Сегодня в России строят несколько новых научно-экспериментальных центров мирового уровня. Они помогут обеспечить нашей стране технологический суверенитет. Давайте посмотрим на ключевые проекты "Десятилетия Науки и Техники".
Федеральной научно-технической программой (ФНТП) развития синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры предусмотрено создание распределенной сети научных центров на базе источников синхротронного излучения (СИ) и нейтронов. Это подразумевает создание:
1. Уникального источника синхротронного излучения четвертого поколения с рентгеновским лазером на свободных электронах «СИЛА» (Протвино)
2. Глубокую модернизацию единственного в России специализированного источника синхротронного излучения «КИСИ-Курчатов» (Москва)
3. Создание исследовательских станций международного центра нейтронных исследований на базе высокопоточного реактора «ПИК» (Гатчина)
4. Источника синхротронного излучения поколения 4+ «СКИФ» (Кольцово)
5. Синхротрона «РИФ» на острове Русский (Владивосток)
6. В Сарове ведут работы над сверхмощным лазеров УФЛ-2М и проектируют перспективную систему "Искра-6". А в Курчатовском институте недавно получили плазму на модернизированном термоядерном токамаке Т-15МД.
7. Нейтринный телескоп на Байкале Baikal-GVD
8. NICA - еще один ускоритель в Объединенном институте ядерных исследований
Кроме того, в рамках ФНТП создается Научно-образовательный центр ядерной медицины, который включает в себя комплекс протонной лучевой терапии и первый в России комплекс ионно-лучевой терапии на базе протонного ускорителя У-70 в Протвино, онкоофтальмологический комплекс на базе циклотрона в Гатчине, комплекс для производства радиоизотопов в Москве и Гатчине. В сотрудничестве с научными и медицинскими организациями будет проводиться клиническая апробация современных методов диагностики и лечения, а также нового отечественного оборудования. Научный руководитель программы – Национальный исследовательский центр (НИЦ) «Курчатовский институт». Все проекты ФНТП имеют большой потенциал для международного сотрудничества.
1. СКИФ
Ликвидировать пробел в строительстве передовых синхротронов решили сразу перейдя к строительству установки поколения 4+. На данный момент выпущен первый из 64 магнитов для нее, а весной 2023 году планируется выпустить уже полный комплект (ссылка).
"В ближайшее время мы проведём все измерения, сделаем выводы по коррекциям и поправим первую версию магнита, запустим серийное производство всех 65 магнитов (64 основных и один запасной). Планируется, что весной 2023 года они будут готовы", – сообщил старший научный сотрудника ИЯФ СО РАН Сергей Синяткин.
ЦКП "Скиф" – источник синхротронного излучения поколения 4+, который представляет собой ускоритель, где частицы движутся по кольцу в вакууме почти со скоростью света, а мощные электромагниты придают им энергию и задают траекторию движения. Стоимость проекта - 47,3 млрд рублей. Ориентировочно уже к концу 2023 года планируется начать опытную эксплуатацию первой очереди установки.
В Томском политехническом университете молодые ученые прошли обучение по синхротронному и нейтронному излучению. Исследования с его использованием стали неотъемлемой частью работы ученых и инженеров во всем мире. Слушатели из Сибири, Дальнего Востока и Башкирии участвовали в программе повышения квалификации "Генерация синхротронного и нейтронного излучения для исследования свойств материалов".
"Она состоит из двух этапов: курса онлайн-лекций и очных практических занятий", - рассказал "РГ" руководитель отделения экспериментальной физики Инженерной школы ядерных технологий университета Андрей Лидер. Молодые ученые узнали об основных свойствах и способах генерации синхротронного и нейтронного излучения, познакомились с методами исследования свойств материалов, современными методами структурной диагностики веществ.
2. «КИСИ-Курчатов». Существующая установка проходит очередной этап модернизации.
3. РИФ
Во Владивостоке на острове Русский к 2027 году планируют запуск нового источника синхротронного излучения РИФ. Его станции будут создавать и обслуживать сотрудники Дальневосточного федерального университета. Томский политех совместно с партнерами разрабатывает одну из станций Сибирского кольцевого источника фотонов - "Микрофокус". Это крупнейший в России проект научно-исследовательской инфраструктуры за последние десятилетия. Ядром проекта является источник синхротронного излучения поколения 4+, относящийся к классу мегасайенс. Его параметры можно назвать рекордными для мировой науки.
