ЗМОУ «Средняя школа №1»

Содержание стр.

Введение

Необходимость исследования природы солнечных нейтрино................. 2

Основная часть

1. Уникальный международный проект......................................................... 6

2. Новые грани возможностей быстрого реактора.................................... 8

3. Задача получения источника нейтрино..................................................... 8

4. Основные этапы проделанной работы ..................................................... 10

Заключение

Перспективные планы исследований ........................................................... 11

Приложение

Фотоснимки различных этапов эксперимента на Белоярской АЭС

Введение

Необходимость исследования природы солнечных нейтрино

Не одно десятилетие ученых всего мира волнует вопрос сведения баланса материи во Вселенной. Сегодня имеются очень мощные инструменты для того, чтобы понять: где мы находимся, что нас окружает?

В истории цивилизации человечества можно выделить ряд этапов. Первый - это оптическая астрономия. Следующий этап был в начале прошлого века, в 30-е годы, когда возникла радиоастрономия. Мы увидели мир в свете радиочастот. Последние несколько десятилетий развивается новое направление – это нейтринная астрономия.

Нейтрино – это элементарная частица, не имеющая электрического заряда, почти или совсем ( великие умы мира пока спорят ) лишенная массы и движущаяся почти ( или совсем ) со скоростью света. В переводе с итальянского: «маленький нейтрон».

Нейтрино зарождаются триллионами в ядерных печах звезд типа нашего Солнца. Они двигаются через Вселенную, и миллиарды их проходят сквозь вещество, включая людей, каждую секунду. Сколько нейтрино приходит на нас? Да мы просто живем в гигантском непрерывном нейтринном потоке. Каждую секунду на 1 квадратный сантиметр поверхности Земли проходит десять в десятой степени нейтрино. Это более 10 миллиардов. И это доказано экспериментально. Но какое влияние оказывают нейтрино на биологические объекты пока неизвестно.

Нейтрино вместе с электронами и кварками являются элементарными частицами согласно стандартной физической модели. Однако, нейтрино сложно зарегистрировать. Легко образующиеся в ядерных реакциях и при столкновении частиц они могут переходить через всю землю без единого взаимодействия с веществом.

Чтобы получить «нейтринное изображение Солнца» регистрируют нейтрино, рожденные в ядерных реакциях в недрах Солнца.

Призрачные нейтрино подвержены квантовым осцилляциям, при которых тождественность и квантовые свойства меняются со временем. Теоретики рассматривали нейтрино как безмассовую частицу, но эти осцилляции возможны лишь, когда нейтрино все же имеют очень малую массу.

Астрофизики приняли это к сведению, поскольку даже при небольшой массе вездесущих почти не регистрируемых нейтрино, они могут давать существенный вклад в полную массу Вселенной, влияя и возможно определяя ее судьбу.

Существует теория, которая связывает массу нейтрино с ускоряющимся расширением Вселенной. Сделано два самых крупных достижения физики за последние десятилетия:

- открытие того, что нейтрино имеют небольшую массу, и

обнаружено ускорение расширения Вселенной.

Эти два открытия могут быть связаны с одной из самых странных особенностей Вселенной – темной энергией. Темная энергия пренебрежима в ранней Вселенной, но теперь она составляет приблизительно 70 % наблюдаемого космоса. Понимание этого явления поможет объяснить далекое будущее Вселенной, в частности, будет ли продолжаться ускорение расширения Вселенной неопределенно долго.

«Темная энергия возникает, когда Вселенная пытается растянуть нейтрино врозь, подобно упругому растягиванию в натянутой резиновой полоске», - говорит профессор физики Вашингтонского университета Анна Нельсон.

Наша Вселенная расширяется ускоренно. Вселенная в основном заполнена веществом с отрицательным давлением – так называемой темной энергией. Во Вселенной с темной энергией расширение ускоряется. Чисто теоретически показано, что кроме давно предсказываемых вариантов «судьбы» нашей Вселенной – сжатия с последующим коллапсом или бесконечного расширения, найдена еще одна возможность – Большой Разрыв.

Так как нейтрино обладают измеримой массой, то они являются кандидатом в загадочную темную материю, которая влияет на движение звезд и галактик. Подтверждение осцилляций нейтрино будет шагом к разрешению давней проблемы солнечных нейтрино. Даже скептически настроенные ученые с нетерпением ждут результатов независимых измерений.

Нейтринная астрономия помогает проверить теорию рождения, эволюции звезд. Но любая теория должна быть подтверждена экспериментально. Для этого надо зарегистрировать нейтрино. Это сложно, но возможно. Эксперименты нужно проводить глубоко от поверхности земли. Но для чего нам нужны нейтринные источники? Они помогают отслеживать процессы, идущие на уровне учета одного-двух атомов.

