У каждой лаборатории Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) своя предыстория и своя судьба. Если ЛЯП и ЛВЭ прошли заметный путь до образования ОИЯИ и послужили базой при его создании, то Лаборатория нейтронной физики родилась как строка в решении об учреждении ОИЯИ странами участницами.
А вначале было слово:
В конце 1955 года в ФЭИ (Обнинск) проходил семинар, на котором обсуждалась работа американцев по исследованию зависимости сечения деления урана-235 от энергии нейтронов. В этом эксперименте использовался вращающийся синхронно с прерывателем пучка диск, с нанесенным на него слоем урана, и измерялась возникшая радиоактивность урана на ободе колеса. "Вдруг ДИ (Д.И. Блохинцев, в то время директор ФЭИ) поднимает руку и вещает: а что, если часть активной зоны реактора закрепить на ободе такого диска, да так, чтобы при каждом обороте эта часть проходила вблизи неподвижной зоны и создавала бы кратковременно сверхкритическую массу?" Так вспоминают начало работы над проектом импульсного быстрого (вернее, - на быстрых нейтронах) реактора - ИБРа разработчики теории этого реактора - сотрудники ФЭИ.
Преимущества импульсного реактора в сравнении с механическими селекторами, применяемыми в то время на стационарных реакторах, были ясны с самого начала: намного экономичнее заставить пульсировать мощность реактора вместо отсекания нейтронного пучка прерывателем. Именно так позже Д.И. Блохинцев пояснил намерение разработчиков ИБРа.
В середине 1956 года Д.И. Блохинцеву предложили возглавить организуемый в Дубне международный институт, и он поставил перед министром Е.П. Славским, отвечающим за создание ОИЯИ, условие: принять решение о сооружении в Дубне новой установки - ИБР. Для развертывания физических исследований на этом реакторе была образована Лаборатория нейтронной физики, а ее директором был избран И.М. Франк: "Колесо" закрутилось.
В 1957 - 1958 гг. ЛНФ было выделено около десятка комнат в корпусе N 3 ЛЯП, штат формировался с нуля. Кроме директора сразу был назначен главный инженер, а затем первые сотрудники лаборатории. К концу 1958 г. число сотрудников возросло до 75 человек.
В ноябре 1960 г. И.М. Франк выступил с докладом на IX сессии Ученого Совета ОИЯИ, посвященным итогам пусковых работ на первом импульсном реакторе ЛНФ. Теперь удивляет свершившееся: от слова до дела - воплощения идеи в "материю" потребовалось всего три года. Строительство реактора потребовало решения многих инженерных задач, в том числе создания машины, обеспечивающей быстрые повторяющиеся изменения реактивности. Такая машина была сконструирована, изготовлена и испытана за три месяца в Центральном институте авиамоторостроения. Реактор оснащался различными оригинально сконструированными устройствами, обеспечивающими плавную регулировку реактивности реактора. Впервые была разработана аппаратура, позволяющая контролировать мощность реактора в импульсном режиме. Во всей этой работе принимали участие многие проектные учреждения и институты.
К концу 1959 г. завершилось строительство здания реактора, корпуса управления, измерительных павильонов с нейтроноводами от 100 до 1000 метров. К этому времени были проведены критсборки и экспериментально оценены основные параметры ИБРа - критмасса, зависимость реактивности от положения подвижной части зоны относительно неподвижной и тем самым уточнена ожидаемая ширина нейтронного импульса.
Большой объем работ по подготовке реактора к пуску был выполнен и сотрудниками ЛНФ. В уточнении теории реактора, в необходимых расчетах и в пусковых работах участвовали как советские сотрудники ЛНФ так и китайские.
