Что станет российским мегапроектом: реактор ПИК, сверхмощный лазер или суперколлайдер?

24 июня правительственная комиссия отобрала шесть основных претендентов на проект уровня megascience в России. Проекты такого уровня в перспективе должны развиться в крупные центры международного сотрудничества, поэтому требования к кандидатам предъявляются суровые. Какие же проекты прошли отбор?

В настоящее время задачи фундаментальной науки невозможно решить силами одной страны, они требуют огромных финансовых затрат, инновационных технических решений и высококвалифицированной рабочей силы. Большой адронный коллайдер, токамак ITER, исследования космоса и многие другие проекты уровня megascience были бы невозможны без разностороннего вклада мирового научного сообщества. Активное участие в таких международных проектах принимают и российские научные группы. Возможно, через пару лет несколько установок megascience появятся и на территории России. В правительственную комиссию по высоким технологиям и инновациям, в которую вошли ведущие ученые академики РАН и директора НИИ, поступило 28 проектов, претендующих на уровень megascience. Они были выдвинуты крупными научными центрами РАН, МГУ, СПбГУ, ОИЯИ, НИЦ "Курчатовский институт", "Росатом", а также отдельными группами ученых.

Требования, которые выдвигаются комиссией к установке такого высокого уровня, очень жесткие. Во-первых, тематика проводимых исследований должна быть интересна не только российским ученым, но и их зарубежным коллегам, а также выходить за рамки современных научных знаний. Во-вторых, при выборе победителя в расчет будет взят не только высокий уровень научной квалификации участников, но и развернутое техническое, экономическое и финансовое описание самого проекта, а также его долгосрочный характер - не менее 10 лет. Но эти требования вполне понятны и закономерны, так как стоимость одной megascience-установки будет составлять от 100 тысяч до 2 миллиардов долларов. Частичное финансирование строительства и обслуживания проектов-победителей будет осуществляться за счет правительственных мегагрантов. Размер, условия и сроки выплат грантов пока точно неизвестны, скорее всего, они будут обусловлены особенностями конкретной установки. Но реально претендовать на победу смогут только те проекты, в развитие которых готовы вложить деньги зарубежные инвесторы, ведь основная идея проекта megascience заключается в том, что каждая из мегаустановок должна в конечном итоге развиться в крупный международный центр научного сотрудничества.

Более года проводилась ревизия имеющихся на территории России крупных научных установок, а также анализ зарубежных экспериментов, в которых принимают активное участие наши ученые. По результатам этого исследования 24 июня этого года комиссия под председательством Владимира Путина отобрала шесть основных претендентов на звание установки megascience.

Электростанция будущего

Токомак (тороидальная камера с магнитными катушками) "Игнитор" - совместный проект Италии и России, нацеленный на создание прототипа термоядерной электростанции будущего. Основной задачей проекта является достижение продолжительной термоядерной реакции с положительным балансом энергии. Для этого необходимо "зажечь" (англ. ignite) плазму внутри тора и выйти на такой режим работы, когда температура, необходимая для ее горения, поддерживается за счет протекания самой реакции. По мнению основателя проекта, академика MIT Бруно Коппи, только "горение" плазмы в сильном магнитном поле сможет обеспечить коммерческое использование термоядерной энергии. Работа "Игнитора" базируется на принципе омического нагрева. Для того чтобы началась термоядерная реакция синтеза гелия, нужно нагреть смесь дейтерия и трития до температуры свыше 100 миллионов градусов. А для предотвращения разрушения элементов конструкции камеры и удержания внутри нее плазмы используется сильнейшее магнитное поле. Технология омического нагрева основана на том, что это же магнитное поле создает в плазме посредством индукции мощный ток, и она, обладая сопротивлением, нагревается. Такой метод позволит существенно уменьшить физический размер термоядерной установки. Радиус плазменного тора "Игнитора" составит всего 1,3 метра, что сделает его существенно компактнее токамака ITER, хоть по проекту он должен быть значительно мощнее своего главного конкурента.