В процессе исследований обнаружили, что количество нейтрино, зарегистрированное опытным путем значительно меньше, чем предполагала теория. Почему не хватает нейтрино? Вопрос возник в конце 50-х начале 60-х годов XX века. Эксперимент проведен был корректно. Но в Солнце есть помимо термоядерных реакций другой источник энергии. Неизвестный нам. Появилось много различных теорий. А по теории нейтрино – нейтральные частицы. С ними ничего не должно было происходить. Ученые увидели, что количество нейтрино 2 раза меньше, чем требует энергетика Солнца. Поэтому возникла так называемая проблема солнечных нейтрино.

Наиболее развитые страны, в том числе и Советский Союз, заинтересовались этой проблемой. Заработал Российско-американский проект по изучению нейтрино «SAGE». Сейчас в России самый мощный в мире телескоп по исследованию нейтрино. Лаборатория галлий-германиевого нейтринного телескопа занимается этой тематикой исследований.

Специально была построена Баксанская нейтринная обсерватория в Кабардино-Балкарии. Как оказалось, значительно дешевле сделать горизонтальный в 2,5 километра тоннель в горе, нежели бурить землю вглубь. Гранитная толща защищает исследования от солнечных лучей, а нейтрино свободно проникают к датчику. Рабочим веществом в телескопе, который «видит» нейтрино, является галлий. Галлий чувствителен к нейтрино, с которых начинается термоядерная реакция.

Одновременно рождались телескопы в других странах. В Канаде - очень мощный действующий телескоп на тяжелой воде. Тысячи тонн тяжелой воды. В Японии уникальный телескоп. Совместными усилиями сделано много открытий. Это информация мирового уровня.

Новые данные о природе нейтрино.

Во-первых, нейтрино осциллируют. Нейтрино известно человечеству 3-х сортов, как говорят физики - «трех ароматов». И выяснилось, что нейтрино, рожденные в Солнце, только электронного типа. А бывают еще мюонные и тау нейтрино. Нейтрино электронные, выходя из Солнца, меняют аромат и превращаются в другие виды нейтрино: в мюонные или в тау.

А детектор «видит» только электронные нейтрино. И регистрируется только часть исходящих от Солнца нейтрино. Сейчас доказано, что нейтрино осциллируют. Следовательно, они имеют массу. А до этого считалось, что нейтрино как свет, как кванты массы не имеют. Но безмассовая частица не может менять аромат.

Какое значение это имеет для человечества? Это влияет на теорию вообще всей Вселенной. Потому что, как известно во Вселенной есть темная материя, которую мы не видим и за счет чего Вселенная существует. И вот в эту темную материю оказывается значительный вклад вносят нейтрино. Эти исследования влияют на теорию космологии, отвечающей на вопрос: как развивается наша Вселенная? Это академическая, но очень интересная для фундаментального изучения информация.

Во-вторых, нейтрино, проходя огромные толщи пространства, если мы их фиксируем и знаем, что они могут осциллировать, позволяют правильно расшифровывать приносимую ими информацию.

В третьих, нейтрино, конечно, рождается в термоядерных реакциях. А в ядерных реакторах, таких как БН-600, рождаются анти-нейтрино (условное название). В Японии сделана установка, где регистрируют анти-нейтрино. И работу реактора можно видеть на детекторе, регистрирующем нейтрино. Это новое слово в науке.

В четвертых, человечество уже понимает что такое Солнце, но до конца оно не понимает, что такое Земля. Структура Земли не до конца ясна, потому что есть несколько противоречивых моделей, которые не согласуются между собой. И какая из них правильная?

В центре Земли работает природный ядерный реактор. Не как на Солнце, где «работает» термоядерный реактор, когда из легких элементов образуются тяжелые. Наоборот, в Земле распадаются тяжелые элементы на более легкие, высвобождая ту энергию, которая была затрачена, чтобы сделать эти тяжелые элементы в каких-то космических катаклизмах. В центре Земли находится реактор, которым управляет сама природа. Проследить за его работой очень сложно, так как мало экспериментальных данных.

В мире рождается направление - изучение строения центра Земли. В этом процессе так же участвуют нейтрино. Они выходят наружу и, регистрируя их, у нас есть шанс понять: что такое Земля? Что такое Великие оледенения, что такое потепление климата, с чем оно связано и т. п.

