Про підсумки наукової діяльності установ
Відділення ядерної фізики та енергетики НАН України
у 2015 - 2019 роках
Академік-секретар Відділення ядерної фізики та енергетики НАН України
академік НАН України М.Ф. Шульга
Сьогодні всі ми переживаємо важкі часи змін геополітичної обстановки, можливих подальших змін пріоритетів розвитку економіки держави, в тому числі і науки. Наразі стан енергетичної безпеки України привертає до себе особливу увагу, що в умовах постійного недофінансування науки вимагає від установ Відділення знаходити можливості для проведення наукових досліджень з метою ефективного розвитку ядерної енергетики, отримання нових фундаментальних знань в галузі ядерної фізики. Оцінку ролі академічної науки в науково-технічному забезпеченні функціонування та розвитку ядерно-енергетичного комплексу України, ядерних та радіаційних технологій, а також профільних для ВЯФЕ НАН України розділів фізичної науки, я пропоную увазі учасників Загальних зборів в своєму короткому виступі.
За звітній період вчені Відділення ядерної фізики та енергетики НАН України одержали нові важливі результати з актуальних проблем ядерної фізики, фізики високих енергій, фізики плазми, ядерної енергетики, радіаційного матеріалознавства, фізики конденсованого стану, радіаційної фізики, електрофізики, ядерних і радіаційних технологій, техногенно-екологічної безпеки, поводження з радіоактивними відходами, радіогеохімії, рудоутворення та мінерагенії.
Дозвольте ознайомити з найважливішими результатами, отриманими вченими установ відділення за останні п’ять років.
НАЦІОНАЛЬНИЙ НАУКОВИЙ ЦЕНТР «ХАРКІВСЬКИЙ ФІЗИКО-ТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»
В останні роки з ініціативи фахівців Інституту теоретичної фізики ім. О.І. Ахієзера ННЦ «ХФТІ» у Європейському центрі ядерних досліджень ЦЕРН був поставлений спеціальний експеримент по виявленню передбаченого теоретично нашими вченими ефекту розщеплення пучка ультрарелятивістських протонів на декілька пучків при проходженні частинок через зігнутий кристал. Аналіз результатів експерименту повністю підтвердив основні передбачення теорії. Отримані результати відкривають нові можливості керування параметрами пучків частинок великої енергії за допомогою зігнутих кристалів на підставі стохастичного механізму розсіяння частинок на вигнутих ланцюжках атомів кристалу. Сьогодні планується проведення нових експериментів в ЦЕРН по проведенню порівняльного аналізу різних механізмів поворотів пучків частинок великої енергії зігнутими кристалами. (Рис.1)
Рис.1. Розщеплення пучка протонів зігнутим кристалом на SPS CERN. |
Вченими Науково-технічного комплексу «Ядерний паливний цикл» ННЦ «ХФТІ» спроектовано активні зони реакторних блоків зі змішаними завантаженнями ядерного палива та обґрунтована безпека роботи цих блоків. На основі поданих документів Державна інспекція ядерного регулювання України видала дозвіл на експлуатацію ядерних блоків із завантаженням альтернативним паливом. На сьогодні паливо виробництва фірми Вестингауз вже завантажено на 6 блоках АЕС України і вони включені в роботу. Це дозволило нашій державі стати незалежною у виборі постачальників ядерного палива для АЕС та позбутись монопольної залежності від російського ядерного палива. (Рис.2)
Рис.2. Диверсифікація ядерного палива України |
Також нашими вченими розроблено комп'ютерну програму (код) що дозволяє підвищити надійність і безпеку перевантаження палива, яка враховує стан тепловидільних зборок (ТВЗ) що завантажуються під час зборки активної зони на кожному кроці перевантаження. Програма високо оцінена фахівцями НАЕК «Енергоатом» і пройшла дослідну експлуатацію на Південноукраїнської АЕС.
