На пределе ядерных сил: в НЦФМ изучают возможности «горючего воздуха»

Британский химик Генри Кавендиш открыл водород в 1766 году. Он назвал его «горючим воздухом», установив, что, смешиваясь с кислородом, этот газ очень хорошо горит. С тех пор ученые всего мира пытаются приручить силу водорода. О будущем водородных технологий рассказывает сопредседатель направления «Физика изотопов водорода» Национального центра физики и математики (НЦФМ), главный научный сотрудник Института ядерных исследований РАН академик РАН Игорь Ткачев.

Если в целом говорить о водородной энергетике, то «Росатом» проводит серьезные исследования для создания ее компонентов и решения разных задач: от получения и хранения водорода до транспортировки на большие расстояния и дальнейшего использования.

Направление НЦФМ «Физика изотопов водорода» занимается созданием единой теории водородной хрупкости материалов (см. глоссарий. — «СР»). На сегодняшний день существует около трех десятков гипотез водородной хрупкости, однако задача создания единой теории пока не решена.

Поведение материалов

В рамках нашей научной программы реализуются два проекта: «Исследования в области взаимодействия изотопов водорода с твердым телом» и «Фундаментальные исследования в области нейтринной физики и нейтроноизбыточных ядер с использованием изотопов водорода и гелия». В этих проектах особая роль отводится новым материалам для использования в водородосодержащих средах: в частности, ведутся работы по внедрению в практику аддитивных технологий — ​3D-печати сложных металлических конструкций методом послойного лазерного сплавления, ПЛС. «Росатом» занимает лидирующие позиции в России по этому направлению.

В своих исследованиях мы пытаемся понять, как будут работать полученные таким методом конструкции в водородосодержащих средах. Таких работ в мире крайне мало. Сегодня надо доказать, что конструкции, изготовленные ПЛС-методом, могут безопасно эксплуатироваться в водородосодержащих средах в целевом диапазоне давления и температуры.

Первые результаты наших исследований показывают, что при правильном построении стратегии 3D-печати стойкость исследуемых образцов в среде водорода мало отличается от стойкости образцов из материалов, полученных традиционными методами. Это открывает большие перспективы использования метода 3D-печати для изготовления сложных конструкций, работающих в среде водорода и его изотопов.

Гидридов много не бывает

Еще одна большая исследовательская работа, которую мы выполнили в 2022 году, связана с системами Ti-H и Ti-D (гидрид титана и дейтерид титана. — «СР») в условиях высокого давления водорода. Путем синтеза гидрида титана при давлении до 2,5 тыс. атмосфер получен гидрид титана с атомным отношением водорода к металлу до 2,15. Ранее считалось, что это отношение не может превосходить 2,0. Это означает, что открываются перспективы получения гидридов другого класса, так называемых cверхстехиометрических. Следует отметить, что установок, позволяющих получать достаточно большие образцы таких гидридов, в мире не так уж и много. У нас в стране только две — ​в МГУ и РФЯЦ-ВНИИЭФ (Российском федеральном ядерном центре «Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики». — «СР»).

Прикладное значение сверхстехиометрических гидридов может быть огромным: от использования сверхвысокого давления в компактных источниках водорода до, возможно, получения материалов со свойствами высокотемпературных сверхпроводников. Работы в этом направлении только начаты. В дальнейшем планируется получение гидридов титана с большим содержанием водорода и детальное изучение их свойств.

С прикладной точки зрения актуальной областью для водородной энергетики также является развитие мембранных технологий для селективного выделения, концентрирования и очистки водорода от различных газовых компонентов технологических смесей, используемых в нефтегазовой промышленности. Поэтому разработка и исследование материалов, обладающих высокой селективностью к водороду, не только интересны в научной плоскости, но и выгодны в коммерческом аспекте.

