Фундаментальные исследования на исследовательском ядерном реакторе

Ядерный реактор - не только источник энергии, но и уникальная лаборатория фундаментальной физики. В процессе деления тяжелых ядер урана и плутония рождается интенсивный поток бета-электронов и электронных антинейтрино. Однако спектральный состав этого излучения, формируемый сотнями продуктов деления, до сих пор содержит неопределенности, которые ограничивают точность современных физических моделей и осложняют интерпретацию результатов экспериментов на ядерных реакторах.

Цель исследования - получить наиболее точные в мировой практике данные о спектральном составе бета-частиц и антинейтрино ядерного реактора; создать эталонную базу, которая позволит перевести расчеты и измерения в ядерной физике на новый уровень точности.

Фундаментальная и прикладная значимость

Полученные в ходе исследования данные критически важны для решения широкого спектра задач - от проверки законов Стандартной модели до обеспечения безопасности атомной энергетики, в частности:

• Обеспечение экспериментов нового поколения:
  предоставление прецизионных теоретических и экспериментальных данных для анализа данных крупнейших международных нейтринных экспериментов. Это необходимо для поиска гипотетических стерильных нейтрино, определения иерархии нейтринных масс и природы массы нейтрино, поисков возможного СР-нарушения в лептонном секторе Стандартной модели.
• Повышение эффективности и безопасности АЭС:
  точное знание спектров реакторных антинейтрино позволяет в реальном времени отслеживать тепловую мощность и изменение изотопного состава топлива ядерного реактора независимым от операторов АЭС методом.
• Уточнение мировых баз ядерных данных:
  устранение накопленных расхождений в оценках спектров продуктов деления (включая разрешение известной «аномалии реакторных антинейтрино») и публикация верифицированных данных для международного научного сообщества.

Экспериментальная база

Фундаментом для получения эталонных данных служит уникальная экспериментальная станция «Бета», развернутая на выходе из горизонтального канала №11 исследовательского реактора ИР-8 НИЦ «Курчатовский институт».

Эскиз экспериментальной установки.

1 – низкофоновый бета-спектрометр,

2 – пучок нейтронов (горизонтальный экспериментальный канал №11 ИР-8),

3 – мишени урана и плутония, установленные на вращающемся диске (для пространственного разделения точки деления и точки измерения с целью подавления фона)

Задачи

- Теоретическая физика:

• расчет спектров бета-частиц и антинейтрино, предсказание наблюдаемых величин в реакторных нейтринных экспериментах (релятивистская квантовая механика, элементы квантовой теории поля, программирование, работа с базами данных);
• моделирование нейтронно-физических процессов: расчет накопления и спада активностей продуктов деления, расчет активной зоны ядерного реактора, эволюции концентрации нуклидов, выгорания ядерного топлива (владение специальным программным обеспечением, программирование, численные методы);
• моделирование детекторов ядерных излучений (владение специальным программным обеспечением, программирование, физика сцинтилляторов и оптика);

- Экспериментальная ядерная физика:

• создание низкофонового бета-спектрометра для детектирования бета-частиц продуктов деления урана и плутония, проведение калибровочных экспериментов, анализ данных;
• нейтронно-активационные эксперименты на горизонтальном экспериментальном канале №11 ИР-8;
• измерения спектров бета-частиц продуктов деления урана и плутония на горизонтальном экспериментальном канале №11 ИР-8;

- Электроника и программирование

• проектирование и разработка электронно-измерительного тракта для детекторов ядерных излучений (электроника и схемотехника, программирование, физика детекторов);
• разработка системы сбора данных (низкоуровневое программирование);
• анализ применимости методов машинного обучения для решения поставленных задач;

Работы студентов(для ознакомления):

• Зайцев Вячеслав Николаевич «Расчёт спектров антинейтрино и бета-частиц продуктов деления изотопов урана и плутония в реакторах на тепловых и быстрых нейтронах»
• Сушкова Полина Игоревна «Разработка сцинтилляционного спектрометра для измерения энергетических спектров бета-частиц продуктов деления изотопов урана и плутония»
• Фахрутдинов Эрик Айратович «Моделирование неравновесных процессов в физике реакторных антинейтрино и её приложениях»

Публикации по теме исследования (для ознакомления):

1. Попов Д. В., Скорохватов М. Д. Модель конверсии бета-спектров продуктов деления изотопов урана и плутония в спектры антинейтрино // Письма в ЭЧАЯ. — 2023. — Т. 20, №1(246). — С. 5–16.
2. Копейкин В. И., Попов Д. В., Скорохватов М. Д. Динамика энерговыделения в активной зоне ядерного реактора // Ядерная физика. — 2024. — Т. 87, Вып. 1. — С. 3–10.
3. Попов Д. В., Долганов Г. Д., Копейкин В. И., Скорохватов М. Д. Новые измерения отношения спектров бета-частиц продуктов деления ²³⁵U и ²³⁹Pu // Письма в ЖЭТФ. — 2026. — Т. 124, Вып. 3. — С. 182-187.

Контактное лицо:
Попов Д.В.
DVPopov@mephi.ru