Сравнительный масштаб токамаков ITER и "Игнитор"

Проект планируется разместить на территории ТРИНИТИ - Троицкого института инновационных и термоядерных технологий, где в советские годы был создан ТСП - токамак с сильным полем, напоминающий по конструкции "Игнитор". Работы по строительству ТСП были заморожены, но инфраструктура и коммуникации соответствуют требованиям нового проекта.

"Золотой" долгострой

Высокопоточный пучковый исследовательский реактор ПИК - один из крупнейших и самых дорогих долгостроев СССР и России в области фундаментальных и прикладных исследований. Строительство реактора началось более 30 лет назад на территории Петербургского института ядерных исследований в Гатчине, а концепция его устройства была предложена еще в конце 60-х годов. Однако после Чернобыльской аварии строительство было приостановлено в связи с повысившимися требованиями к безопасности подобных объектов. Проект реактора доработали, но из-за проблем с финансированием первая загрузка топлива состоялась только в феврале этого года, а провести первые научные исследования станет возможно только в 2013 году.

Исследовательский нейтронный реактор ПИК

В мировой науке подобные реакторы используются в качестве сверхмощных микроскопов. Нейтроны дают возможность изучать свойства материалов "прозрачных" для гамма-лучей и рентгена, поскольку они взаимодействуют не с электронными оболочками атомов, а с атомными ядрами. Нейтронные исследования открывают принципиально новые возможности в области нанотехнологий, физики твердого тела, материаловедении, химии, медицине и промышленности: лечение онкологии, изучение поведения металла в процессе облучения на АЭС, свойства высокотемпературных сверхпроводников, изотопный состав вещества и многое другое.

Конструкция ПИКа аналогична современным зарубежным исследовательским реакторам; активная зона объемом около 50 л помещена в тяжеловодный отражатель и представляет собой компактный интенсивный источник нейтронов деления. Установка сможет выдавать нейтронный пучок с характеристиками, превышающими мировые аналоги, – 1015 нейтронов в секунду на квадратный сантиметр. На реакторе возможно одновременное проведение более 50 различных экспериментов. Уже заключен контракт с Германией о перемещении на ПИК шести высокоточных исследовательских установок стоимостью свыше 20 млн евро.

MARS в Курчатовском институте

MARS - источник специализированного синхротронного излучения четвертого поколения, который планируется создать в Курчатовском институте в Москве. В настоящее время на территории института работает синхротронный источник поколения 2+, а в мире существуют три установки 3-го поколения (США, Япония, Европа), а также лазеры на свободных электронах, спектр применения которых в науке схож по своим возможностям с синхротронными источниками.

Ускорительно-накопительный комплекс Курчатовского источника синхротронного излучения

Современные синхротронные источники обладают высокой степенью поляризации, непрерывностью спектра и большой интенсивностью, что позволяет использовать синхротронное излучение в спектроскопии, рентгеновском структурном анализе биологических объектов, для изучения оптической активности молекул, а также для фотолитографии и в производстве интегральных схем. В целом область применения фотонных источников излучения (синхротронов и лазеров) зависит от мощности установки. Источник синхротронного излучения нового поколения станет самым мощным среди существующих установок подобного уровня, но будет уступать европейскому рентгеновскому лазеру XFEL (X-RAY Free Electron Laser). Таким образом, он перекроет разрыв в области структурных исследований, образовавшийся между источниками третьего поколения и лазерами.

Коллайдер тяжелых ионов NICA

Строительство ускорительного комплекс-коллайдера тяжелых ионов NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility) ведется на территории Объединенного института ядерных исследований в Дубне на базе действующего ускорителя Нуклотрон. Целью проекта будет изучение перехода ядерной материи в кварк-глюонную плазму, а также свойств смешанной фазы этих состояний.