Фахівцями ННЦ ХФТІ проводиться обробка і аналіз даних експерименту Компактного мюонного соленоїду (CMS) з метою пошуку нової фізики в процесах зіткнення протонів на Великому адронному колайдері (ВАК) (ЦЕРН). Виконано оптимізацію мережевої інфраструктури спеціалізованого обчислювального комплексу ННЦ ХФТІ для обробки даних з ВАК, єдиного в Україні центру 2-го ярусу грід‑інфраструктури експерименту CMS (T2_UA_KIPT). За останній час забезпечено прийом і обробку рекордної за розміром загальної вибірки подій, зареєстрованих в експерименті CMS, – 8.8 Петабайт, що в ~ 10 разів перевищує місткість сховища даних центру і значно більше, ніж було на нього передано для обробки за весь попередній час. Рівень якості роботи центру T2_UA_KIPT, що визначається мірою готовності до розподіленої обробки даних CMS, у 2019 р. склав ~99% часу, що є одним з найкращих показників серед Т2-центрів CMS. Виконано фізичний аналіз даних, здобутих в експерименті CMS на Великому адронному колайдері, з метою пошуку SUSY-частинок - слептонів і чарджино. (Рис.3)
Рис.3. Підтримка єдиного на Україні центру 2-го ярусу (Т2-центру) грід-інфраструктури експерименту CMS на Великому адронному колайдері |
В рамках інноваційного проекту «Розробка вуглець-вуглецевого композиційного матеріалу для вкладишу критичного перетину прямоточного повітряного реактивного двигуна (ППРД)» розроблено вуглець-вуглецевий композиційний матеріал (ВВКМ), ерозійний знос та стійкість якого достатні для забезпечення роботи виробу в необхідний період часу. У 2018 успішно проведені перші наземні вогневі випробування рушійної установки “Гром-2” із використанням соплового вкладишу із ВВКМ, розробленого в ННЦ ХФТІ у кооперації із ДП «КБ «Південне». (Рис.4) Отримані результати сприяють підвищенню науково-технічного рівня та обороноспроможності України.
Рис.4. Макетний зразок та наземні вогневі випробування рушійної установки “Гром-2” із використанням соплового вкладишу із ВВКМ, розробленого в ННЦ ХФТІ у кооперації із ДП «КБ «Південне». |
В останні роки в світі багато уваги приділяється розробці нових безпечних ядерних установок - підкритичних ядерних енергетичних систем, керованих прискорювачем. Робота таких систем виключає можливість розвитку некерованої ланцюгової реакції ділення ядер, оскільки ланцюгова реакція повністю припиняється з виключенням прискорювача. В ННЦ «ХФТІ» споруджено Ядерну підкритичну установку «Джерело нейтронів, засноване на підкритичній зборці, яка керується прискорювачем електронів», підготовлено персонал та завершено роботи з підготовки до фізичного пуску установки. (Рис.5) Виконання цього проекту, загальна вартість якого складає понад 85 млн. доларів США, цілком провадиться за рахунок США. Це перша ядерна установка, розроблена українськими фахівцями за роки незалежності. Установка «Джерело нейтронів» є найважливішою складовою частиною сучасної експериментальної бази для наукового супроводу ядерної енергетики країни.
Рис.5. Джерело нейтронів, засноване на підкритичній збірці, що керується прискорювачем електронів |
ІНСТИТУТ ЯДЕРНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ НАН УКРАЇНИ
Вченими ІЯД НАН України розроблено нову теорію колективного руху в ядрах, яка встановлює зв’язок між ефектами пам’яті та динамічним збуренням поверхні Фермі. Її врахування призводить до суттєвого збільшення часу ядерного поділу і впливає на спектр нейтронів і гама квантів, що його супроводжують.
В експерименті Борексіно (Гран-Сассо, Італія) виміряно потік геонейтрино з найвищою точністю та встановлено нове, найбільш високе обмеження на час життя електрона τe > 6.6×1028 років.