Пуск ИБРа состоялся 23 июня 1960 г. Этот день, без сомнения, ярко живет в памяти всех его участников. Руководитель пуска Ю.Я. Стависский часто прибегал из пультовой на второй этаж к временному анализатору, чтобы глазами увидеть, что происходит с формой нейтронного импульса. Ширина импульса волнующе сокращалась по мере повышения реактивности. На пульте находился Д.И. Блохинцев, болея за свое детище. Вечером реактор достиг критического состояния в импульсном режиме - пуск состоялся!
В испытаниях реактора участвовали физики под руководством Ф.Л. Шапиро. В июле реактор был выведен на проектную мощность 1 кВт, ширина нейтронного импульса составила 36 мксек и была близкой к значению, оцененному после критсборок.
История импульсных исследовательских реакторов ЛНФ
Первый ИБР создавался при ведущей роли физиков Обнинска и с участием сотрудников ЛНФ ОИЯИ, руководимых И.М. Франком.
С целью упрощения конструкции уникального, впервые сооружаемого реактора, средняя мощность ИБРа была выбрана небольшой - 1 кВт (при этом мгновенная мощность в импульсе достигала 5 МВт). В дальнейшем была обоснована возможность при повышении расхода охлаждающего воздуха повысить среднюю мощность реактора до 6 кВт, и с 1964 года реактор работал на мощности от 2 до 6 кВт.
Вообще, довольно длинный импульс реактора (50 мкс) был более адекватен задачам физики конденсированных сред. Для сокращения импульса первый ИБР, по предложению Ф.Л. Шапиро, с 1965 года начал использоваться в режиме размножения нейтронных импульсов нейтроно-производящей мишени электронного ускорителя-микротрона. С пуском импульсного бустера (так назвали тандем ускорителя и ИБРа) длительность нейтронного импульса сократилась до 3-х мкс.
Первый ИБР завершил работу в августе 1968 года. Примечательно, что последним экспериментом на этом реакторе был знаменитый опыт по первому наблюдению ультрахолодных нейтронов, осуществленный в режиме редких импульсов. 10 июня 1969 года был введен в работу усовершенствованный аналог ИБРа - ИБР-30. Увеличение мощности было достигнуто изменением конструкции плутониевых твэлов и введением в стальной диск двух урановых вкладышей (модуляторов реактивности) вместо одного.
Бустерный режим (а ИБР-30 использовался попеременно в режиме реактора и в режиме бустера до 1986 года, когда была отменена работа в режиме реактора) осуществлялся с линейным резонансным ускорителем ЛУЭ-40 в качестве инжектора с энергией ускоренных электронов 44 МэВ и током в импульсе 0.2 А. Средняя мощность в режиме бустера была 10 кВт при полуширине вспышки быстрых нейтронов 4 мкс. Высокая светосила спектрометра на ИБР-30 позволила открыть ряд совершенно новых направлений в исследовании ядра и физике конденсированных сред.
Бустер ИБР-30 был выведен из эксплуатации в 2001 году с тем, чтобы в дальнейшем заменить его бустером с существенно более коротким импульсом. В 1992 году была сформулирована концепция нового источника, получившего имя ИРЕН (Источник РЕзонансных Нейтронов). Официальный статус проекта новой базовой установки ОИЯИ ИРЕН получил на 75-й сессии Ученого Совета в мае 1994 года. Вследствие недостаточного финансирования проекта ИРЕН к настоящему времени завершено лишь изготовление ускорительных секций и начат монтаж ускорителя в здании 43, а также изготовлены плутониевые твэлы.
В 1963 году начались предварительные расчетные работы по обоснованию возможности создания значительно более мощного ИБРа, по своим нейтронным характеристикам для исследований методами рассеяния медленных нейтронов не уступающего 50-100 мегаваттным стационарным реакторам (HFR в ИЛЛ, Гренобль, СМ-2 в НИИАР, Дмитровград, ПИК в ПИЯФ, Гатчина). В ОИЯИ новый реактор с проектной мощностью 4 МВт под названием ИБР-2 был построен к 1977 году с участием НИКИЭТ, ГСПИ, ВНИИНМ и других институтов и организаций СССР и стран-участниц ОИЯИ. Физический пуск был завершен в 1978 году, а начало официальной эксплуатации пришлось на апрель 1984 года. В дальнейшем среднюю мощность решили ограничить 2-мя мегаваттами для обеспечения предельно-возможной ядерной безопасности и надежности установки, а длительность импульса оказалась равной 216 мкс вместо проектного значения 90 мкс. Но и с этими параметрами ИБР-2 стал и остается одним из наиболее эффективных импульсных источников медленных нейтронов для исследования конденсированных сред.