В дополнение к вышесказанному, военные очень заинтересованы в ускорении процесса исследования нейтрино, чтобы фиксировать, скажем атомные подводные лодки, реакторы которых испускают анти-нейтрино. Ведь подводные лодки это самое скрытое оружие, когда противник никогда не знает, где оно находится. А с помощью детектора легко обнаружить источник анти-нейтрино. Но техника нейтрино не для этого развивается.

1. Уникальный Международный проект

Подобная глобальная проблема может быть исследована только при соответствующей финансовой поддержке проекта. Проект исследования нейтрино международный. В него входят такие развитые страны как США, Япония и Россия, интенсивно работающие в направлении развития нейтринной астрофизики. Россия владеет техникой изучения нейтрино. Финансовые вливания осуществляются в основном за счет США и Японии.

В России инициатором участия в международном проекте по исследованию природы солнечных нейтрино выступил Институт Ядерных Исследований РАН

(г. Москва) в тесной связи с целым рядом предприятий Минатома (ныне - Федеральное агентство по атомной энергии). Руководитель агентства - Александр Румянцев, сам человек науки, активно поддержал уникальный проект.

И в 2000 году проект начал «набирать обороты». Местом проведения исследований была выбрана Баксанская обсерватория в Кабардино-Балкарии, расположенная под землей в скальных породах для исключения негативных внешних воздействий и чистоты эксперимента.

Российские участники проекта - это Белоярская АЭС с реактором на быстрых нейтронах - БН-600 и Институт реакторных материалов (ИРМ) в городе Заречном, Физико-энергетический институт (ФЭИ) в городе Обнинске, Опытное Конструкторское Бюро Машиностроения (ОКБМ) в городе Нижний Новгород, а так же акционерное общество "Машиностроительный завод" в городе Электросталь. Общая поддержка осуществляется Международным научно-техническим центром.

И только тесное, слаженное взаимодействие всех указанных "звеньев" цепочки позволило создать впервые в мире источник нейтрино, который приблизит человечество к познанию тайн Вселенной. Конечно, это первые шаги в неизведанное, но они уже сделаны и впереди ждут потрясающие открытия. Белоярская АЭС - их достойный участник.

2. Новые грани возможностей быстрого реактора

Реактор на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем на Белоярской АЭС БН-600 уникален по многим причинам. На сегодня это самый мощный в мире промышленный реактор такого типа. Он является опытно-промышленным и успешно работает более 24 лет. Ведь именно с его помощью идет апробация ядерных технологий XXI века.

Этот тип реакторов выделен в Стратегии развития атомной энергетики России на период до 2050 года и был представлен как ведущий в рамках инициативы Президента РФ Владимира Путина, выдвинутой на саммите тысячелетия в ООН.

По словам главы Федерального агентства по атомной энергии РФ Александра Румянцева на торжественном вручении 26 апреля 2004 года премии «Глобальная энергия» за разработку физико-технических основ и создание энергетических реакторов на быстрых нейтронах: «в ближайшие 50 лет такие реакторы составят основу атомной энергетики, а к концу века можно будет говорить о термоядерном направлении ее развития».

Действующий на Белоярской АЭС реактор БН-600 помимо выработки электрической и тепловой энергии попутно может работать и для других благих целей человечества. Например, есть опыт стерилизации путем облучения хирургических игл и нитей для медицинских целей. Обработка древесных отходов для изготовления карандашей (при этом экономятся ценные породы деревьев, таких как кедр), природных камней, после чего они приобретают так нужные человеку необычные свойства. И подобные заказы на БАЭС продолжают поступать.

И вот теперь можно с гордостью сказать об еще одной, новой грани возможностей быстрого реактора - возможность наработки изотопов аргона-37, который является идеальным источником нейтрино и его можно использовать для калибровки детекторов солнечных нейтрино.

Только в быстром реакторе достигается высокая плотность потока нейтронов, что позволяет получить необходимое количество нарабатываемого изотопа. Достижения Белоярской АЭС, как участника международного проекта, позволят приблизить решение ряда задач современной физики элементарных частиц, в том числе и проблемы сведения баланса материи во Вселенной.

3. Задача получения источника нейтрино

Баксанской обсерватории для реализации проекта требуется довольно мощный источник нейтрино (порядка 1-2 МегаКюри), чтобы сверять показания имеющихся датчиков солнечных нейтрино с заранее известными параметрами искусственного источника, то есть осуществлять калибровку детекторов солнечных нейтрино. Важно проверять правильность работы телескопа Баксанской лаборатории.

