История создания и развития Петербургского института ядерной физики им. Б.П. Константинова, ныне входящего в состав Национального исследовательского центра «Курчатовский институт», чрезвычайно интересна. В ней, как в капле воды, отражается вся история развития отечественной науки. О прошлом и настоящем института мы беседовали с его нынешним директором — доктором технических наук Денисом Юрьевичем Минкиным и его заместителем по научной работе доктором физико-математических наук Владимиром Владимировичем Ворониным.
— Денис Юрьевич, в представлении обывателя институт ядерной физики — это нечто опасное, закрытое, совершенно секретное и за колючей проволокой. Насколько эти представления соответствуют истине?
— Да, существует такой стереотип. Но сегодня исследования для ВПК составляют очень небольшую часть в ядерной физике, и это, как правило, задачи прикладного характера. В нашем институте мы ведем в основном фундаментальные исследования, причем не только чисто физические. Едва ли не половина тематики института — биология и медицина. Хотя, вообще говоря, в современной науке сложно провести четкую грань между отдельными дисциплинами.
— И все же как насчет колючей проволоки?
— ПИЯФ НИЦ «Курчатовский институт» — институт гражданский. Основная часть нашей территории представляет собой большой парк. Есть, конечно, и участок, который охраняется весьма строго. Здесь расположены ядерные объекты, в исследованиях на которых используются радиоактивные материалы, и очевиден жесткий режим безопасности. Поэтому какое-то количество колючей проволоки неизбежно. Строгая охрана необходима, и она осуществляется весьма эффективно. Любой ядерный объект должен охраняться именно так.
— Почему Институт ядерной физики был построен в Гатчине? Не достаточно ли было Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе? Ведь именно там зародилась и активно развивалась физика атомного ядра, как она называлась в 1920–1930-е гг., оттуда вышли корифеи советской ядерной физики.
— История была немного другая. Действительно, с довоенных времен ведущим институтом, проводившим исследования в области ядерной физики в СССР, был ленинградский Физтех (ЛФТИ). Здесь работали И.В. Курчатов, Ю.Б. Харитон, Д.В. Скобельцын, А.П. Александров, А.И. Алиханов, И.К. Кикоин, Н.Н. Семенов и еще два десятка выдающихся ученых — птенцов гнезда «папы Иоффе», как их тогда называли. Многие из них составили костяк советского атомного проекта, начавшегося в апреле 1943 г. в Лаборатории No 2, ныне легендарном Курчатовском институте. В середине 1950-х гг. в развитие атомного проекта по инициативе И.В. Курчатова Совет Министров СССР принял постановление о создании по всей стране ядерно-физических центров и строительстве в них исследовательских ядерных реакторов, ускорителей и лабораторий. В соответствии с этой программой современный ускоритель и исследовательский ядерный реактор планировали построить и в Физтехе. Ясно, что в центре города делать этого было нельзя, поэтому из ряда вариантов площадки выбор остановили на небольшом лесном массиве под названием Орлова роща в Гатчине. Во всех отношениях место удачное: сравнительно недалеко от Ленинграда, рядом шоссе и железная дорога и в то же время лес, скрывающий объект от посторонних глаз. Здесь было решено создать филиал Физикотехнического института. Таким образом, в Гатчине не открывали новый институт, а строили экспериментальную базу ЛФТИ. Но строили с размахом.
— Строительство началось в 1954 г. Это были не самые тучные годы. Всего девять лет назад закончилась война, тем не менее было принято решение о выделении значительных ресурсов на организацию гатчинского филиала Физтеха. Как это происходило?
— Это весьма показательный пример. Недавно мы подняли архивные
документы и обнаружили текст постановления Совета Министров
СССР о строительстве филиала Физтеха. Так вот,
среди прочего там были разделы, предусматривавшие
строительство жилья для сотрудников института. Более 40
домов в Гатчине было построено для института — это целый город. А
кроме этого — строительство подстанции, очистных сооружений,
школы, детских садов, дома культуры, почтового отделения...