Требование получения высоких нейтронных потоков при малой длительности импульсов привело также к необходимости создания компактной зоны с большим удельным тепловыделением и малым временем жизни нейтронов. Была выбрана активная зона из окиси плутония с натриевым охлаждением. Система натриевого охлаждения функционирует с момента ее запуска в 1981 году до настоящего времени успешно и непрерывно - и во время работы реактора, и в остальное время.
Подвижный отражатель - один из наиболее ответственных и технически самых оригинальных узлов ИБР-2. Он не имеет аналогов не только в реакторостроении, но и в других областях техники. Именно подвижный отражатель определяет длительность импульса мощности ИБРа - его важнейший параметр, от которого зависит разрешение нейтронного спектрометра на пучке реактора как в дифракционных экспериментах, так и в исследованиях методом неупругого рассеяния нейтронов. В результате проведенных в ЛНФ расчетных и экспериментальных исследований на стендах была найдена конфигурация дополнительного подвижного отражателя ДПО (так называемый 'трезубец'). Три модулятора реактивности с ДПО в виде трезубца работали на ИБР-2 с момента пуска до 2003 года, по 6-7 лет каждый.
Затем был создан решетчатый отражатель из никелевого сплава на медленную скорость вращения при сохранении длительности импульса мощности. Он успешно прошел пуск на реакторе в 2004 году, показав 220 мкс при скорости ОПО только 600 об/мин. Работа на медленных скоростях вращения позволяет продлить ресурс безопасной эксплуатации ПО до 20 лет. Этот же отражатель будет работать и на модернизированном реакторе ИБР-2М .
Любой реактор имеет ограниченный ресурс работы вследствие развития радиационной 'усталости' конструкционных материалов. В середине 90-х годов была инициирована программа модернизации реактора ИБР-2 с тем, чтобы заменить большую часть его узлов, ресурс которых истекает в 2007 году. Модернизация предполагает, наряду с заменой, одновременное усовершенствование важнейших элементов, таких как корпус реактора, стационарный отражатель, исполнительные блоки аварийной защиты, внешние замедлители нейтронов с целью повышения надежности и долговечности. Кроме того, разработанная новая концепция композиции и размещения замедлителей нейтронов вокруг модернизированного реактора ИБР-2М позволит создать наилучшие условия для эффективного использования модернизированных и новых спектрометров. На новом реакторе планируется расширить возможность использования холодных нейтронов в соответствии с возрастающим интересом к исследованиям нано- и мезоскопических структур в физике твердого тела и биологии.
Исследовательский импульсный реактор ЛНФ ОИЯИ ИБР-2 пока остается самым эффективным в мире источником для исследований на выведенных пучках медленных нейтронов, а после модернизации он еще в течение 20 лет будет в первой пятерке мировых лидеров в этой области ядерной науки.
Таким образом, путь развития нейтронных источников в ОИЯИ был выбран, безусловно, правильно, что стало особенно актуально в период реформ в России с постоянным дефицитом средств. ОИЯИ был бы не в состоянии эксплуатировать гигантскую, дорогостоящую машину, какой является SNS. В течение 50-летнего существования ОИЯИ имел и будет иметь в дальнейшем прекрасные возможности для научных исследований с помощью нейтронов благодаря изящной идее пульсирующего реактора, рожденной в Обнинске в 1955 году и эффективно использованной в Лаборатории нейтронной физики им И.М. Франк