Меченые нейтроны: поиск в недрах земли и на морском дне
В ОИЯИ есть много примеров применения методов ядерной физики и физики элементарных частиц в различных областях: от классической дубненской схемы получения ядерных мембран путем облучения полимерных пленок на ускорителях до такой "экзотики", как изменение цвета самоцветов под действием нейтронных пучков от дубненского реактора ИБР-2М. Дубна связана со многими предприятиями, которые так или иначе заинтересованы в применении разработанных здесь ядерно-физических методик. Детекторы компаний ДВиН и "Нейтронные технологии", основанные на использовании метода меченых нейтронов, уверенно заняли свою нишу в ряде стран, о чем наша газета писала неоднократно. И сегодня мы предоставляем слово специалистам из России и Хорватии, которые лишь недавно подключились к этому сотрудничеству.
Россия, компания "Алроса"
Геннадий Маркович Никитин заведует развитием инноваций в широко известной во всем мире алмазодобывающей компании "Алроса". Примечательно, что его интерес к разработкам дубненских специалистов вызвала публикация в научно-популярной периодике, что лишний раз доказывает необходимость всемерной популяризации результатов деятельности предприятий "инновационного пояса", сложившегося вокруг нашего Института.
- От М.Г.Сапожникова я услышал, что вы прочли о работах его группы в журнале "Знание - сила", с которым наша газета давно и тесно сотрудничает. Чем вас привлек этот материал и что из этого последовало?
- Пожалуй, начну с того, что журнал "Знание - сила" мы любили читать еще со школы. В журнале всегда публиковались интересные научные статьи о необычных вещах, пересказанные простым и понятным даже для школьников языком. В начале прошлого года мне попалась ссылка на электронную версию журнала в Интернете, и я решил посмотреть, о чем там пишут. Как раз в этом номере была публикация о детекторах взрывчатки и наркотиков ДВиН, которую я с интересом прочитал. Днем позже я подумал, что этот метод можно попробовать и для поиска полезных ископаемых, в том числе алмазов, которые наша компания добывает на радость женщинам и для использования в различных отраслях промышленности. Связался с М.Г.Сапожниковым, задал вопрос о теоретической возможности подобного применения метода быстрых меченых нейтронов и получил приглашение в ОИЯИ для проведения эксперимента. Взяв с собой несколько образцов кимберлита - руды, в которой находят алмазы, мы приехали в Дубну. Для проверки гипотезы вместо алмазов мы использовали графитовые кубики, коих в ОИЯИ великое множество.
- Как вы оцениваете контакты с группой Сапожникова, каковы, на ваш взгляд, перспективы возможного сотрудничества с учетом специфики инновационной деятельности корпорации "Алроса"?
- На мой взгляд, у нас с группой М.Г.Сапожникова наметились неплохие перспективы в плане научного сотрудничества в области горнодобывающей промышленности. Для проверки теории на практике необходимо создание опытного устройства с новыми генераторами и детекторами частиц, работающего в условиях промышленного производства. То есть вновь сконструированное устройство должно пройти проверку на определенные объемы производительности обработки руды, проходящей по конвейеру или в условиях хранения на рудном складе. Технические параметры устройства находятся в стадии согласования. Заявка на совместный патент подана в ФИПС (Федеральный институт промышленной собственности - (Е.М.). В случае успешного проведения экспериментов мы сможем находить крупные алмазы внутри куска руды без разрушения в дробилках и мельницах самоизмельчения. Для нас важно то, что метод быстрых меченых нейтронов позволяет однозначно определять крупные алмазы в кимберлите, отбирать выделенные куски руды, содержащие алмазы, и проводить их дезинтеграцию щадящими методами с сохранением природных кристаллов. Как известно, стоимость алмазов растет в геометрической зависимости от увеличения их размера. Надеюсь, что наше совместное изобретение поможет компании "Алроса" "увидеть" самый крупный алмаз, когда-либо найденный в мире.

