном режиме и поныне дает рекордный для исследовательских источников нейтронов поток: плотность быстрых нейтронов - 10 17 н/см /с; тепловых - 10 16 н/см /с.

Главная отличительная особенность ИБР-2 - периодическое изменение выделяемой энергии с помощью стального подвижного отражателя нейтронов. Последний состоит из двух частей, вращающихся со скоростями соответственно 1500 и 300 об/мин. Когда оба экрана отражателя направляют поток нейтронов в активную зону (там находится 90 кг двуокиси плутония), образуется мощный импульс энергии в 1500 МВт. Примерно такую же энергию производят современные блоки атомных электростанций. Принципиальная разница состоит в том, что в реакторе ИБР-2 такая энергия сконцентрирована в очень малом объеме (22 л) и генерируется 5 раз в секунду, поэтому средняя мощность составляет всего 2 МВт, что обеспечивает безопасность и относительную дешевизну его эксплуатации. Создание данной установки обошлось СССР примерно в 20 млн. долл. Сегодня ее эксплуатация, развитие и совершенствование стоят не менее 1 млн. долл. в год. Но это в 10 - 50 раз меньше, чем тратят на те же цели за рубежом.

Поскольку реакторы ИБР были первыми импульсными источниками нейтронов для физических исследований, то основы методов время - пролетной структурной нейтронографии и спектроскопии, когда энергия нейтрона в эксперименте определяется измерением времени его пролета от источника до образца, были заложены в Дубне.

В новом столетии ИБР-2 подвергнется модернизации. Для этого в начале 2000 г. было заключено соглашение (сроком на 10 лет) между ОИЯИ и Минатомом о совместных работах по замене основного его оборудования.

В 2007 г. установка будет даже остановлена, а к 2010 г. в Дубне появится фактически новый реактор - ИБР-2М с улучшенными параметрами и системой безопасности. По расчетам, он будет служить науке минимум 20 - 25 лет.

Осуществляя задуманное, мы будем ориентироваться на уникальные свойства нейтронов в их взаимодействии с веществом и на области наук, где это может быть наиболее востребовано. В настоящее время речь идет, прежде всего, о физике конденсированного состояния (кристаллические структуры и возбужденные состояния вещества, магнетизм и сильно коррелированные электронные системы, некристаллические материалы и жидкости), о биологии и фармакологии (структура и физикохимия макромолекул, функционирование конкретных биологических систем), о геофизике (текстурный анализ минералов и геологических пород), наконец, о материаловедении (наноструктуры в полимерах, материалы конструкционного назначения). Чтобы дать представление о перспективах исследований на ИБР-2, рассмотрим несколько конкретных программ, уже осуществляемых на реакторе, но требующих дальнейшего углубления и развития.

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ

Одним из ярких примеров эффективности использования нейтронов в структурных исследованиях может служить расшифровка кристаллической структуры купратных (оксидомедных) высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). Их открытие в 1986 г. стало крупнейшим событием в физике, его долго ждали, оно вызвало большой бум не только в научной, но и в политической среде. Достаточно сказать, что уже в 1987 г. за это открытие швейцарским ученым К. А. Мюллеру и И. Г. Беднорцу была присуждена Нобелевская премия по физике.

стр. 27


Кристаллическая структура высокотемпературных сверхпроводников на основе ртути. Эти соединения имеют рекордную температуру перехода в сверхпроводящее состояние - 134 К при атмосферном давлении и 152 К при давлении 11 ГПа.

Во всех экономически развитых странах были приняты государственные научно-технические программы, направленные на разгадку природы ВТСП и разработку технических устройств*. Проблема оказалась очень сложной, и в ряду других наиболее актуальных перекочевала в XXI в. В настоящее время накоплен огромный экспериментальный материал, на основе которого создано несколько теоретических моделей ВТСП. Ближайшая задача состоит в выборе наиболее подходящей.

Использование метода рассеяния нейтронов сыграло в этом главную роль. Средней сложности кристаллическая структура с сильно различающимися по атомному номеру элементами и наличие магнитных свойств обусловливают широкие возможности нейтронов при изучении структуры и динамики этих соединений. Именно с помощью дифракции нейтронов удалось определить положения легкого кислорода на фоне тяжелых элементов, таких, как иттрий, ртуть и барий, и тем самым сделать первый шаг в понимании механизма нового явления.

Много полезной информации по данной проблеме собрано в ходе исследований на реакторе ИБР-2 структуры ртутьсодержащих ВТСП (Hg-ВТСП) с общей формулой . Эти соединения, открытые в 1993 г. группой Е. В. Антипова в МГУ им. М. В. Ломоносова, имеют высокую температуру перехода в сверхпроводящее состояние и относительно простую кристаллическую структуру, в которой отсутствуют искажения, обусловленные несоизмеримостью межатомных расстояний и неоднородностью распределения катионов. С помощью этих структур как раз и удается ближе всего подойти к пониманию физики сверхпроводящих процессов.

