Три в одном: линейный коллайдер, ядерный реактор и нейтринная фабрика
|
На основе будущего линейного коллайдера элементарных частиц можно будет построить безопасный ядерный реактор и нейтринную фабрику. Для этого не потребуется вносить ничего нового в конструкцию коллайдера: в обоих вариантах будут просто использоваться уже отработанные пучки электронов.
Через 10-15 лет в экспериментальной физике элементарных частиц наступят непростые времена. Продолжать идти по проторенной дороге (строить кольцевые ускорители заряженных частиц все больших размеров) станет слишком дорого, и поэтому уже сейчас идет поиск альтернативных вариантов. Один из таких вариантов (о нем мы писали в заметке Американцы придумали, как ускорить ускоритель) заключается в развитии новых методик разгона частиц, однако до конкретного результата здесь еще далеко. Другой заключается в конструировании не кругового, а линейного коллайдера, и проектирование таких ускорителей уже ведется (наиболее перспективным кажется проект TESLA, см. также заметку Будущее физики частиц и проект TESLA).
В кольцевом ускорителе сгустки частиц летают в кольцевой вакуумной камере многие часы и успевают столкнуться друг с другом миллиарды раз. За такое многократное использование приходится платить — надо постоянно держать сгустки «в узде», не давать им разлететься после столкновения. Кроме того, поддержание пучков высокой энергии на круговой орбите требует много энергии.
Основная особенность линейного коллайдера, в отличие от кругового, — то, что каждый сгусток разогнанных до высокой энергии частиц используется всего лишь один раз. Поэтому перед столкновением со встречным сгустком его можно сжимать до минимальных размеров, не беспокоясь о его судьбе после столкновения. Из-за отсутствий потерь на излучение получение сгустков высокоэнергетических электронов обходится несравненно дешевле с точки зрения электроэнергии.
Все бы хорошо, но все-таки, как бы дешево ни обходилось получение сгустков, не хочется впустую «выкидывать» их после столкновения. Хочется заставить их делать какую-нибудь полезную работу и после выполнения их основной миссии. Оказывается, такие способы есть, причем как интересные для науки, так и полезные для народного хозяйства. В двух заметках, появившихся недавно в архиве е-принтов hep-ph, Илья Гинзбург из Новосибирска (один из авторов концепции фотонного коллайдера) описывает два возможных решения. Это субкритический ядерный реактор (hep-ph/0507334) и нейтринная фабрика (hep-ph/0507335) на основе линейного коллайдера.
Идея субкритического ядерного реактора на пучке частиц была высказана еще в 1995 году бывшим директором ЦЕРНа Карло Руббиа (см. статью Электроядерная установка для уничтожения ядерных отходов в журнале УФН). В таком реакторе пучок частиц направляется внутрь емкости с ураном или торием и инициирует там ядерную реакцию деления, давая на выходе больше энергии, чем было затрачено на создание пучка. Такой реактор будет всегда находится в субкритическом состоянии, т. е. ниже порога необратимого развития цепной реакции. А значит, в нем не будет опасности перегрева: в крайнем случае, достаточно будет отключить пучок, и ядерные реакции в нем быстро прекратятся. Кроме того, радиоактивные отходы будут более короткоживущими, чем в обычном реакторе. Инженерная проблема, однако, состоит в том, что для такого реактора требуется электронный пучок достаточно большой мощности, а современные синхротроны пока очень далеки до этого порога.
Сейчас же, когда конструкция будущего линейного коллайдера приобретает все более четкие очертания, становится ясно, что, во-первых, его мощности хватит для такого реактора, во-вторых, имеется возможность так «рассеять» энергию электронного пучка, чтобы он не пробивал насквозь реактор, а в-третьих, он своим присутствием не будет мешать самому ускорителю. Для более конкретных предложений теперь требуется всесторонний технический анализ.
Другая возможность — создание нейтринной фабрики (т. е мощного источника нейтрино) — тоже использует уже отработанные пучки, правда уже фотонов. Высокоэнергетические фотоны должны проходить через конвертор, рождая пи-мезоны, которые затем при распаде испустят нейтрино. Такой пучок нейтрино будет обладать очень узкой направленностью, а также известной зависимостью по времени. Направлять его можно будет как на близко лежащие, так и на очень далекие детекторы нейтрино (например, в Антарктиде). В последнем случае из-за кривизны Земли возникает инженерная сложность: придется копать туннель вглубь под большим углом к горизонту. Зато это с лихвой окупится ценными данными по нейтринным осцилляциям.
В обоих вариантах важно, что ускоритель не придется «подстраивать» ни под нужды реактора, ни под нейтринную фабрику. Пусть ускоритель занимается своей высокоэнергетической наукой, а отработанные пучки пойдут на пользу исследованиям нейтрино или для народного хозяйства.
Игорь Иванов