Рудник "Мир" компании "Алроса"
- Хотелось бы надеяться, что и ваша корпорация пополнит число пользователей этих приборов. Что, на ваш взгляд, для этого нужно от вас и от нас?
- Я надеюсь, что продвижение нашего совместного проекта с привлечением финансирования от Фонда "Сколково" или иного института развития поможет не только алмазодобывающей компании "Алроса", но и другим горнодобывающим компаниям. С помощью этого метода геологи смогут определять наличие полезных ископаемых в различных рудах в полевых условиях. Добывающие компании смогут отделять (сортировать) концентрат руды от пустой породы. Для ускорения этих процессов необходимо совершенствование регистрирующей аппаратуры и повышение радиационной защищенности приборов для использования в промышленных производствах.
- Как представитель крупного российского бизнеса, заинтересованного во внедрении новейших научных достижений, вы, наверное, можете привести и другие примеры инновационной деятельности вашего предприятия.
- Без внедрения новейших научных достижений крупным компаниям трудно конкурировать на мировом рынке - необходимо постоянно совершенствовать технологии, снижать себестоимость, выпускать новые продукты. В 2012 году мы подписали соглашение с Институтом имени Фраунхофера в Германии по проведению НИОКР по обнаружению алмазов в кимберлите с помощью метода рентгеновской абсорбции. Первые результаты будут известны в апреле-мае 2013 года, уже в самые ближайшие дни. По предварительным сообщениям немецких партнеров, получены положительные результаты, которые также придется апробировать в условиях обогатительной фабрики.
(Следующий пример, который привел мой собеседник, чисто композиционно несколько выбился из темы нашего интервью, но мне он показался столь интересным, что я решил оставить его в качестве приложения к основному тексту в конце статьи - Е.М.).
Загреб, Хорватия, Институт Руджера Бошковича
Владо Валкович, профессор физики, не только с готовностью откликнулся на наше предложение прокомментировать свои ожидания и надежды в связи с установившимся сотрудничеством, но и поблагодарил в своем ответном электронном письме за внимание к этой теме и к работам его института.
- Что привлекло вас в Дубну?
- Как физика-ядерщика меня всегда привлекала Дубна - известный центр фундаментальной науки, в котором были сделаны многие признанные работы. Я был очень рад принять приглашение М.Г.Сапожникова посетить ОИЯИ вместе с моими коллегами.
- Как вы узнали о работах М.Г.Сапожникова? Например, в российской компании "Алроса" о них узнали из журнала "Знание - сила".
- Это произошло на Международной научной конференции "Портативные генераторы нейтронов и технологии на их основе", проводимой ФГУП "ВНИИА" в Москве 22-26 октября 2012 года. Мы оба вскоре поняли, что решаем одни и те же проблемы и наши работы очень похожи.
- Что вы думаете о детекторах, которые созданы дубненской группой?
- Во время моего визита в Дубну в декабре 2012 года я видел инструменты и детекторы, разработанные в ОИЯИ. Я был впечатлен примерами использования детекторов на основе метода меченых нейтронов для поиска скрытых веществ в различных средах.
Две разработки дубненских коллег меня впечатлили больше всего.
Во-первых, линейка детекторов наркотических и взрывчатых веществ, включающая портативный детектор взрывчатых веществ, детектор для заминированных автомобилей, стационарные системы обнаружения взрывчатых веществ и наркотиков и система для досмотра крупногабаритных грузов. Наша компания A.C.T. и компания "Нейтронные технологии" подписали письмо о намерениях, чтобы A.C.T. стала дистрибьютором этой продукции в Хорватии и странах всего Балканского региона.
Во-вторых, работы по созданию подводной системы в рамках проекта АКВА-ДВиН. Мы выразили желание присоединиться к этому проекту и предложили использовать нашу испытательную лабораторию на острове Крк в Адриатическом море. У нас есть команда ученых и техников, которые принимали участие в финансируемом Евросоюзом проекте UNCOSS по обследованию прибрежных областей. На фото показан подводный аппарат, созданный в рамках проекта UNCOSS, в котором также используется метод меченых нейтронов для обследования подводных объектов.