Эксперименты в ОИЯИ по изучению взаимосвязи температуры сверхпроводящего перехода и особенностей структуры Hg-ВТСП подтвердили особую роль в этом антиферромагнитного обменного взаимодействия между медью и кислородом в геометрической плоскости соединения CuO 2 для спинов (S=1/2) на узлах кристаллической решетки меди. Было также показано, что в Hg-ВТСП медь-кислородная плоскость имеет угол связи Cu-O-Cu, близкий к 180, что обеспечивает максимальное значение антиферромагнитного обменного взаимодействия.

Помимо обычных экспериментов, на реакторе ИБР-2 можно проводить дифракционные эксперименты при высоких давлениях (до 200 кбар). В них, в частности, выявлено: под действием внешнего давления длины медь- кислородных химических связей уменьшаются, что ведет к дальнейшему увеличению антиферромагнитного обмена. В этом, собственно говоря, и состоит разница между оксидомедными и другими сверхпроводниками.

Полученные нами экспериментальные данные объясняются в рамках двухзонной модели Хаббарда, согласно которой в оксидомедных ВТСП реализуется специфический только для них механизм спаривания, обусловленный антиферромагнитным обменом, энергия которого достигает рекордно большой величины ввиду особенностей электронного строения данных соединений.

ФУЛЛЕРЕНЫ - ПЕРСПЕКТИВНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ МЕДИЦИНЫ

Фуллерены наряду с алмазом и графитом - одна из модификаций


* См.: Ю. А. Осипьян. Высокотемпературная сверхпроводимость: взгляд без эмоций. - Наука в России, 2001, N 1 (прим. ред.).

стр. 28


Процесс агрегации в модельной системе - в растворе фуллерена С 60 , в пиридине и воде. Отдельно показана нанокапсула, состоящая из фуллеренового кластера, окруженного оболочкой из пиридина.

углерода - открыты в 1985 г. Р. Керлом, Г. Крото и Р. Смолли (Нобелевская премия по химии за 1996 г.) и названы в честь американского архитектора Б. Фуллера, представляют собой большие молекулы-кластеры в виде сфероподобных сеток из углеродных шестиугольников и пятиугольников*. У наиболее популярного из них - фуллерена C 60 - каркас имеет форму футбольного мяча, в котором в местах стыка углов шестигранников и пятигранников находятся атомы углерода (всего 60).

Материалы на основе фуллеренов обладают необычными физическими и химическими свойствами, поэтому в их изучение вовлечены тысячи научных групп во всем мире. Возможно, одно из самых перспективных применений фуллеренов связано с медициной, ибо они обладают заметной биологической активностью. Поэтому ученые надеются на их основе создать новый класс фармакологических средств с широким спектром терапевтического действия.

Однако биофизические, биологические и медицинские исследования фуллеренов сдерживались тем, что они в обычных условиях практически не растворяются в воде. Лишь несколько лет назад Г. В. Андриевский с сотрудниками в Институте терапии АМН Украины предложили метод получения мелкодисперсных растворов фуллеренов (C 60 и C 70 ) в воде. В настоящее время удается создавать водные растворы C 60 (FWS) с концентрацией более 1,4 мг/мл и не содержащих никаких добавок и стабилизаторов. Такие растворы являются стабильными в диапазоне температур от 5 до 60 o С при хранении не менее 18 месяцев. Биологическое тестирование FWS-растворов в различных модельных системах in vitro показало: они обладают противовирусной активностью (ингибирование вируса иммунодефицита человека и вирусов гриппа), не обладают канцерогенными и мутагенными свойствами, не подавляют процессы клеточного дыхания, не влияют на систему свертывания крови, антиоксиданты и т. д. В Российском онкологическом научном центре им. Н. Н. Блохина РАМН уже имеются первые, правда, пока на крысах и мышах, положительные результаты применения созданных на базе фуллеренов препаратов.

Для понимания процессов растворения фуллерена в воде и механизмов действия FWS в биологических системах проводятся разнообразные физические и химические эксперименты. Ключевым здесь является вопрос о структуре и строении FWS. В его прояснении важную роль могут сыграть исследования с использованием малоуглового рассеяния нейтронов, начатые недавно в кооперации с группой Г. В. Андриевского на реакторе ИБР-2. В них мы опираемся на уникальную способность нейтрона легко различать изотопы, например, водорода и дейтерия. Этот так называемый метод изотопического контраста (когда в системе частично или полностью заменяют водород на дейтерий и изучают вызванное рассеяние нейтронов) весьма эффективен в современной структурной молекулярной биологии.