З найвищою точністю виміряно періоди напіврозпаду ядер 48Ca, 116Cd та 150Nd відносно двонейтринного подвійного бета-розпаду. Встановлені нові обмеження на безнейтринний подвійний бета-розпад цих ядер. Уперше виконано пошук чотирикратного бета-розпаду ядра неодим-150. Ці результати важливі для встановлення абсолютної шкали та ієрархії мас нейтрино і природи цієї частинки, а також для розвитку теорій за межами Стандартної моделі частинок.
На Великому Адронному Колайдері (ЦЕРН, Женева) за участю вчених ІЯД НАН України в експерименті LHCb відкрито нову частинку. Новий баріон ( Ξcc++) має надзвичайно довгий час життя, що в 10 мільярдів разів більший за час його утворення в протон-протонних зіткненнях при енергії 13 ТеВ. (Рис.6)
Рис.6. Відкриття нової частинки з подвійною чарівністю на Великому Адронному Колайдері |
Розроблена теорія генерації і руху екситонних солітонів в квантових ямах напівпровідників. Результати можуть бути використані для передачі інформації в наносистемах.
За результатами досліджень зразків-свідків і моніторингу радіаційного навантаження корпусів реакторів показано, що за критерієм крихкої міцності термін безпечної експлуатації корпусів реакторів енергоблоків №3 Південно-Української АЕС і №5 Запорізької АЕС може бути продовжено приблизно на 20 років в понадпроектний період (до кінця 2049 та 2066 рр. відповідно), термін безпечної експлуатації корпусу реактора енергоблоку №4 Рівненської АЕС забезпечений щонайменше до кінця 26-ї паливної кампанії (до кінця 2026 р.), а корпусу реактора енергоблоку №2 Южно-Української АЕС - принаймні ще на 21 рік (до кінця 2049 р.). (Рис.7)
Рис.7. Ресурс корпусу реактора блока №2 ЮУАЕС |
Визначено радіаційне навантаження внутрішньокорпусних пристроїв та опорних елементів корпусів реакторів енергоблоків №1 Хмельницької АЕС та №5 Запорізької АЕС. За результатами проведення державної експертизи з ядерної та радіаційної безпеки Державна інспекція ядерного регулювання України дозволила використовувати отримані дані в роботах з оцінки технічного стану та подовження строку експлуатації енергоблоку.
Розроблено нові експрес-методи реєстрації одного з найбільш радіологічно небезпечних радіонуклідів - 90Sr- та нова спектроскопічна методика визначення його активності. Розробки застосуватимуться при дослідженні концентрації радіонуклідів в радіоактивних відходах та конструкційних матеріалах АЕС та для експрес-контролю випадінь 90Sr в навколишнє середовище.
Розроблено радіаційну технологію опромінення нейтронами дослідницького ядерного реактора ВВР-М ІЯД НАН України безбарвних топазів українських родовищ з метою зміни кольору на блакитний для покращення споживчих якостей та цінності ювелірної продукції.
ДЕРЖАВНА УСТАНОВА «ІНСТИТУТ ГЕОХІМІЇ НАВКОЛИШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ»
Розроблено макет системи автоматизованого оперативного дистанційного контролю та спостереження на базі літального апарату для швидкого реагування і ефективного контролю радіаційної обстановки у зоні впливу природних та техногенних джерел іонізуючого випромінювання. Система призначена для запобігання виникнення надзвичайних радіаційних ситуацій, протидії тероризму та незаконному переміщенню ядерних та радіоактивних матеріалів. (Рис.8)
Рис.8. “Р-Навігатор” – система автоматизованого оперативного контролю радіаційної обстановки швидкого реагування на базі літального апарату |
На природних мембранах живої та неживої речовини виявлено ізотопно-осмотичні ефекти, що супроводжуються істотним фракціонуванням ізотопів водню (20–40 %). Ці ефекти відкривають перспективи фіторемедіації поверхневих водних систем та очищення рідких радіоактивних відходів і технологічних розчинів від радіоактивного забруднення.