Коллайдер тяжелых ионов предполагается строить на базе ускорителя Нуклотрон

Исследования в этой области помогут ответить на вопрос о том, какие процессы происходили в ранней Вселенной незадолго после Большого взрыва. Относительно низкие энергии столкновения ядер золота (порядка 5,5 ГэВ на нуклон) позволят дубненским экспериментаторам увидеть эффекты, незаметные для сверхмощных коллайдеров БАК (CERN) и RICH (Брукхейвен). В настоящее время ведутся работы по модернизации систем Нуклотрона, а к 2015 году планируется завершить строительство сверхпроводящих колец коллайдера. Финансирование проекта ведется за счет 23-х стран-участниц ОИЯИ.

Сверхмощный лазер

Проект создания сверхмощного пятипетаваттного лазера PEARL (PEtawatt pARametric Laser) в Институте прикладной физики РАН в Нижнем Новгороде. В ИПФ уже имеется богатый опыт в области строительства крупных лазерных установок. Одиннадцать лет назад на территории этого института был построен первый в России лазер с титан-сапфиром в качестве рабочего вещества мощностью 1ТВт, а в 2006 году при финансировании "Росатома" был создан субпетаваттный лазерный комплекс, на базе которого планируется строительство проекта PEARL.

Субпетаваттный лазерный комплекс. Установка 2006 года

Интерес атомщиков к лазерной установке объясняется возможностью создания лазерного термоядерного синтеза, как альтернативы термоядерному реактору типа токамака. При помощи сверхвысокой интенсивности лазерного излучения можно обеспечить нагрев дейтерий-тритиевой мишени. При этом период удержания плазмы, необходимый для протекания реакции синтеза, составляет 10-10 секунды, что на 10 порядков меньше, чем в токамаке. Помимо участия в термоядерной программе, модернизированная установка PEARL может войти в состав панъевропейского проекта ELI (Extreme Light Infrastructure), который включает в себя строительство нескольких крупных лазерных комплексов на территории европейских государств для решения различных задач фундаментальной физики. В частности, на российском лазере могут быть исследованы эффекты нелинейности вакуума, а также процесс рождения электрон-позитронных пар при воздействии на вакуум  высокоэнергетического лазерного излучения.

Фабрика очарованных частиц

Электрон-позитронный коллайдер и "чарм-тау фабрика" в Институте ядерной физики СО РАН в Новосибирске. Проект в области фундаментальной ядерной физики, для реализации которого задумано строительство 800 метрового коллайдера и детектора частиц под территорией института. Новосибирский коллайдер сможет объяснить причину асимметрии между количеством вещества и антивещества во Вселенной. После Большого взрыва вещество и антивещество должны были образоваться в равных количествах, но в современном мире по непонятным причинам антивещество не наблюдается. Очарованные (англ. "charm") частицы - D-мезоны, "фабрикой" для создания которых станет новый проект, могут послужить ключом к разгадке этого явления. Данные, полученные на "чарм-тау фабрике", дополнят данные Большого адронного коллайдера,  поскольку для ответа на вопрос об асимметрии материи там изучают другой тип частиц – прелестные (англ. "beauty").

Электрон-позитронный коллайдер ВЭПП-2000 ИЯФ в Новосибирске

Эпитет тау в названии проекта происходит от названия еще одной исследуемой частицы – тау-лептона, процесс распада которого физики только начинают изучать. Проектом уже заинтересовались ученые из Италии, США и Японии, причем как строительством ускорителя, так и проведением экспериментов. Любопытно, что первый коллайдер - ускоритель на встречных пучках, получивший имя ВЭП-1, был придуман и построен именно в Новосибирском ИЯФ еще в 1960-х годах.

Среди проектов-финалистов, выдвинутых на соискание мегагранта, есть как чисто академические, так и более прикладные. Но помимо решения  задач фундаментальной науки, каждый из них может послужить толчком для развития новых технологий, привлечения зарубежных ученых в российскую науку, а также создания собственной научной школы.

Анна Максимчук,

научный сотрудник ОИЯИ,

специально для R&D.CNews.ru