В настоящее время в качестве рабочей используют модель, согласно которой FWS представляет собой молекулярно-коллоидную систему, состоящую как из отдельных гидратированных (присоединивших Н 2 O) молекул С 60 , встроенных в ажурную структуру воды, так и из их сферических фрактальных кластеров размером от 7 нм и более. Структурной единицей таких кластеров является


* См.: Фуллерены. - Наука в России, 2000, N 6 (прим. ред.).

стр. 29


Схематическое изображение ламеллярной тонкой пленки со- полимера PS-PBMA. Слева - изображение в атомном силовом микроскопе, справа - модель внутренней структуры островка, полученная на основе рефлектометрических измерений на реакторе ИБР-2.

Типичный спектр - карта интенсивности рассеяния нейтронов в зависимости от импульсов падающих (Pi) и отраженных (Pf) нейтронов. Именно такие карты позволяют определить параметры структуры поверхностей и морфологии межслойных границ.

стр. 30


Распределение времени работы реактора ИБР-2 исследователям из разных стран для проведения экспериментов.

сферический агрегат из 13 молекул С 60 размером 3 - 4 нм, аналогично кристаллогидратам содержащий прочно связанные молекулы воды. Отсюда возникают две задачи: изучение структуры воды в комплексе С 60 &nН 2 О, а также процессов образования кластеров и кинетики агрегации.

Недавно в экспериментах по малоугловому рассеянию нейтронов нам удалось установить картину образования кластеров фуллеренов в растворе С 60 в пиридине (бесцветная жидкость, содержащаяся, скажем, в каменноугольной смоле) и в воде. Оказалось, первые окружены пиридиновой оболочкой, что делает фуллерены химически инертным образованием - чем-то вроде инертной нанокапсулы. Процесс их агрегации, следовательно, состоит в объединении последних. Следующий этап наших исследований - изучение чисто водных растворов фуллеренов.

НАНОСТРУКТУРЫ В ПОЛИМЕРАХ

В последнее время в биотехнологии, электронике, других отраслях промышленности во все возрастающих количествах используют различные полимерные пленки. Это обусловливает необходимость иметь данные материалы с несхожими поверхностями и морфологией границ между слоями в многослойных наноструктурах. В соответствующих исследованиях твердых тел и жидкостей, в том числе и полимеров, широко используется нейтронная рефлектометрия - измерение параметров нейтронного пучка в результате полного отражения его от поверхности или границы между слоями.

В мире уже работают около 40 таких устройств; два с уникальными параметрами установлены на нашем реакторе ИБР-2. Именно на них входе недавних совместных исследований с коллегами из России, Франции и Германии удалось установить: эффекты незеркального рассеяния играют ключевую роль в определении структуры поверхностей и слоев. Мы изучали ламеллярную тонкую пленку со-полимера полистерен- полибутилметакрилата(РS-РВМА), поверхность которой покрыта бугорками или островками высотой 40 нм и диаметром 1 - 5 мкм. Такие объекты видны лишь с помощью самого мощного на данный момент атомного силового микроскопа*. Но и он не позволяет увидеть их внутреннее строение (это позволяют только методы нейтронной физики).

ЦЕНТР КОЛЛЕКТИВНОГО ПОЛЬЗОВАНИЯ

Поскольку ИБР-2 является одним из лучших в мире источников нейтронов для исследований конденсированного вещества, распределение времени, выделяемого для экспериментов, производится на конкурсной основе. А Лаборатория нейтронной физики им. И. М. Франка ОИЯИ, которой, собственно говоря, и "принадлежит" реактор, использует всего только около 25% его экспериментального времени.

На этой установке мы реализуем много программ с ведущими научными центрами нашей страны, в первую очередь, с Санкт-Петербургским институтом ядерной физики РАН, Российским научным центром "Курчатовский институт", Физико-энергетическим институтом им. А. И. Лейпунского, Институтом физики металлов Уральского отделения РАН, Институтом ядерных исследований РАН. Вместе с тем здесь ежегодно проводят 150 - 200 экспериментов ученые из 25 - 30 зарубежных стран.

Особое внимание уделяем подготовке молодых кадров для работы на ИБР-2. Наш отдел является базовым для кафедры нейтронографии МГУ им. М. В. Ломоносова. Весьма популярна наша Школа по использованию рассеяния нейтронов и синхротронного излучения для студентов старших курсов, аспирантов и молодых научных сотрудников университетов и научно- исследовательских институтов России. Мы проводим ее совместно с Российским научным центром "Курчатовский институт" и Институтом кристаллографии РАН каждый год в течение 4 - 6 недель в Дубне и Москве.

Через несколько лет они станут членами Российского нейтронного сообщества, обладающего самой современной экспериментальной техникой для исследований конденсированного состояния вещества с помощью рассеяния нейтронов. Их ждет много интереснейших задач в физике конденсированного состояния вещества, биологии, химии, геофизике, материаловедении.


