Ядерний старт

Атака на ядро

Саме такі випадки в історії світової науки називають очевидним, але неймовірним фактом. Рішення про створення в тодішній столиці України фізико–технічного інституту було прийняте у травні 1928 року. У листопаді 30–го його відкрили в стінах щойно збудованих корпусів. А вже 10 жовтня 1932–го (тобто всього лише через чотири роки після першої згадки про УФТІ і через два роки після його офіційного відкриття) світ облетіла неймовірна звістка: на скромному прискорювачі Ван–де–Граф молодого українського інституту був успішно повторений фундаментальний експеримент однієї з найстаріших лабораторій світу. Остання була заснована при 700–літньому Кембриджському університеті ще в 1871 році й на той час особисто опікувалася «батьком ядерної фізики» Резерфордом.

Але, за великим рахунком, часова близькість двох історичних експериментів певною мірою була закономірною. Теоретичну можливість розщеплення атомного ядра фізики розглядали й раніше, проте реалізація їхніх ідей потребувала неймовірної кількості енергоносіїв, що на той час здавалося утопією. Тобто саме технічна неможливість прискорити частки до розрахованих енергій зупиняла науковців від спроби провести такий експеримент. Усіх несподівано виручив 25–річний (!) випускник Ленінградського фізтеху, колишній одесит Георгій Гамов, який у 1929 році виступив iз доповіддю на науковому семінарі сера Резерфорда в Кембриджі. Скориставшись перевагами нової хвильової фізики, він розрахував ймовірність проникнення прискорених протонів через кулонівський бар’єр атомного ядра і переконав кембриджських фізиків вирішити цю проблему по–новому. Між іншим, «батько ядерної фізики» не одразу повірив Гамову. Лише особистий лист іншого видатного вченого, Нільса Бора (той одразу розгледів раціональне зерно в ідеї молодого ентузіаста і взагалі дуже добре до нього ставився), змусив Резерфорда дати добро на будівництво прискорювача протонів.

Із цією ж ідеєю у 1931 році Георгій Гамов як науковий консультант приїхав до УФТІ, де вже почав створювати свій знаменитий теоретичний відділ його добрий товариш Лев Ландау. Незабаром Харків відвідав також Джон Кокрофт. Саме він безпосередньо займався будівництвом установки для розщеплення ядра у Великобританії і роком пізніше разом зі своїм колегою Уолтом таки здійснив цей експеримент першим. Після його візиту так звана «Високовольтна бригада», що була створена у харківському фізтесі для сучасних досліджень в енергетичній галузі, переключилася на досліди з ядерної фізики і в жовтні 32–го здивувала світ своєю новаторською зухвалістю.

До речі, у 30–х роках минулого століття науковий світ був напрочуд відкритим і контактним. Завдяки цьому дивовижні ідеї облітали світ iз блискавичною швидкістю, надихаючи фізиків на нові відкриття. У це важко повірити, але всі четверо членів «високовольтної бригади», Олександр Лейпунський, Кирило Синельников, Антон Вальтер і Георгій Латишев, яким вдалося у Харкові «зруйнувати» ядро літію, тривалий час стажувалися за кордоном. І, навпаки, у цей же період на кілька років поспіль столиця України стала одним із найголовніших центрів теоретичної фізики світу. Сюди неодноразово приїжджали видатні науковці Дірак із Кембриджа, Подольський із Принстона, Еренфест із Лайдена, двічі бував геніальний Плачек, а у 34–му на добрих три тижні прибув сам великий Бор і щодня до обіду працював iз харківськими теоретиками. Цей унікальний список можна продовжувати далі. Такою популярністю серед іноземних учених у ті роки не користувався жоден науково–дослідний інститут СРСР. «Усе це перетворювало Харків на столицю теоретичної фізики, — казав перший директор УФТІ Іван Обреїмов. — Важливо було те, що теоретики приїжджали не як гостi, не на кілька днів, а тривалий час працювали протягом кількох тижнів». Тож доленосний експеримент став, без перебільшення, їхньою­ спільною справою, і не так уже й важливо, кого доля обрала на роль першовідкривача.

Таке поняття, як «справедлива оцінка заслуг» у науці взагалі досить відносне. Скажімо, британці Кокрофт і Уолт за свій внесок у розвиток ядерної фізики отримали в 1951 році Нобелівську премію. Ввійшла в історію і четвірка з харківської «високовольтної бригади», якій біля нового корпусу УФТІ збудували пам’ятник. А ось ім’я Георгія Гамова у цьому зв’язку несправедливо забуте, хоча без його ідеї «тунелювання» експеримент з розщеплення атомного ядра навряд чи вдалося б провести саме на тому відрізку часу.

Показовою у цьому зв’язку стала й історія з винаходом ядерної зброї. Під час війни у стінах інституту була організована суворо засекречена «Лабораторія №1», що працювала над реалізацією так званого атомного проекту. Більше того, «уфтінці» Фрідріх Ланге, Володимир Шпігель та Віктор Маслов ще у 1940 році вперше в історії світової науки запропонували схему підриву ядерного заряду, подавши заявку на виготовлення атомної бомби та впровадження методів збагачення урану–235. І тільки неувага чиновників до харківського ноу–хау стала причиною того, що американці випередили СРСР за темпами реалізації аналогічного проекту, а по війні ще й випробували її дію на двох японських містах. Сьогодні вже мало хто знає про те, що «хіросім» на планеті могло бути й більше. Адже у спеціальній директиві, затвердженій президентом США 23 листопада 1948 року, планувалося скинути протягом 30 днів ще й 133 атомні бомби на 70 міст СРСР. Цього не сталося тільки тому, що радянські вчені до того часу вже відрапортували про винахід власної ядерної бомби, а в Харкові та інших містах країни запрацювали потужні гіганти ВПК, здатні створювати аналогічні боєголовки. Неважко здогадатися, що вчасно «догнати» американців у справі створення зброї масового знищення Радянському Союзу вдалося у тому числі і завдяки раніше невизнаним ідеям «уфтінців».