- Каковы ваши планы по развитию сотрудничества с ОИЯИ? Поддерживаются ли они правительством вашей страны?
- Мы планируем продолжать сотрудничество по двум направлениям: совместные работы по фундаментальным научным исследованиям и укрепление кооперации ОИЯИ - IRB, а прикладные исследования станут основой сотрудничества A.C.T. и ООО "Нейтронные технологии". У нас есть планы, как развивать оба направления, и сейчас мы работаем над их реализацией.
Наша главная цель - разработка совместного проекта по созданию аппарата на основе метода меченых нейтронов для глубоководного обследования морского дна. На основе опыта, накопленного в ходе реализации проекта UNCOSS, мы хотели бы создать аппарат, позволяющий исследовать объекты на глубине 100-1000 метров. Мы называем этот проект UNDESS (Underwater Deep Sea Surveyor). Для этого будет создана специальная платформа на основе небольшого катамарана с центральным отверстием для спуска в воду различных устройств, управляемых в режиме удаленного доступа (модуля досмотра с помощью георадара, модуля досмотра с помощью меченых нейтронов и т.д.). Будут обследоваться различные объекты на морском дне, подводные части плотин и мостов, корпусов судов и т.д. Кроме того, катамаран будет оснащен системой первичных датчиков, таких как магнитометр, гидролокатор и других необходимых сенсоров.
Для обследования глубин от 30 метров и более концепция спускаемого аппарата должна быть изменена - вместо одного модуля для всех компонентов детектора будут сделаны несколько небольших корпусов для отдельных составляющих. Конструкция спускаемого аппарата UNDESS будет такой, чтобы обеспечить его безопасное погружение на необходимую глубину. На первом этапе мы планируем погружение на глубину 100 метров. Место проведения погружения выбрано в районе острове Првич, недалеко от острова Крк. На втором этапе планируется погружение на глубину 1000 метров. Это потребует приобретения таких компонентов спускаемого аппарата, которые способны выдержать давление на этой глубине, длинного страховочного троса и соответствующей лебедки.
Средства, необходимые для реализации данного проекта, составят порядка 1-2 млн евро. Мы планируем представить проект для рассмотрения как национальным (российским и хорватским) финансовым учреждениям, так и для рассмотрения международным организациям (ЕС, НАТО).
Россия, "Алроса", импактиты Попигайского кратера (приложение)
Г.М.Никитин: В этом году Центр инноваций АК "Алроса" (ОАО) в соответствии с соглашением о научно-техническом сотрудничестве с Сибирским отделением РАН в Новосибирске и на основании поручения руководства компании приступил к работе "Инструментальное исследование свойств импактных алмазов Попигайской астроблемы для целей их технического применения" совместно с Институтом геологии и минералогии СО РАН. В свете недавних событий в Челябинске, где упал метеорит, наверное, стоит чуть подробнее рассказать об импактных алмазах.
В бассейне среднего течения реки Попигай на севере Красноярского края и Республики Саха (Якутия) расположен крупный метеоритный кратер, входящий в десятку крупнейших кратеров Земли. Попигайская астроблема (звездная рана) представляет уникальный по степени сохранности и обнаженности импактный кратер диаметром 100 км и возрастом около 38 млн лет.
Исследователи природного феномена предположили, что астероид диаметром около 8 км врезался в кристаллические породы раннедокембрийского фундамента Земли. В результате удара, взрыва и температуры, достигавшей 2000 градусов, расплавилось около 1750 кубокилометров горных пород. Миллиарды тонн были перемещены на значительные расстояния, превратились в другие породы, пыль и газ.
Пыль и газ в колоссальном количестве были выброшены в атмосферу и далее в стратосферу, что на многие годы уменьшило приток тепла к поверхности Земли и привело к резкому похолоданию на планете. Часть флоры и фауны, не выдержав изменений климата, погибла. Попигайский импактный кратер представляет собой многокольцевую структуру, аналогичную подобным на Луне, Меркурии и других планетах Солнечной системы.
