В ИЯФ СО РАН получили данные, востребованные для термоядерной энергетики

Ряд экспериментов на ускорительном источнике нейтронов VITA, которые позволили с высокой точностью измерить вероятности рождения тех или иных частиц в результате столкновения протона и дейтрона с литием и бором, провели ученые Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН), 6 ноября сообщает пресс-служба института.

Полученные физиками результаты пополнили базы данных сечений ядерных реакций (сечением ядерной реакции называется вероятность взаимодействия элементарной частицы с атомным ядром или другой частицей). Хотя новые данные являются фундаментальной информацией, но они также имеют и важное прикладное значение. Как пояснила старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Марина Бикчурина, «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)». Столкновение дейтрона и лития, исследованное в ИЯФ СО РАН, дает реакции, сопровождаемые выделением большого потока быстрых нейтронов, что используется, например, в материаловедении для тестирования образцов в экстремальных радиационных условиях. Другие интересные результаты были получены при исследовании реакций взаимодействия протона и бора. Одна из них проходит без выделения нейтронов, что позволяет физикам считать ее одной из возможных для создания безнейтронных термоядерных реакторов. Все полученные результаты исследователями были представлены в пяти статьях, опубликованных в журнале Nuclear Inst. and Methods in Physics Research B, в одной статье журнала Physics of Atomic Nuclei, а самые последние — в докладе «Применение ускорителя-тандема с вакуумной изоляцией VITA для измерения сечений ядерных реакций», который Марина Бикчурина прочитала на XXIX Международной конференции по ускорителям заряженных частиц (Russian Particle Accelerators Conference) RuPAC-25. Этот доклад Марины Бикчуриной получил первое место на проведенном в рамках конференции конкурсе молодых ученых. VITA — уникальный ускорительный источник нейтронов на основе ускорителя-тандема с вакуумной изоляцией и литиевой мишенью, созданный в ИЯФ СО РАН, генерирует пучки протонов и дейтронов, энергию которых можно варьировать от 100 килоэлектронвольт до 2,3 мегаэлектронвольта, а ток с точностью 0,4% от наноампер до 10 миллиампер. Он оснащен гамма, альфа и нейтронными спектрометрами и дозиметрами. Установка создавалась для развития методики бор-нейтронозахватной терапии (БНЗТ) рака. Кроме того, ее используют для тестирования материалов, которые предполагается использовать в экстремальных радиационных условиях, в том числе в термоядерных реакторах, а также в фундаментальных исследованиях по измерению сечений ядерных реакций и некоторых других приложениях. Первым исследованием ученых ИЯФ СО РАН по измерению ядерных сечений на установке VITA стало изучение свойств литиевой мишени, что было необходимо для развития метода БНЗТ. Ранее ученые установили, что, кроме основной реакции генерирования нейтронов, существует реакция с выделением вредных гамма-квантов. Также они получили данные по реакции протона с литием, происходящей с рождением двух альфа-частиц. «Следующими на очереди оказались реакции, проходящие в результате столкновения дейтрона с литием, — рассказала 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». Ранее полученные экспериментальные данные по этим реакциям у разных авторов сильно различаются, отметила Марина Бикчурина, поскольку в основном они были получены в 60-е годы XX века. Тогда детекторные технологии не были такими точными, как сейчас. Но во многих случаях нужна надежная информация, в том числе при радиационных испытаниях 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», — указала исследователь. Вклад в выход нейтронов второй измеренной реакции даже в резонансе оказался в 2,5 раза ниже, чем первой. Следующие две ученые ИЯФ СО РАН измеряли совместно с коллегами из «Проектного центра ИТЭР» (Росатом), в них выход нейтронов оказался еще ниже — в 8 и 13 раз соответственно. В настоящее время из шести нейтроногенерирующих реакций измерены все четыре реакции с литием-7 и запланированы измерения оставшихся двух реакций с литием-6. Хотя предполагается, что в них энергия и интенсивность генерируемых нейтронов окажется меньше, чем в реакциях с литием-7, к тому же и содержание лития-6 в природном литии заметно меньше, однако исследователи изготовили мишень из лития-6 и уже приступили к измерению одной из этих оставшихся неисследованными реакций. «Так как лития-7 в составе природного содержится 92,5%, мы можем говорить, что получили почти полную информацию о нейтронах, что вылетают из мишени. 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», — пояснила Марина Бикчурина. Кроме исследований с мишенью из лития, специалисты ИЯФ СО РАН провели измерения ядерных реакций столкновения протона с мишенью из бора. Ее разработали коллеги из Томска. Реакции после взаимодействия элементарной частицы протона с изотопом бор-11 идут без рождения нейтронов. Такие безнейтронные каналы распада особенно интересны для работ в области управляемого термоядерного синтеза. «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. Исследователи установили, что при взаимодействии протона с бором в основном реакция проходит в виде распада на альфа-частицу и ядро бериллия-8 в возбужденном состоянии и его последующего распада на две альфа-частицы. При этом вычисленное сечение этой реакции для двух углов существенно меньше значений, часто используемых 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», — завершила свой рассказ о проведенных исследованиях Марина Бикчурина. glavno.smi.today