Требуемый искусственный источник нейтрино создан на основе изотопа аргона-37. В чем преимущества этого источника? Это первый в мире такой источник. Всего было сделано три хромовых нейтронных источника (изотоп хрома-51). В Германии сделали два хромовых источника. В России один хромовый источник - с помощью реактора БН-350.

А аргоновый источник нейтрино изготовлен в Заречном впервые в мире. Он имеет преимущества, так как аргон – инертный газ и его малый объем (не больше стакана) при заданной активности удобен в транспортировке. Эффективность детектирования при использовании аргонового источника нейтрино существенно возрастает. Если удастся получить с его помощью ту активность, которую ожидали, то можно будет говорить о том, что реактор БН-600 единственный в мире производитель аргонового источника нейтрино.

Наработка аргона-37 для Белоярской АЭС совершенно новая, но теперь уже можно сказать исследованная и опробованная область использования промышленного реактора БН-600. Процесс получения изотопа аргона-37 в быстром реакторе можно описать следующей формулой:

Ca + n ---- Ca ---- Ar + He

(спонтанно (альфа-частица)

распадается)

По заданию Российской Академии Наук источник нейтрино должен быть компактным и иметь суммарную активность на первом этапе эксперимента 400 килоКюри. Он должен стать прототипом более мощного источника.

Для определения скорости наработки аргона проводились расчетно-теоретические и экспериментальные исследования с целью уточнения реальных условий облучения в быстром реакторе. В реакторе БН-600 применили следующую технологию наработки аргона-37. Поместили в активную зону реактора кальций содержащую "мишень" - таблетки оксида кальция. Работоспособность "мишени" была проверена экспериментально путем облучения в быстром реакторе БР-10 (ФЭИ). В результате реакции на природном кальции образовались изотопы аргона-37. Часть экспериментальных работ выполнялись учеными и специалистами Физико-энергетического института на комплексе специальных стендов.

Для того, чтобы разместить "мишень" в реакторе БН-600 потребовалась разработка специалистами ОКБМ специальных устройств с нарабатывающими элементами в замен штатных топливных сборок БН-600. Эти сборки назвали "ЭСА" (экспериментальная сборка аргоновая). Они содержат ампулы для размещения материала "мишени".

Затем на основе технического проекта были разработаны рабочие проекты и определена технология изготовления экспериментальных сборок и нарабатывающих элементов. По своей конструкции они полностью соответствовали тепловыделяющим сборкам реактора и это позволило без лишних проблем использовать имеющийся транспорто-технологический тракт для перемещения сборок. Изготовили нарабатывающие элементы - ФЭИ, а экспериментальные сборки - ОАО "Машиностроительный завод".

После облучения в реакторе экспериментальные сборки аргоновые транспортируются в "горячую" камеру (так называется одно из помещений научно-исследовательского отдела Белоярской АЭС), где их разделывают, извлекая нарабатывающие элементы. Далее они поступают в Институт Реакторных Материалов (ИРМ) в специальных транспортных упаковочных контейнерах для выделения аргона и изготовления нарабатывающего источника.

Все указанные работы проводились в строгом соответствии с правилами и критериями ядерной и радиационной безопасности, с выполнением требований Госатомнадзора России. Белоярской АЭС получена отдельная лицензия на этот вид деятельности.

Сейчас такой источник реально изготовить только в России и только на реакторе БН-600. Интерес к этому уникальному реактору на быстрых нейтронах во всем мире огромен.

4. Оcновные этапы проделанной работы

Можно выделить два основных этапа, обусловленных необходимостью скоординированно и четко в соответствии с разработанной специалистами БАЭС технологией извлечь нарабатывающие элементы из облучательных сборок, загрузив их в контейнер в "горячей" камере, быстро отправить в ИРМ.

Газообразный изотоп аргона-37 имеет короткий период полураспада - только 35 суток. Поэтому вышеперечисленные операции необходимо было провести с ювелирной точностью, затратив минимум времени.

Первый этап предполагал облучение двух сборок "ЭСА" и проводился с октября 2002 года по апрель 2003 года. Результаты этого этапа вполне устроили специалистов. Загрузка-выгрузка сборок прошла без проблем. Технология выделения аргона-37 не дала сбоя и полученная активность аргона-37 соответствовала расчетам.

Далее можно было уверенно приступать к основному - второму этапу работы. Поэтому в октябре 2003 года в реактор БН-600 установили уже 19 сборок "ЭСА". Ведь в этом случае требовалось получить источник нейтрино с активностью по аргону-37 порядка 400 килоКюри.

