Ученые Лаборатории нейтронной физики им. И. М. Франка ОИЯИ занимаются разработкой уникального изобретения – накопителя холодных нейтронов, который позволит повысить плотность потока нейтронов на выходе из реактора до 200 раз. Нейтроны, как известно, трудно уловимы и легко поглощаются окружающим веществом. Создание своеобразной «ловушки» для них повысит эффективность решения фундаментальных задач физики микромира и космологии, а также ускорит проведение материаловедческих измерений магнитных гетероструктур.

Сейчас в ОИЯИ началось создание нового импульсного реактора НЕПТУН (ИБР-3). Его плотность потока нейтронов будет превышать в 10 раз плотность на существующем реакторе ИБР-2, что мотивировало ученых решить задачу существенного повышения плотности нейтронов за счет создания накопителя.

Ведущий научный сотрудник Сектора нейтронной оптики ЛНФ ОИЯИ, д. ф.-м. н. Юрий Васильевич Никитенко

«Увеличение плотности нейтронов и времени существования нейтронов в силовом поле гравитационной, ядерной, электромагнитной или другой природы позволяет решать фундаментальные задачи физики элементарных частиц и космологии. К ним относятся время жизни нейтрона по отношению к бета-распаду и время перехода нейтрона в так называемый зеркальный нейтрон. Предполагается, что зеркальный нейтрон и другие зеркальные элементарные частицы могут относиться к темной материи, над разгадкой природы которой сейчас работают ученые», — прокомментировал значимость нового изобретения его автор Юрий Никитенко. Он пояснил, что точность измерения времени жизни нейтрона в накопителе может быть увеличена в несколько раз, а достижимое измеримое значение вероятности процесса перехода нейтрона в зеркальный нейтрон уменьшено на два порядка.

Работы по рассмотрению возможности создания накопителя нейтронов для НЕПТУН в ЛНФ ОИЯИ были начаты в 2021 году по предложению член-корреспондента РАН Виктора Аксенова. «Расчеты показали, что плотность нейтронов в кольцевом накопителе с материальными стенками может быть увеличена в 200 раз, а время удержания нейтронов, то есть время существования нейтронов в накопителе, приближается ко времени его бета-распада – 878 секундам», — добавил автор. Он сравнил количество нейтронов, удерживаемых при использовании накопителя, с 2000-мегаваттным источником нейтронов непрерывного действия, тогда как сейчас мощность существующих источников не превышает 100 МВт.

Идея создать накопитель для удержания нейтронов впервые появилась около 60 лет назад: в 1962 году была опубликована статья выдающегося физика В. В. Владимирского о магнитном кольцевом накопителе нейтронов. В этой статье впервые было показана возможность создания тороидального (кольцевого) накопителя нейтронов. Тогда идея не получила практического воплощения, и до настоящего времени накопителей холодных нейтронов в мире все еще не создано. Позднее в советские годы различные исследователи пробовали создать различные накопители для ультрахолодных нейтронов (УХН), в том числе ловушки не кольцевой формы, однако малая энергия УХН и, соответственно, плотность потока оказалась недостаточной для практической реализации некоторых задач. Первые же идеи о создании накопителя холодных нейтронов зародились у автора нынешнего изобретения в 1978 году – тогда разработка также не дошла до практической реализации на пучке реактора.

Схема изобретения (в горизонтальной плоскости). 1 — источник нейтронов; 2 — первый замедлитель; 3 — вакуумная камера; 4 — нейтроноводный канал; 5 — боковая материальная внешняя стенка нейтроноводного канала; 6 — боковая внутренняя граница нейтроноводного канала в вакууме между заполняемым нейтронами объемом и областью без нейтронов; 7 — затвор; 8 — второй замедлитель; 9 — траектория нейтрона в нейтроноводном канале

В новом изобретении, в отличие от идеи Владимирского, предлагается создать накопитель с материальными стенками. Владимирский рассматривал магнитный накопитель, где стенками для удержания нейтронов является магнитное поле. Это принципиально другой накопитель, в котором могут накапливаться только поляризованные нейтроны, что не позволяет его использовать при изучении таких явлений, как преобразование нейтронов в антинейтрон или зеркальный нейтрон. В настоящем же изобретении удерживать нейтроны будет материальная стенка, что не подразумевает под собой подобных ограничений. Накопитель включает в себя два замедлителя нейтронов, нейтроноводный канал прямоугольного сечения, а также затвор.

Стенки нейтроноводного канала будут состоять из материала, хорошо отражающего нейтроны. Пока этот материал окончательно не определен. В качестве вариантов рассматриваются стекло или медь, а на поверхность стенок будет нанесено техническое фторсодержащее масло, которое, охлаждаясь, образует однородную пленку, что также дополнительно уменьшит поглощение нейтронов стенками накопителя.

Схема изобретения (в вертикальной плоскости в зоне затвора и второго замедлителя:). 3 — вакуумная камера; 4 — нейтроноводный канал; 6 — боковая внутренняя граница нейтроноводного канала в вакууме между заполняемым нейтронами объемом и областью без нейтронов; 7 — затвор; 8 — второй замедлитель; 10 — верхняя материальная стенка нейтроноводного канала; 11 — нижняя материальная стенка нейтроноводного канала

В дальнейшем планируется сделать из стекла и меди модель накопителя, которая будет испытана на пучках реактора ИБР-2. В ходе реализации проекта в него будут внесены необходимые коррективы: какого типа затвор и замедлитель будут использоваться на входе в накопитель. Однако сама схема накопителя принципиально останется такой, как в изобретении.

«Наша первая задача — сделать модель: определить характеристики и то, как они соответствуют расчетам. Это довольно длительный процесс, поэтому модель планируется испытывать на ИБР-3. Но у нас есть запас по времени, так как НЕПТУН будет ориентировочно создан через 15-20 лет. Мы рассчитываем, что к этому моменту и наш накопитель достигнет параметров, позволяющих разместить его на новом исследовательском реакторе», — заключил Юрий Никитенко.

В команду занятых задачей создания накопителя нейтронов входят молодые физики: кандидат наук Владимир Жакетов и аспирант МГУ Евгений Колупаев. 10 июня 2022 года Объединенным институтом ядерных исследований был получен патент на изобретение № 2772969 «Накопитель холодных нейтронов».