Розроблено спосіб безперервного моніторингу водної форми тритію в газоаерозольному викиді АЕС та повітрі робочих приміщень, який не потребує додаткового очищення відібраних зразків.
Обґрунтовано перспективи диверсифікації джерел сировини для виготовлення ядерного палива за рахунок освоєння екзогенних родовищ урану осадового чохла Українського щита. Видобуток урану методом підземного свердловинного вилуговування дозволить оперативно забезпечити покриття існуючого дефіциту сировини для потреб ядерного сектору енергетики країни.
Розроблено плазмохімічну технологію синтезу наноматеріалів та нанокомпозитів - високоефективних багатоцільових сорбентів для очищення технологічних вод від радіоактивного забруднення, важких металів, органічних сполук. (Рис.9)
Рис.9. Плазмохімічна технологія синтезу наноматеріалів та нанокомпозитів для застосування в процесі утилізації рідких радіоактивних відходів. |
ІНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЇ ФІЗИКИ НАН УКРАЇНИ
В рамках співробітництва з колаборацією SPARC проекту FAIR (Дармштадт, Німеччина) побудовано теорію процесів квантової електродинаміки при зіткненні важких ядра та воднеподібного іона в екстремально сильних електромагнітних полях з метою дослідження можливого дрейфу фундаментальних світових констант та пошуку нової фізики.
Розробляється пакет кодів для обчислення на спеціалізованому ГРІД кластері ІПФ НАН України, які спрямовані на багаторівневе інтегроване моделювання радіаційних пошкоджень та механічних властивостей конструкційних матеріалів під дією опромінення. Створено мікроаналітичний прискорювальний комплекс для проведення валідації теоретичних моделей. Метою роботи є обґрунтування програми подовження термінів експлуатації АЕС України.
Розроблено технологію обробки каналу нарізного ствола малого калібру для підвищення ресурсу його живучості. Вперше в Україні використана технологія магнетронного розпилення імпульсами великої потужності HiPIMS (High-Power Impulse Magnetron Sputtering). Дана технологія збільшує ресурс експлуатації в умовах сильного фрикційного зносу та ерозії під дією агресивного корозійного газу продуктів згорання пороху при високих параметрах тиску та температури. (Рис.10)
Рис.10. Магнетронний випаровувач для нанесення захисних покриттів на внутрішню поверхню імітатора ствола калібру 30 і 125 мм. |
В рамках співробітництва ІПФ НАН України та ЦЕРН були проведені теоретичні та експериментальні дослідження з підвищення стійкості конструкційних матеріалів (міді) прискорюючих структур іонно/електронних прискорювачів до високовольтних пробоїв, запропоновано проводити іонно-плазмову модифікацію поверхневих шарів цих матеріалів, та розроблено відповідні технології іонно-плазмової обробки матеріалів. (Рис.11)
Рис.11. Стенд для вивчення високовакуумних пробоїв в постійному електричному полі |
З метою отримання малорозмірних тривимірних структур для фабрикації елементів рентгенівської оптики розроблено установку протонно-променевої літографії. Розроблено метод фабрикації мікро-дифракційних ґраток для використання в рентгенівських фазоконтрастних томографах.
ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОФІЗИКИ І РАДІАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ НАН УКРАЇНИ
Розроблено методи та інструменти для вирішення задач екстремального тестового навантаження на лопатки газотурбінних двигунів, що дозволяють відтворювати можливі високотемпературні, циклічні, ударні та опромінювальні впливи. Підхід ґрунтується на використанні сильнострумового релятивістського електронного пучка, як засобу створення пошкоджень на структурному рівні. Впровадження результатів дасть змогу збільшити ресурс роботи високотехнологічного експортно-орієнтованого обладнання - газотурбінних двигунів.