13 апреля 2004 года энергоблок Белоярской АЭС с реактором на быстрых нейтронах планово был остановлен для перегрузки топлива в реакторе. Общая продолжительность останова - 51 сутки. За это время проводятся и необходимые ремонтные работы на энергоблоке. Но в первую очередь из активной зоны реактора были извлечены и разделаны облученные сборки "ЭСА". Затем их передали для извлечения аргона-37 в Институт Реакторных Материалов. Для проведения этой сложной процедуры потребовалась неделя непрерывного напряженного труда специалистов. Завершился второй этап этого уникального эксперимента.

Заключение

Перспективные планы исследований

Особенность Международного проекта по изготовлению источника нейтрино для калибровки детектора солнечных нейтрино заключается том, что пришлось работать с источником газовым (в отличие от обычных твердых и жидких сред). Источник большой активности и время проведения эксперимента ограниченное. Время являлось одним из главных факторов: период полураспада аргона-37 всего 35 дней. И с каждой задержкой его интенсивность уменьшается. А важна была запланированная активность на уровне выше 400 килоКюри.

Белоярской АЭС получена телеграмма: «30 апреля 2004 года в 4 часа утра по Московскому времени изготовленный источник установлен в Галлий-германиевом нейтринном телескопе и первая экспозиция калибровочного эксперимента начата». Проект осуществлен. Эта информация войдет в сознание ученых мира и БН-600 станет известен в большой научной сфере и с этой стороны.

Сегодня можно достоверно сказать, что весной 2004 года, в год 40-летия Белоярской атомной станции, впервые изготовлен на Урале в г.Заречном источник нейтрино интенсивностью 400 килоКюри. Он доставлен в Баксанскую нейтринную обсерваторию самолетом. И когда пройдет испытательная калибровка детектора солнечных нейтрино - наступит конечный этап испытаний.

Проект, начатый Российской академией наук совместно с Федеральном агентством по атомной энергии более трех лет назад по разработке технологии создания источника нейтрино высокой интенсивности, поддержанный международным научно-техническим центром, закончился в ноябре 2004 года.

В результате работ, выполненных в рамках этого проекта, созданы:

- технология облучения кальциевой мишени в реакторе БН-600 Белоярской атомной станции;

- технология быстрого извлечения аргона-37 из облученной мишени и его капсулирования в источник малых размеров.

Разработанная технология проверена изготовлением источника активностью 414 килоКюри, которым проведена калибровка Галлий-германиевого нейтринного телескопа в Баксанской нейтринной обсерватории.

Эта технология позволяет изготавливать источники активностью до 1.2 МегаКюри. Этим не ограничиваются возможности реактора БН-600. По предварительным оценкам облучение мишени в активной зоне реактора позволяет изготавливать источники активностью 2.0 - 2.5 МегаКюри, которые представляют исключительный интерес для калибровки детекторов солнечных нейтрино, создаваемых в настоящее время, и планируемых в будущем

Ряд руководителей зарубежных программ по исследованию физики нейтрино и нейтринного излучения Солнца выражают глубокую заинтересованность в продолжении проекта для разработки технологии создания нейтринных источников активностью выше 2 МегаКюри и проверки новой технологии изготовлением пробного источника активностью 1.2 МегаКюри. Изготовление такого источника, помимо проверки разработанной технологии, позволит провести калибровку детектора на значительно более высоком уровне точности, чем в настоящее время. Окончательные результаты выполненной по законченному в ноябре 2004 года проекту калибровки будут получены в январе-феврале 2005 года.

В настоящее время для решения перспективных научных задач, существующих в области физики нейтрино, требуется создание источника нейтрино активностью -2,5 МегаКюри. Данная задача может быть решена только при установке экспериментальной аргоновой сборки в активную зону реактора БН-600 Белоярской АЭС. Тема исследования солнечных нейтрино будет заслушана на международной Конференции в Венеции в феврале 2005 года и возможно уникальный проект продолжится.

А быстрый реактор Белоярской АЭС как и все предыдущие десятилетия стабильно, экологично вырабатывает электрическую энергию и тепло, продолжая расширять сферы своего полезного применения. В апреле 2005 года энергоблоку БН-600 исполняется 25 лет.

Источник информации:

Экспериментальные исследования научно-исследовательского отдела Белоярской АЭС, 2004 год.

International Science and Technology Center ISTC Project # 1431

Astronet.ru

Scitntific.ru

Helios izmiran.rssi.ru

V краевые открытые Курчатовские чтения учащихся

БЫСТРОГО РЕАКТОРА БЕЛОЯРСКОЙ АЭС

Необходимость исследования природы солнечных нейтрино

Ca + n ---- Ca ---- Ar + He