Больше всего поразил в этом документе один из пунктов с
поручением открыть мебельный магазин. То есть на самом верху
понимали, что новоселам нужно будет обставлять квартиры.
Это к вопросу о плюсах и минусах
административной системы и системы планирования.
Сейчас мы вводим в эксплуатацию уникальный реактор ПИК.
Современный, мощный, предназначенный в том числе и для
международных исследований. Но на жилье в этом проекте не
предусмотрено ни копейки. Куда поселить сотрудников?
А ведь это уникальные специалисты высочайшей квалификации,
штучный товар.
Но надо сказать, что и сейчас предпринимается явная попытка
вернуться к тому положительному опыту комплексного подхода.
Так, развивается дорожная сеть Ленинградской области, в том
числе рассматривается возможность связать кольцом
ленинградские центры образования, науки и культуры.
А в том далеком 1954 г. в Орловой роще развернулась большая
стройка. Котлованы, канавы, бетон, трубы, подъемные
краны... Строили это все военные, их казармы сохранились на
нашей территории. Официально филиал ЛФТИ в Гатчине был открыт в
1956 г. В этом же году началось строительство исследовательского
реактора типа ВВР. Кстати, аналогичные реакторы в рамках уже
упоминавшегося постановления Совмина практически одновременно
строили в Москве, Киеве, Риге, Ташкенте, Алма-Ате, а кроме
того в Польше, Венгрии, Болгарии...
— Когда осуществили физический пуск реактора?
— Это произошло в самом конце 1959 г. В создании критического
стенда для проверки нейтронных характеристик реактора участвовали
сотрудники Курчатовского института, у которых к тому времени
был уже очень важный опыт строительства и эксплуатации своих
реакторов, критических сборок. Реактор запустили на малой
мощности. К середине 1960 г. его вывели на 5 МВт, а к концу
года — на 10 МВт. В результате нейтронный поток, ради которого
все и затевалось, достиг величины
1014(см2 · с)-1. Для
того чтобы запустить реактор на полную мощность, были
поставлены несколько экспериментальных работ. В активной зоне,
например, измерили распределение потоков тепловых,
эпитепловых и быстрых нейтронов, проанализировали
расход теплоносителя в разных участках зоны,
проверили эффективность стержней регулирования и аварийной
защиты в нескольких вариантах конфигураций активной зоны.
Это дало возможность наиболее эффективно использовать бериллиевый
отражатель и получать повышенный поток тепловых
нейтронов для проведения исследовательских работ. Одним
из итогов экспериментов стало создание в активной зоне
реактора специальной водяной
полости с размещенным в ней экспериментальным каналом. Поток
тепловых нейтронов в нем был втрое выше, чем в 13 других
каналах реактора. Это происходило из-за замедления водой быстрых
нейтронов, попадающих в полость из активной зоны.
— Несколько слов об особенностях этого реактора. Чем исследовательский реактор принципиально отличается от энергетического?
В.В. Воронин: Принцип действия обоих реакторов один и тот же.
Отличаются они назначением и, следовательно, имеют некоторые
конструктивные различия. Наш реактор относится к типу ВВР
— водо-водяных реакторов. Именно этот тип получил
наибольшее распространение для исследовательских целей. В
качестве замедлителя и теплоносителя в них используют обычную
воду. В исследовательских реакторах получение пара для
энергетических целей (для вращения турбогенератора) не
требуется. Следовательно, для съема тепла можно использовать воду
под атмосферным давлением, то есть кипящую при 100° C. Правда,
при таких давлениях теплосъем невелик и получить высокую
мощность в маленьком объеме весьма проблематично. Это же
обстоятельство не позволяет получить большой нейтронный поток. В
реакторе ВВР он составляет примерно 4х1014 (см2
·с)-1.
— Сейчас в институте в завершающей стадии работы по энергетическому пуску исследовательского комплекса ПИК. Что это за проект?