* См.: В. А. Быков. Микроскоп... рассматривающий атомы. - Наука в России, 2000, N 4 (прим. ред.).

Иллюстрации предоставлены автором.


© elibrary.com.ua

Permanent link to this publication:

https://elibrary.com.ua/m/articles/view/Проблемы-Поиск-Решения-ЯДЕРНЫЙ-ИМПУЛЬСНЫЙ-РЕАКТОР

Similar publications: LRussia LWorld Y G


Publisher:

Бельбек ТахумовContacts and other materials (articles, photo, files etc)

Author's official page at Libmonster: https://elibrary.com.ua/Scientist

Find other author's materials at: Libmonster (all the World)GoogleYandex

Permanent link for scientific papers (for citations):

Проблемы. Поиск. Решения. ЯДЕРНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ РЕАКТОР // Kiev: Library of Ukraine (ELIBRARY.COM.UA). Updated: 17.06.2014. URL: https://elibrary.com.ua/m/articles/view/Проблемы-Поиск-Решения-ЯДЕРНЫЙ-ИМПУЛЬСНЫЙ-РЕАКТОР (date of access: 01.12.2021).


Comments:



Reviews of professional authors
Order by: 
Per page: 
 
  • There are no comments yet
Related topics
Publisher
797 views rating
17.06.2014 (2724 days ago)
0 subscribers
Rating
0 votes
Related Articles
А вообще весь этот кейс с комиками во власти заставил понять, что киношный сценарий разительно отличается от реальной большой политики, где побеждает трезвый, незамутненный запрещенными веществами ум, холодный расчет и опыт – как обязательные составляющие личности, дерзающей определять путь миллионов человек.
Catalog: Разное 
17 hours ago · From Naina Kravetz
Когда менять резину на зимнюю в 2021 году?
Yesterday · From Україна Онлайн
Запрещает ли PayPal азартные игры?
Catalog: Экономика 
2 days ago · From Україна Онлайн
IN THE INTERESTS OF ENERGY STABILITY
7 days ago · From Україна Онлайн
Аварии на топливе Westinghouse случались и ранее, начиная с 1979 года, когда произошла крупнейшая в истории США авария на АЭС Три-Майл-Айленд, в результате которой зафиксировано расплавление 50% активной зоны реактора. Далее Westinghouse делала попытки торговать с Чехией, однако опасные эксперименты по замене оригинального топлива окончились досрочной его выгрузкой из 1-го энергоблока АЭС Темелин в январе 2007 года, по причине его сильной деформации. Вышедшие из строя вэстингхаусовские тепловыводящие сборки на 3-м энергоблоке Южно-Украинской АЭС были в экстренном порядке заменены на стандартные ТВЭЛовские.
Catalog: Экология 
8 days ago · From Naina Kravetz
HISTORY OF ROADS AND GROUND TRANSPORT ACCORDING TO ARCHEOLOGICAL DATA
Catalog: История 
9 days ago · From Україна Онлайн
BASIC UNIT FOR THE AMERICAN ACCELERATOR
10 days ago · From Україна Онлайн
TRANSITION TO CONTROLLED EVOLUTION OF THE BIOSPHERE
Catalog: Биология 
10 days ago · From Україна Онлайн
DEVONIAN PALEOSOILS OF THE ANDOMA MOUNTAIN
10 days ago · From Україна Онлайн
Безопасно ли брать кредит в Интернете?
Catalog: Экономика 
11 days ago · From Україна Онлайн

Actual publications:

Latest ARTICLES:

ELIBRARY.COM.UA is an Ukrainian library, repository of author's heritage and archive

Register & start to create your original collection of articles, books, research, biographies, photographs, files. It's convenient and free. Click here to register as an author. Share with the world your works!
Проблемы. Поиск. Решения. ЯДЕРНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ РЕАКТОР
 

Contacts
Watch out for new publications: News only: Chat for Authors:

About · News · For Advertisers · Donate to Libmonster

Ukraine Library ® All rights reserved.
2009-2021, ELIBRARY.COM.UA is a part of Libmonster, international library network (open map)
Keeping the heritage of Ukraine


LIBMONSTER NETWORK ONE WORLD - ONE LIBRARY

US-Great Britain Sweden Serbia
Russia Belarus Ukraine Kazakhstan Moldova Tajikistan Estonia Russia-2 Belarus-2

Create and store your author's collection at Libmonster: articles, books, studies. Libmonster will spread your heritage all over the world (through a network of branches, partner libraries, search engines, social networks). You will be able to share a link to your profile with colleagues, students, readers and other interested parties, in order to acquaint them with your copyright heritage. After registration at your disposal - more than 100 tools for creating your own author's collection. It is free: it was, it is and always will be.

Download app for smartphones