4. СИЛА
Флагманский проект программы – «СИЛА» («СИнхротрон ЛАзер»). Это междисциплинарная установка класса «мегасайенс» для исследований по целому ряду направлений физики, химии, материаловедения, биологии и медицины. Ее уникальность – в объединении кольцевого ускорителя (источника синхротронного излучения) и рентгеновского лазера на свободных электронах в единую исследовательскую инфраструктуру. В экспериментальном зале «СИЛА» разместится более 50 исследовательских станций и лабораторий. Параметры источника «СИЛА» будут превосходить крупнейшие синхротроны мира: периметр основного накопителя – более 1100 м, энергия электронов – 6 ГэВ, широкий диапазон энергий СИ – от десятков электронвольт до сотен килоэлектронвольт, высокая яркость и пространственная когерентность. Такие характеристики позволяют изучать динамику различных систем со сверхвысоким фемтосекундным разрешением по времени и открывают новую область пространственно-временных масштабов.
5. NICA - еще один коллайдер в подмосковной Дубне
Исследование свойств ядерной материи в ее различных состояниях – одна из главных задач физики высоких энергий. Согласно современным теоретическим представлениям, в ходе эволюции Вселенной существовавшая на ее ранних этапах кварк-глюонная плазма при расширении и остывании перешла в адронную фазу. Во время перехода вещество находилось в состоянии так называемой смешанной фазы, которая до сих пор очень слабо известна ученым. Для ее изучения Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ) в подмосковной Дубне запустил проект NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility), позволяющий воссоздать материю в экстремальных условиях ее фазовых переходов. NICA позволит расширить знания о развитии Вселенной и даст основу для разработки перспективных технологий.
NICA – международный проект класса «мегасайенс», реализуемый в рамках нацпроекта «Наука и университеты». Он включает в себя коллайдер тяжелых ионов и поляризованных легких ядер на базе Дубненского сверхпроводящего ускорителя «Нуклотрон», который станет источником пучков для коллайдера. «Нуклотрон» способен разгонять и сталкивать пучки протонов и тяжелых ионов вплоть до очень массивных ионов золота. Планируемая кинетическая энергия ионов достигнет 4,5 ГэВ/нуклон, а протонов – 12,6 ГэВ. В точках столкновения встречных пучков будут размещены два детектора.
Работа комплекса NICA нацелена на исследование горячей и плотной сильно взаимодействующей материи и поиск возможных проявлений признаков смешанной фазы. Как известно, в сильно нагретом или сжатом веществе могут происходить фазовые переходы в новое состояние: классический пример – превращение воды в пар при кипении в чайнике, при котором под крышкой одновременно находятся вода и пар – тоже своего рода «смешанная фаза». Если сжимать или нагревать ядерную материю, в ней может возникнуть переход из адронной фазы в состояние кварк-глюонной плазмы. Для целей экспериментов нужна очень высокая плотность вещества. NICA позволит достичь максимально возможной в лабораторных условиях Земли барионной плотности ядерной материи, возникающей в результате столкновения тяжелых ионов.
Важный нюанс заключается в том, что энергию ионов при этом нужно поддерживать на сравнительно невысоком уровне. Она должна быть гораздо ниже, чем, например, на Большом адронном коллайдере: европейская установка нацелена на достижение максимальной энергии пучков, вот почему там такие эксперименты были бы малопродуктивны. Коллайдер NICA заточен под другие задачи.
Проект позволит проводить такие фундаментальные исследования, как поиск и изучение новых, не наблюдавшихся ранее форм сверхплотной барионной материи, поиск причин, почему мир состоит только из вещества при полном отсутствии антивещества в нашей части Вселенной. Кроме того, инфраструктуру комплекса можно будет использовать для инновационных работ по таким прикладным направлениям, как медицинские и радиобиологические исследования, в том числе для лечения онкологических заболеваний, улучшение параметров сверхпроводящих магнитов, создание радиационно-стойкой микроэлектроники и систем защиты для пилотируемой космонавтики и многие другие. NICA станет центром международной научной кооперации: это первый российский проект, включенный в «дорожную карту» Европейского стратегического форума по исследовательским инфраструктурам.
6. Нейтринный телескоп Baikal-GVD
Еще один важнейший «мегасайенс»-проект ОИЯИ – Байкальский глубоководный нейтринный телескоп Baikal-GVD, официальный запуск которого состоялся в марте прошлого года. Это коллаборация ОИЯИ и Института ядерных исследований (ИЯИ) РАН, а всего в проекте принимают участие более 70 ученых и инженеров из 11 международных научных центров.