Д.Ю. Минкин: Высокопоточный исследовательский ядерный реактор
ПИК, точнее, его проект — это давняя история. Строительство
началось еще в 1976 г. До аварии на Чернобыльской АЭС в 1986
г. реакторный комплекс был готов более чем наполовину. Но
после аварии развитие атомной энергетики во всем мире очень
сильно затормозилось, на целое десятилетие. В некоторых странах
антиатомные настроения, активно лоббируемые
«зелеными», настолько сильны, что Германия вынуждена
была пойти почти на полное свертывание своего
ядерно-физического комплекса. Наш проект ПИК был серьезно
пересмотрен, модернизирован, прошел новую экспертизу с
соответствующими повышенными требованиями по безопасности. То
есть к началу 1990-х гг. проект был фактически на
финишной прямой. Но тут грянули лихие девяностые,
когда стало вообще не до финансирования науки. Так
что главным достижением последующих 15 лет было то, что
нам удалось хоть как-то поддерживать на плаву институт и реактор.
Работы были практически заморожены на долгое время. В
середине 2000-х гг. удалось вернуться к этому проекту,
началось минимальное финансирование. Но долгожданный прорыв в
этом направлении произошел, конечно, благодаря вхождению ПИЯФ в
состав Национального исследовательского центра «Курчатовский
институт» в 2010 г. Все институты НИЦ «Курчатовский институт»
объединены общей научной программой, и одно из ее главных
направлений — междисциплинарные исследования на мегаустановках.
Инициатором запуска такой программы был М.В. Ковальчук. Реактор
ПИК — именно такая мегаустановка, крайне сложная и дорогостоящая.
Поэтому самостоятельно институту завершить строительство
реактора ПИК было бы невозможно. А в составе большого НИЦ
«Курчатовский институт» за короткое время нам удалось
существенно модернизировать реактор ПИК, некоторые элементы
полностью заменить и сделать современный комплекс.
Физический пуск реактора провели 28 февраля 2011 г. В апреле
2013 г. в нашем институте состоялось заседание Совета при
Президенте РФ по науке и образованию. По итогам этого
совещания процессу придали, как говорится, дополнительное
ускорение. Сейчас заканчивается оснащение уже полностью
построенных корпусов вокруг реактора. Здесь практически на одной
площадке сосредоточены и технические службы, и
просторные залы для размещения стендов, лаборатории и
помещения для обработки результатов экспериментов. Сделано все
так, чтобы работать на этой установке было максимально удобно.
Теперь очередь за энергетическим пуском, который мы
планируем провести к концу 2018 г.
В.В. Воронин: Реактор ПИК отличается от большинства аналогичных
зарубежных проектов увеличенными нейтронными потоками в
отражателе, наличием нейтронной ловушки с очень
высоким потоком и возможностью облучения материалов
непосредственно в активной зоне. Максимальная плотность
невозмущенного потока тепловых нейтронов близка к величине
5х1015(см2 · с)-1. Это практически
рекордное значение для реакторов непрерывного действия.
Такой высокий поток позволяет проводить многие эксперименты
за значительно более короткое время, чем на других
реакторах.
После энергетического пуска в состав комплекса, кроме самого
реактора ПИК, работающего в качестве источника нейтронов, войдут
несколько десятков экспериментальных установок. Нейтроны из
реактора по специальным нейтроноводам выводятся и
направляются на экспериментальные установки. Кроме нейтроноводов
существуют специальные экспериментальные каналы для
облучения непосредственно в реакторе образцов различных
материалов, например образцов-свидетелей, изготовленных из тех же
материалов, что и стенки самого реактора. Это позволяет
прослеживать изменения свойств веществ, подверженных интенсивному
нейтронному облучению.
— Можно сделать исследовательский реактор еще более мощным?