З метою підвищення показників надпластичності низки промислових алюмінієвих сплавів проведено їх комплексну термомеханічну обробку, яка включала відпал зразків та гарячу прокатку зі зсувом. Проведено структурні дослідження та порівняльний феноменологічний аналіз надпластичного плину зразків сплавів з вихідною крупнокристалічною структурою та з субмікрокристалічною структурою. Здобуті результати можуть бути використані для поглиблення знань про фізичну природу надпластичності і для побудови теорії надпластичності.
НАВЧАЛЬНО-НАУКОВИЙ ЦЕНТР “ФІЗИКО-ХІМІЧНЕ МАТЕРІАЛОЗНАВСТВО” НАН УКРАЇНИ
Синтезовано методом реакційного гарячого пресування новітню композиційну кераміку (ZrB2–SiC) на основі диборидів перехідних металів (ZrC–Si–B4C–ZrB2). Отримано високі значення модулів Юнга, порівняно мала густина, що слугує основою елементів керамічної броні, для обробки та різання металів та гірських порід. Висока температура плавлення, жаро- та корозійностійкість зумовлюють можливість їхнього використання для роботи в екстремальних умовах. Інтенсивне поглинання боридами нейтронів та γ-квантів робить їх перспективними конструкційними радіаційновитривалими матеріалами.
Одним з напрямів роботи нашого відділення, а також одним з обов’язків академіка-секретаря ВЯФЕ НАН України, є забезпечення участі установ НАН України у науково-технічному супроводженні атомно-енергетичного комплексу, підвищенні його надійності та безпеки функціонування. Дозвольте зупинитись на деяких аспектах співробітництва з Державним підприємством «Національна атомна енергогенеруюча компанія «Енергоатом» .
10 квітня 2015 року укладено Генеральну Угоду про науково-технічне співробітництво між НАН України та НАЕК «Енергоатом» з метою залучення наукового потенціалу Академії для спільного вирішення вузлових проблем вітчизняної атомної енергетики, найширшого використання передових ідей різних галузей науки для впровадження в новітні розробки. Для забезпечення виконання робіт, передбачених Генеральною Угодою було створено Координаційну науково-технічну раду з організації спільних робіт наукових установ НАН України і ДП «НАЕК «Енергоатом». Крім виконання робіт за прямими двосторонніми договорами між установами НАН України та НАЕК «Енергоатом» в інтересах Національної атомної енергогенеруючої компанії виконувались роботи цільових комплексних програм наукових досліджень НАН України «Науково-технічний супровід розвитку ядерної енергетики та застосування радіаційних технологій в галузях економіки» (2010-2015рр) та «Наукове забезпечення розвитку ядерно-енергетичного комплексу та перспективних ядерних технологій» (2016-2018рр).
В 2019 році спільним наказом НАН України та НАЕК «Енергоатом» затверджено керівників та оновлений персональний склад Координаційної науково-технічної ради. Координаційною радою визначено перелік конкретних спільних робіт в рамках створюваної ДП «НАЕК «Енергоатом» довгострокової програми розвитку атомної енергетики в межах «Енергетичної стратегії України на період до 2035 року», спільні науково-технічні роботи з продовження строку експлуатації атомних енергоблоків України на період до 60 років з науковим обґрунтуванням та обговоренням проведення тендерних процедур. Координаційна рада приймала активну участь у розробці концепції «Цільової програми наукових досліджень НАН України «Ядерні та радіаційні технології для енергетичного сектору і суспільних потреб» на 2019-2023 роки».
Фахівці НАН України в співпраці з НАЕК «Енергоатом» розробили ефективні методи оцінки і продовження ресурсу об’єктів атомної енергетики, що дозволило на сьогодні подовжити термін експлуатації 9 енергоблоків та зекономити державі значні кошти та час, необхідний для будівництва нових реакторів. Для якісного виконання на рівні світових вимог вищезазначених робіт необхідне запровадження окремої програми робіт, направленої безпосередньо на подовження експлуатації атомних енергоблоків, забезпечення наукових досліджень сучасним експериментальним обладнанням та створення міжгалузевого ядерного центру. Науковці нашого відділення спільно з представниками Відділення фізико-технічних проблем матеріалознавства, Відділення механіки, Відділення фізико-технічних проблем енергетики та із залученням представників НАЕК «Енергоатом» розробили та подали на розгляд Президії НАН України концепцію Загальнодержавної цільової науково-технічної програми забезпечення безпечного функціонування ядерної галузі України на 2021-2030 роки.