Тритий перспективный

Интересную задачу в рамках научной программы НЦФМ решают специалисты РФЯЦ-ВНИИЭФ. На базе фрагмент-сепаратора «Акулина‑2» в ОИЯИ (Объединенном институте ядерных исследований. — «СР») они разработали комплекс тритиевой инфраструктуры для изучения нейтроноизбыточных ядер.

Тритий, нестабильный изотоп водорода, распадается на гелий‑3, электрон и антинейтрино. Благодаря хорошо изученному спектру распада и малой конечной энергии распада — ​18,6 кэВ — тритий стал основным инструментом определения массы нейтрино. Дело в том, что если нейтрино является безмассовой частицей, то его спектр распада приходит в свою конечную точку с расчетной энергией 18,599 кэВ, а если у нейтрино имеется масса, то энергия конечной точки спектра распада будет меньше. По этому пути в 1949 году пошли экспериментаторы всего мира. Исследователи измеряют разницу между теоретически предсказанной энергией окончания спектра распада трития и фактически регистрируемой. В эксперименте KATRIN, который проводится в Германии в Лаборатории Карлсруэ, получено ограничение на массу нейтрино 0,8 эВ.

В НЦФМ, используя высокоинтенсивный источник нейтрино с активностью 10 МКи, собираются изучать электромагнитные свой­ства нейтрино. Планируется получить верхний предел на магнитный момент электронного нейтрино на уровне несколько единиц на 10⁻¹³ магнетонов Бора (см. глоссарий. — «СР»), что на два порядка лучше существующих на сегодняшний день ограничений. Задача очень амбициозная, ее решение позволит российской науке на несколько десятилетий опередить нынешний тренд получения экспериментальных данных в этой области.

Большую роль сыграл тритий в изучении явления мюонного катализа ядерных реакций синтеза. Коллаборация Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ, РФЯЦ-ВНИИЭФ и входящих в НИЦ «Курчатовский институт» Петербургского института ядерной физики и Института теоретической и экспериментальной физики провела самые обширные экспериментальные исследования этого явления в большом диапазоне плотности, температуры и концентрации трития. Давление изотопов водорода в экспериментах достигало 2,5 тыс. атмосфер, температура менялась в пределах 20–800 К. Результаты исследований мюонного катализа позволили верифицировать теорию многочастичного взаимодействия, что позволяет решать ряд задач теоретической физики с точностью 10⁻⁷.

И ядрам нужна стабильность

Тритий также первый в таблице Менделеева нейтроноизбыточный элемент: соотношение нейтронов и протонов — ​2:1. В связи с этим он уникальный объект для исследования нейтроноизбыточных ядер. Специалисты Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ и РФЯЦ-ВНИИЭФ успешно использовали это обстоятельство для изучения свой­ств таких нейтроноизбыточных элементов, как водород‑4, водород‑5 и гелий‑10.

В изучении нейтроноизбыточных и нейтронодефицитных ядер приоритетом на протяжении последнего полувека было и остается продвижение к границам ядерной стабильности. Исследование свой­ств этих ядер имеет важное значение для понимания ядерных сил, астрофизических процессов и формирования ядер химических элементов. Вопрос о нахождении границы стабильности тесно связан с вопросом о пределах существования ядерной материи. Считается, что граница ядерной стабильности определяется теми нуклидами, для которых энергия отделения ядерных фрагментов (одного нуклона, нескольких нуклонов, альфа-частицы, более тяжелого кластера) становится положительной.

Экспериментальные исследования будут проводиться с комплексом криогенных мишеней и интенсивных радиоактивных пучков на новом фрагмент-­сепараторе «Акулина‑2» при ускорителе тяжелых ионов У‑400М. К их преимуществам в сравнении с мировыми аналогами следует отнести диапазон низкой энергии радиоактивных пучков (от 5–7 МэВ на нуклон до 50 МэВ на нуклон), удобный для изучения прямых ядерных реакций; уникальную возможность работы с криогенными мишенями изотопов гелия и водорода, включая тритий, в широком диапазоне толщины (от 10¹⁹ до 10²¹ атомов на 1 см²), достигаемом за счет выбора фазового состояния вещества — ​газ или жидкость; длительные экспозиции — ​месяц и более.