Д.Ю. Минкин: Можно, но не имеет смысла. Для того чтобы достичь высокого потока нейтронов, нужно создать большую мощность в ограниченном объеме. Объем рабочей зоны в реакторе ПИК — примерно 50 л. В этом объеме генерируется 100 МВт. (Для справки: энергоблок ЛАЭС — 1 тыс. МВт, то есть всего в десять раз мощнее.) Чтобы повысить мощность, нужно организовать отвод тепла из активной зоны. Для этого ее объем неминуемо придется увеличить. Увеличится объем — упадет плотность потока нейтронов. На нынешнем уровне развития техники, похоже, мы достигли оптимального соотношения тепловой мощности и плотности получаемого потока.
— ПИК — очень крупный комплекс. Будет ли он загружен?
Д.Ю. Минкин: Комплекс строится по модели международного исследовательского центра, то есть работать на нем будут и российские, и зарубежные ученые одновременно. Уже достроен и сдан государственной комиссии комплекс реакторных зданий площадью 65 тыс. кв. м. Сейчас в кооперации с немецкими коллегами в нейтроноводном зале реактора ПИК ведется монтаж научных нейтронных станций. Одна из наших задач — создание научно-технического задела для формирования российско-немецкой платформы нейтронных установок для совместных исследований. Конечно, ПИК будет загружен полностью. Заявки на проведение исследований уже получены от нескольких крупных европейских институтов.
— И все же чем так интересен ПИК? Расскажите подробнее о его возможностях.
В.В. Воронин: Основная характеристика исследовательского реактора
— поток нейтронов. Поток — это количество нейтронов, которые
пересекают определенную площадь в единицу времени. Для
экспериментов с нейтронными пучками это ключевая
характеристика. Дело в том, что практически во всех экспериментах
важен суммарный поток, попавший на испытуемый объект.
Таким образом, любой эксперимент имеет
определенную продолжительность. И чем б льшую «дозу»
нейтронов должен объект получить, тем дольше должен продолжаться
эксперимент. Соответственно, если поток небольшой,
эксперимент длится долго, если поток высокий, можно либо провести
эксперимент быстрее, либо увеличить дозу. На маломощном реакторе
опыт может длиться месяц, а на высокопоточном — три-четыре
дня. Высокий поток нового реактора позволяет не
только активно использовать его нашим сотрудникам, но и
приглашать сюда другие исследовательские
коллективы. Здесь, примерно как в CERN, смогут работать многие
международные коллективы. В ближайшее десятилетие установка
ПИК будет лучшей в Европе в своем классе. Наши
зарубежные коллеги очень ждут пуска этого реактора.
— Почему нейтронный источник так интересен для физиков? Есть Большой адронный коллайдер, есть другие ускорители. Зачем еще один инструмент?
В.В. Воронин: Нейтрон — замечательная частица с уникальными свойствами. У него есть масса, есть магнитный момент, но нет электрического заряда. Потоком нейтронов можно «просвечивать» самые разнообразные материалы и получать сведения об их структуре. Если поток нейтронов поляризовать (сориентировать одинаково магнитные моменты всех нейтронов), вообще появляются исключительные возможности. Представьте себе, что у вас есть поток поляризованных нейтронов с точно известными параметрами. После прохождения этого потока через исследуемый образец стройность потока нарушается. Но, отследив изменения характеристик, можно с очень высокой точностью судить о том, что произошло с нейтронами в образце. По изменениям магнитной ориентации можно судить о магнитных свойствах вещества, по отклонению от исходной траектории — о структуре и т.д. То есть подобные эксперименты с нейтронным потоком дают нам некие базовые знания о свойствах материи. Это совершенно необходимо в современных биологии, материаловедении, медицине, исследованиях археологических артефактов, предметов искусства и др.
— В последнее время идет очень много разговоров о соотношении объемов фундаментальных и прикладных исследований, о значении фундаментальных исследований и их необходимости...
Д.Ю. Минкин: Это очень важный вопрос. Фундаментальная наука часто занимается тем, о чем человечество не просто ничего не знает, а даже и не понимает, нужно ли это изучать. Но это работа «про запас». Любая фундаментальная наука дает некое базовое знание. Это тот гумус, та почва, из которой произрастает все остальное. И чем лучше мы освоим эту базу, тем увереннее затем сможем заниматься новыми, абсолютно прикладными задачами. Так было и в атомном проекте, и в космическом. Изначально совершенно кабинетные исследования в итоге изменили лицо современной цивилизации.