Котловина кратера была открыта в 1946 году Д.В.Кожевиным и в разное время рассматривалась как грабен, как эрозионная впадина, как вулканический кратер. Лишь в 1970 году нашему хорошему знакомому ленинградскому геологу В.Л.Масайтису и его коллегам удалось доказать, что Попигайская котловина - один из крупнейших на Земле метеоритных кратеров. Гипотеза о метеоритном происхождении была основана на изучении обнажений породы (Пёстрые скалы), где на поверхности видны отложения, подвергшиеся ударному плавлению и дроблению. Тогда же появилось предположение, что здесь возможны залежи алмазов, связанные с преобразованием графита при больших температурах и давлении в очень твердую породу. В начале 1971 года при исследовании образцов породы из Попигайского кратера была открыта новая коренная порода алмазов - импактиты.
Импактиты образовались за счет переплавления кристаллических пород при ударном столкновении с космическими телами. Пока Попигайское месторождение импактных алмазов считается единственным в мире, хотя всего на Земле известно более 150 древних импактных кратеров. На территории Попигайской котловины импактиты во многих местах выходят на поверхность и уходят на глубину около 1,5 км. Их площадь превышает 1750 кв. км. Алмазы рассеяны по всей котловине и встречаются почти везде как в породах, так и в россыпях. Они образовались при ударном сжатии пород (твердофазный переход), когда графит переходит непосредственно в алмаз.
Общие запасы алмазов Попигайского месторождения, по подсчетам исследователей, превышают все известные запасы алмазов кимберлитовых провинций мира. Импактные алмазы значительно отличаются от кимберлитовых. Внешне они совсем не похожи на обычные алмазы. Они неказисты на вид и в основном имеют темную окраску. Также их отличает высокая плотность и твердость. По этим качествам импактные алмазы незаменимы в технических целях.
На данный момент в Попигайской котловине разведаны два месторождения импактных алмазов - "Ударное" в 7 миллиардов карат и "Скальное" в 140 миллиардов карат. В конце 1970-х годов ученые из киевского Института сверхтвердых материалов имени Бакуля выяснили, что абразивная способность попигайских импактных алмазов существенно выше, чем у синтетических и природных алмазов. Абразивная способность порошков из импактных алмазов по сравнению с синтетическими и лучшими образцами порошков из природных алмазов была в два раза выше, а отдельные образцы дали превышение в 2,4 раза. Оказалось, что это очень сложный агрегат (соединение двух разных молекулярных структур), там преобладают две фазы - стандартный кубический алмаз и второе - гексагональная фаза углерода, которая называется лонсдейлит. Она тверже, она плотнее, чем обычный алмаз, и образуется при более высоких значениях температуры и давления. Твердость этой фазы в 1,54 раза выше, чем у алмаза, а поскольку мы имеем здесь наноразмерные кристаллиты кубического алмаза и лонсдейлита - это очень вязкая матрица, которая определяет высокие характеристики попигайского импактита. Доля лонсдейлита в некоторых образцах может достигать 70 процентов.
Импактиты могут вытеснить синтетические алмазы - например, в инструментальной, камнерезной, буровой промышленности, в производстве турбин, точных деталей для самолетов, при изготовлении композитных материалов, например износостойких подшипников скольжения.
Нигде более в мире импактиты с такими свойствами до сих пор не обнаружены, и, таким образом, Россия может стать монопольным обладателем уникального сырья, востребованного в сфере передовых технологий, - обработки металлов, изготовления эффективных полупроводников и многого другого.
Будем надеяться, что "продолжение следует...", - и мы еще не раз вернемся к этой теме, не только много обещающей, но и немало дающей - тем, кто еще не разуверился в "плодах светоносной науки". Так, вслед за средневековыми учеными, называл приложения фундаментальных знаний Георгий Николаевич Флеров, горячий сторонник и поборник прикладных исследований.