С середины 2020 года ведется модернизация ускорителя У‑400М, нацеленная на увеличение стабильности работы, повышение энергии, интенсивности и качества пучков тяжелых ионов. В 2022 году создана тритиевая инфраструктура, в этом году ее аттестуют и постепенно вводят в эксплуатацию. Планируется, что с 2024 года программа исследований с пучками радиоактивных ядер возобновится на качественно новом уровне и будут исследованы свой­ства нейтроноизбыточных ядер водорода‑7, гелия‑10, лития‑13, бериллия‑14, бериллия‑16, кислорода‑26 и др.

В этом же направлении в рамках научной программы НЦФМ планируется создание низкофоновой нейтринной лаборатории, аккредитованной для работы с интенсивным тритиевым источником. Она будет включать три типа детекторов нейтринных событий, имеющих рекордные в своем классе характеристики по порогу регистрации: низкотемпературный сцинтилляционный SrI(Eu) с порогом регистрации менее 100 эВ; криогенный кремниевый, работающий при температуре несколько десятков милликельвинов с порогом регистрации несколько электронвольтов; жидкогелиевый, работающий при температуре несколько десятков милликельвинов с порогом регистрации менее 100 мэВ. В лаборатории планируется проводить и теоретические, и расчетные исследования, сопутствующие созданию детекторов, и теоретические исследования в области нейтринной физики.

Молодежь в теме

Важная тема для нас сейчас — ​привлечение талантливой молодежи в науку и, соответственно, обеспечение кадрами проектов в рамках направления «Физика изотопов водорода». Постепенно задачи решаются, в том числе благодаря школе для студентов и молодых ученых «Взаимодействие изотопов водорода с конструкционными материалами», которую мы проводим уже более 15 лет.

Школа позволяет показать начинающим исследователям проблемы, стоящие перед направлением, передать уникальные знания, опыт, наработки старшего поколения — ​ведущих ученых в этой области знаний. Многие студенты и молодые ученые, участвовавшие в работе школы, защитили кандидатские диссертации, подготовили докторские. Они уже сами читают лекции на школе. Вообще, там царит особая атмосфера, дружеская и открытая, любой студент может в спокойной обстановке задать все свои вопросы маститому профессору. И как правило, участники школы остаются в тематике. То есть усилия по ее организации потрачены не зря.

СЛОВАРЬ

Водородная хрупкость — ​совокупность отрицательных явлений, вызванных повышенным содержанием водорода в металле. Истинный механизм этого явления остается неизвестным. В научном сообществе существует два принципиально разных мнения. Первое: водород провоцирует хрупкое разрушение металла. Второе: водород в микрообъеме не охрупчивает, а, наоборот, пластифицирует материал, и на микроскопическом уровне рост трещин происходит скорее по вязкому механизму.

Магнетон — ​единица измерения магнитного момента тяжелых частиц (то есть их способности создавать и воспринимать магнитное поле) в физике атома, атомного ядра и элементарных частиц.

Ядерная стабильность — ​свойство, благодаря которому ядра остаются единицами вещества и не распадаются спонтанно. Зависит от соотношения протонов и нейтронов в ядре и от их энергетических уровней. Протоны и нейтроны — ​основные строительные блоки ядер. Протоны определяют химические свой­ства элемента, нейтроны — ​изотоп. Если их соотношение неоптимально, ядро может стать нестабильным и распасться.

Нейтринные события — ​появления нейтрино в космосе в результате радиоактивного распада (в момент Большого взрыва, вспышки квазаров, термоядерной реакции на Солнце и др.). С помощью детекторов на Земле ученые регистрируют нейтринные события и пытаются найти их источник.