— Хорошо, в результате фундаментальных исследований открыли бозон Хиггса. Ну и что? Ничего же не поменялось, реки продолжают течь, Солнце светит, конец света не случился, что это дало?
В.В. Воронин: И правда, реки вспять не потекли. Но изменения
произошли. И весьма существенные. Это открытие подтвердило, что
мы правильно понимаем происходящие процессы. В этом
смысле достоверность нашего знания повысилась. Когдато эти
исследования будут востребованы, но может пройти очень много
времени. Так устроена фундаментальная наука.
Фундаментальные исследования не нужны обычному
производителю, платить за определение времени жизни
нейтрона он не будет. Но вспомните, когда Майкла Фарадея
спросили, для чего может пригодиться проволочная рамка,
вращающаяся в магнитном поле, он ответил, что не знает,
может быть, для детских игрушек. Прошло каких-то 100 лет, и на
Земле не осталось уголка, где не крутились бы генераторы и
электромоторы. Результаты сегодняшних
фундаментальных исследований обязательно понадобятся. Может быть,
через 100 лет. Но если сегодня их не получить, через столетие
взять их будет неоткуда.
Д.Ю. Минкин: Есть еще очень важный момент. Как уже
говорилось, уникальные свойства нейтронного излучения делают его
универсальным методом для междисциплинарных исследований.
После ввода в эксплуатацию реактора ПИК наша страна сможет
занять одно из ведущих мест на мировых рынках оказания
высокотехнологичных услуг по использованию нейтронных
и ядерных методов в разработке новых материалов. То есть наличие
источника нейтронов дает конкретному научному центру, стране
эффективный способ изучения свойств вещества. Нейтронный или
синхротронный источники предназначены не только для одного
института, а для коллективного использования учеными из
российских и мировых научных центров. Такие мегаустановки в
современной науке — показатель научно-технологического потенциала
страны, ее конкурентоспособности и даже элемент национальной
безопасности.
В современной российской науке ввод в эксплуатацию реактора ПИК —
один из самых масштабных научных проектов.
— Вы сказали, что ПИЯФ НИЦ «Курчатовский институт» занимается в основном фундаментальными исследованиями. Но есть и прикладные работы. Каково их соотношение?
Д.Ю. Минкин: Соотношение фундаментальных и прикладных исследований примерно 4:1. Чрезвычайно интересное и очень востребованное направление прикладных исследований в институте — ядерная медицина. На базе большого протонного синхроциклотрона СЦ-1000 у нас была разработана методика облучения опухолей головного мозга. После этого воздействия медики провели около 2 тыс. операций с очень высоким процентом дальнейшего успешного излечения — порядка 80%. Некоторое время назад, в связи с техническим переоснащением нашего синхроциклотрона, мы эти работы приостановили, но планируем их возобновить в ближайшем будущем.
Второе, не менее интересное направление — производство радиоактивных фармацевтических препаратов. На новом изохронном циклотроне Ц-80 в ближайшее время будет налажено производство изотопов для диагностики и лечения онкологических, сердечно-сосудистых заболеваний. Это, конечно, прикладная, «доходоприносящая» деятельность.
Третье направление — тоже протонная терапия, но уже на базе маленького циклотрона. Здесь специализация — лечение онкологических заболеваний глаз.
Еще одна прикладная сфера — проведение доклинических испытаний различных препаратов. В Курчатовском институте есть база для проведения такого рода работ, в частности построен прекрасный виварий.
Если вернуться к соотношению фундаментальных и прикладных исследований, то и в биологической части оно примерно 2:1. Говоря о соотношении фундаментальных и прикладных исследований, нужно помнить, что прикладные всегда виднее, ярче, показательнее. Но без фундаментального знания они попросту невозможны.
Подготовил Дмитрий Зыков
