Мощные нейтронные источники с интенсивностью 1015–1021 н/c на основе ядерных и термоядерных реакций являются высокотехнологичными устройствами с уникальными физическими и инженерными характеристиками [1]. Предназначенные для производства одного из наиболее загадочных объектов материи – нейтрона, эти устройства представляют собой инструмент, который открывает широкие возможности изменения элементного состава вещества, освобождения ядерной энергии и проникновения в сплошные среды.
Изменения состава химических элементов происходят в ядерных реакциях на расстояниях масштаба фемтометров (один фемтометр равен 10–15 м). Главным участником большинства ядерных реакций является нейтрон. Физический размер свободного нейтрона составляет около 1.14 фм, а размеры ядер химических элементов изменяются от 0.42 фм для протона до 15 фм у ядра урана. Учитывая характерные размеры участвующих в ядерных реакциях объектов, естественно назвать использование протекающих на масштабах фемтометров процессов фемтотехнологиями. Отметим, что в нанотехнологических процессах, затрагивающих структуры значительно большего масштаба ~10–9 м, элементный химический состав не изменяется.
Фемтотехнологии – это тот современный уровень проникновения вглубь материи, на котором становится возможным практически реализовать мечту средневековой алхимии: реакции глубокого расщепления способны не только решить задачу преобразования свинца в золото, но и создать из свинца, ртути или вольфрама всю таблицу элементов Менделеева.
Сегодня основными потребителями мощных нейтронных потоков являются нано‑ и биотехнологии, материаловедение, военная и фундаментальная наука. В ближайшей перспективе (10–20 лет) внедрение мощных источников нейтронов возможно в энергетических системах “синтез–деление” для производства водорода, электроэнергии, технологического тепла, а также для производства искусственного ядерного топлива и замыкания ядерного топливного цикла. Выход нейтронных источников на уровень производства 1020 н/c может вызвать глобальные изменения структуры современной энергетики, иметь значительное воздействие на фундаментальную и прикладную науку, и на инновационные технологии.
Наряду с использованием образующейся при реакциях синтеза термоядерной энергии, достижение указанного уровня интенсивности нейтронов может инициировать массовое внедрение подкритических быстрых ядерных реакторов, управляемых такими нейтронными источниками. Сверхмощные нейтронные источники позволят решить многочисленные задачи нейтронной диагностики,мониторинга нано‑ и био-объектов, обеспечат проведение радиационных испытаний и модификацию объемных свойств материалов на промышленном уровне. Такие источники значительно (до 100 раз) повысят достигнутую точность экспериментов в области нейтронной физики, позволят лучше понять строение материи, в том числе и самого нейтрона.
Преподаватели, сотрудники, аспиранты и студенты кафедры физики плазмы активно участвуют в проекте создания демонстрационного термоядерного источника нейтронов (на картинке — DEMO-FNS), который идет в Российском Научном Центре «Курчатовский институт» [2-7].
Литература.
- Б. В. Кутеев, П. Р. Гончаров, В. Ю. Сергеев, В. И. Хрипунов МОЩНЫЕ НЕЙТРОННЫЕ ИСТОЧНИКИ НА ОСНОВЕ РЕАКЦИЙ ЯДЕРНОГО СИНТЕЗА ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2010, том 36, № 2, с. 1–40.
- Kuteev B.V. etal2011 Steady-state operation in compact tokamaks with copper coils Fusion51 073013.
- В.Ю. Сергеев и др. КОНЦЕПЦИЯ ДИВЕРТОРА ТЕРМОЯДЕРНОГО ИСТОЧНИКА НЕЙТРОНОВ НА ОСНОВЕ СФЕРИЧЕСКОГО ТОКАМАКА (ТИН-СТ) ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2012, том 38, № 7, с. 571–590.
- KUTEEV, B.V., etal., “Development of DEMO-FNS Tokamak for Fusion and Hybrid Technologies”, Nucl. Fusion55 (2015) 073035.
- DNESTROVSKIJ, A.Yu., et al., “Integrated Modelling of DEMO-FNS Current Ramp-up Scenario and Steady State Regime”, Nucl. Fusion55 (2015) 063007.
- SERGEEV V. Yu., etal. “Design of Divertor and First Wall for DEMO-FNS”, Nucl. Fusion55 (2015) 123013.
- GONCHAROV, P.R., “Spectra of Neutrons from a Beam-Driven Fusion Source”, Nucl. Fusion55 (2015) 063012.