Успішний розвиток фундаментальних досліджень з фізики високих енергій та ядерної фізики сьогодні можливий лише шляхом участі у ключових міжнародних проектах, таких як Європейський центр ядерних досліджень (ЦЕРН). Реалізація цільових програм співробітництва НАН України з ЦЕРН та ОІЯД «Перспективні фундаментальні дослідження з фізики високих енергій та ядерної фізики» (2012-2015 рр.), «Ядерна матерія в екстремальних умовах» (2016-2017 рр.) та «Фундаментальні дослідження з фізики високих енергій та ядерної фізики (міжнародна співпраця)» (2018–2020 рр) дала змогу українським науковцям долучилися до отримання найновітніших експериментальних даних і стати рівноправними співавторами нових відкриттів міжнародного рівня. Це стосується як внеску України у підтримку роботи детекторів Великого адронного колайдера та вдосконалення програмного забезпечення експериментів, так і безпосередньої участі фахівців академічних установ в обробленні з використанням сучасних комп’ютерних технологій результатів експериментів колаборацій ЦЕРН: CMS, ALICE і LHCb. Необхідно зазначити, що саме ці роботи мали суттєве значення для прийняття керівництвом ЦЕРН рішення щодо вступу України до цієї організації як асоційованого члена.
Також необхідно зазначити, що крім співробітництва з ЦЕРН установами нашого відділення наяложена та успішно розвивалася взаємодія з міжнародними, національними науковими центрами, організаціями та проектами, зокрема Євратомом, МАГАТЕ, FAIR (Німеччина), LIA IDEATE (CNRS, UPSud, Франція), Національними лабораторіями Міністерства енергетики США (Лос-Аламоською, Аргонською, Брукхейвенською та Ліверморською національною лабораторією ім. Е. Лоуренса), Об’єднаним дослідницьким центром Європейської Комісії (Німеччина), Центром ядерної фізики і матеріалознавства (м. Орсе, Франція), Національним інститутом ядерної фізики (INFN, Італія), Національною лабораторією Гран Сассо (Італія), дослідницькими центрами DESY (м. Гамбург, ФРН) та IP2I (м. Ліон, Франція), Науковим Центром “Товариство по дослідженням важких іонів” (GSI) ( Дармштадт, Німеччина), Токійським технологічним інститутом (м. Токіо, Японія), Федеральним технологічним університетом штату Парана – УТФПР (Федеративна республіка Бразилія).
Загалом установи Відділення приділяли значну увагу оптимізації та координації наукової діяльності, розвитку перспективних наукових напрямів, зокрема ядерної криміналістики та медицини, та експериментальної бази наукового пошуку, підвищенню рівня впровадження результатів досліджень. Фахівці Відділення за звітній період підготували близько 200 науково-експертних документів в інтересах та на замовлення органів державної влади.
Про високий рівень отриманих нашими вченими наукових результатів свідчить також і те, що близько половини робіт установ відділення друкується у закордонних журналах, і починаючи з 2016 року ННЦ «ХФТІ» та ІЯД НАН України та вчені цих установ кожного року нагороджуються міжнародними відзнаками Scopus Awards Ukraine та Web of Science Award Ukraine як лідери в цілому ряді номінацій.
В закінченні хочу висловити впевненість що і подальші зусилля вчених нашого відділення буде сконцентровано на розвитку міждисциплінарних досліджень та поглибленні міжнародного співробітництва у галузі ядерної фізики та енергетики, науково-технічному супроводі надійного і безпечного функціонування та розвитку ядерно-енергетичного комплексу України.