Телескоп расположен в Южной котловине озера Байкал на расстоянии 3,5 км от берега на глубине 750–1300 м. Научная установка похожа на сеть из тросов, на которые нанизаны стеклянные шары-детекторы – оптические модули, регистрирующие черенковское излучение. Baikal-GVD – один из трех нейтринных телескопов в мире и наряду с телескопами IceCube на Южном полюсе и KM3NeT в Средиземном море входит в Глобальную нейтринную сеть (Global Neutrino Network, GNN).
Обсерватория предназначена для регистрации и исследования потоков нейтрино сверхвысоких энергий от астрофизических источников. С его помощью ученые смогут изучать процессы с огромным выделением энергии, которые происходили в далеком прошлом, а также эволюцию галактик, формирование сверхмассивных черных дыр и механизмы ускорения частиц.
Сейчас эффективный объем телескопа для регистрации астрофизических нейтрино с энергией в области 1 ПэВ составляет 0,4 куб. км. Проект будет развиваться и дальше – в его основе лежит модульная система, поэтому к установке можно добавлять новые кластеры и тем самым увеличивать мощность телескопа. Планируется, что объем установки к 2027 году должен составить около 1 куб. км.
Уже к концу 2021 года нейтринный телескоп на Байкале показал высокий научных результат. С разницей в 4 часа Baikal-GVD и его коллега IceCube на Южном полюсе зафиксировали сигнал от нейтрино, происходящих из одного источника – радиоблазара PKS 0735+17. Впервые два крупнейших в мире нейтринных телескопа обнаружили нейтрино в двух разных полушариях от одного и того же возможного источника. В ходе Десятилетия науки и технологий обсерватория продемонстрирует еще немало достижений.
7. Царь-лазер УФЛ-2М для термоядерной энергетики, модернизация токамака Т-15МД и работа над установками Искра-5/6.
Речь идет об установке УФЛ-2М, ее первая очередь из 64 лазеров была запущена еще в 2020 году. Также ее называют «царь-лазером». Как только оставшаяся часть будет введена в работу (192 лазерных луча), УФЛ-2М будет способна генерировать мощность 2,8 мегаДжоуля.
Сегодня самой мощной лазерной установкой является американская NIF, которая также имеет 192 лазера, но их совокупная мощность только 1,8 мегаджоуля, то есть в 1.5 раза меньше.
Эксперименты, которые были проведены на установке NIF в США, показали, что система не может обеспечить необходимую однородность облучения центральной капсулы. Наша система облучения иная, она уже практически сферически симметрична. Имея предыдущий опыт экспериментов, у нас есть все шансы добиться желаемого – зажигания термоядерных реакций в мишенях – первыми в мире, - пояснял Гаранин.
8. Ядерный реактор на быстрых нейтронах БН-1200М, демонстратор реактора полного цикла Брест-ОД 300 и не только.
Росатом планомерно реализует целый ряд НИОКРов и по традиционной ядерной энергетике.
Проект Брест-ОД 300 реализуется в виде строительства демонстрационного комплекса, состоящего из заводов переработки ОЯТ и фабрикации топлива в замкнутом топливном цикле, и экспериментального реактора БРЕСТ-ОД-300 мощностью 300 МВт.
Реактор БН-1200 должен стать самым мощным из построенных на быстрых нейтронах. К 2022 год основную часть технических проблем на пути разработчиков удалось решить. Производство МОКС-топлива для реакторов серии БН было начато в 2018 году. Работы по нитридному топливу успешно продвинулись вперёд и планируются к сдаче в 2024 году. Эти работы могут послужить основой цикла рефабрикации топлива. Также Росатом реализует целый ряд других проектов, например МБИР - это многоцелевой исследовательский реактор 4 поколения на быстрых нейтронах. Самый мощный исследовательский реактор из ему подобных.
Вместо вывода.
Помимо национальных проектов класса мега-саенс, в рамках действующих крупных международных проектов (XFEL – рентгеновский лазер на свободных электронах в Германии, ESRF – Европейский источник синхротронного излучения во Франции, CERN – Европейская организация ядерных исследований в Швейцарии, включающая Большой адронный коллайдер, ITER – Международный экспериментальный термоядерный реактор во Франции) Россия продолжает выполнять все принятые обязательства и остается полноценным участником, несмотря на ограничения в получении виз для российских ученых и усложнение логистики.
Эти проекты созданы при ключевом участии нашей страны и не смогут полноценно развиваться без опоры на сотрудничество с Россией. Это понимают и наши иностранные коллеги. Наша задача – сохранить сотрудничество в области науки и технологий. Так что совсем без передовых технологий не останемся, по крайней мере опыт в реализации фундаментальных проектов без прямой коммерциализации у нашей страны имеется, а как минимум базовое финансирование было в последние годы все же получено, на пустом месте "мега-науку не перезапустишь".