«Еврика!», або Кінець квантової електродинаміки?

Розщеплення атомного ядра таїло в собі фактично невичерпний потенціал зi створення принципово нових технологій. Але щоб вивчити можливості глибин невидимої матерії, потрібні були зовсім інші прилади. Саме тому Олександр Лейпунський, який очолив УФТІ у 1933 році, а у післявоєнні роки і його наступник Кирило Синельников, дали «добро» на розробку істотно нової техніки. І оскільки відповідної теорії на той час не було в жодному науково–дослідному центрі планети, розробляти її довелося фактично з нуля. Апофеозом програми став на той час найпотужніший у світі лінійний прискорювач електронів з енергією до 2000 МеВ (ЛУЕ–2000). Правда, піонерами справи харків’янам стати знову не поталанило, оскільки трохи раніше у Стенфорді американці встигли запустити аналогічний прилад, але з більшою енергією електронів. Тобто США, що неабияк розбагатіли на ІІ Світовій війні як у матеріальному, так і в інтелектуальному плані, виявилися надто сильним конкурентом для ослабленого евакуацією на той час уже ХФТІ.

І все ж ЛУЕ–2000 згодом таки приніс Харкову «піонерську» славу і, що найцікавіше, знову завдяки ентузіазму молодих дослідників та всупереч невір’ю досвідчених метрів від науки. На початку 70–х років фізики активно шукали виходу за рамки найдосконалішої на той час теорії — квантової електродинаміки. З цією метою в ХФТІ на прискорювачі електронів з енергією до 2000 МеВ був створений один із перших у світі пучок часток «антиматерії» — позитронний пучок з енергією понад 1000 МеВ. Недавнім випускникам ХДУ Віктору Мороховському, Григорію Коваленку (обидва не встигли отримати навіть звання молодших наукових співробітників) та Валентину Касилову, які входили до складу групи «позитронщиків», дозволили провести ініційований ними порівняльний експеримент когерентного гальмового випромінювання електронів та позитронів у кристалі. Виявилося, що позитрони вільно проходять через певним чином орієнтовану кристалічну перешкоду, ніби її немає взагалі. А радіаційні втрати енергії електронів у кристалі, навпаки, у кілька разів більші, ніж в аморфній речовині. Це суперечило існуючим теоретичним викладкам, тому впору було вигукнути класичне: «Еврика!». Але рiч у тiм, що йшлося про недсоконалість найдосконалішої теорії квантової електродинаміки, одним iз фундаторів якої був видатний фізик–теоретик академік Олександр Ахієзер, ім’я якого зараз носить Інститут теоретичної фізики ННЦ ХФТІ. Реакцію останнього про кінець справи життя передбачити було неважко. «Цього не може бути тому, що цього не може бути взагалі», — сказав він, вислухавши доповідь Віктора Мороховського на підсумковій конференції і навіть назвав отриманий стажерами–дослідниками результат «експериментальним брудом». Після такої нищівної критики завідувач відділом лінійних прискорювачів Ігор Гришаєв побоявся дати дозвіл на публікацію висновків в авторитетних журналах, без чого отримані дані не могли бути визнані науковим світом. Але до честі директора, він не наклав суворе «табу» на відкриття, дозволив його перевірити, хоча й припустив, що початківці, напевно, щось там згарячу наплутали. До даної проблеми долучився талановитий фізик–теоретик Петро Фомін, який вбачав можливість такого наслідку експеримента. Але оскільки в той час його повністю «поглинули» фундаментальні проблеми космології, то він доручив цю теоретичну проблему тодішньому студенту–дипломнику ХДУ, нинішньому академіку і лауреату Державної премії, директору Харківського інституту теоретичної фізики Миколі Шульзі. Він чудово справився з непростим завданням і таки довів, що теорія не заперечує експериментально виявленого ефекту відмінності у випроміненні електронів та позитронів, якщо дещо вдосконалити теорію випромінювання, створену всесвітньо відомими корифеями Бете та Гайтлером. «Табу» на публікацію наслідків експерименту було скасовано, а головне, доведено, що проблема існує і має неабиякий інтерес! Під егідою Ігоря Гришаєва була створена програма експериментальних досліджень і сформована група дослідників, яку очолив аспірант Антона Вальтера — Борис Шраменко. «Піонерські» роботи групи харківських фізиків здобули міжнародне визнання. «Потім з’ясувалося, — пригадує директор Харківського інституту ядерної фізики та високих енергій, професор Анатолій Довбня, — що наші експериментатори вперше відкрили так зване каналювання позитронів у кристалах. Згодом до справи долучилася потужна бригада теоретиків: Олександр Ахієзер, Микола Шульга, Валентин Трутень, Сергій Фомін, Анатолій Гриненко та інші — i з’ясувалося, що вони відкрили нову галузь науки у фізиці і що на основі цих знань можна змінювати напрями пучків часток iз надзвичайно високими енергіями, докорінно змінити якість детекторів елементарних часток, і, що найбільш важливо, створити потужні джерела рентгенівського та гамма–випромінювання з прицизійними параметрами.

І оскільки у Союзі одразу зрозуміли, що ця річ може бути застосована в оборонній галузі (тоді якраз були актуальнi програми «зоряних воєн»), наш проект набув особливого значення. На цій основі можна було побудувати могутні джерела гамма–квантів, що, грубо кажучи, виходили б з авіаносця, спрямовувалися у космос, вражаючи потрібну точку».

На щастя, до «зоряних воєн» справа не дійшла, але харківське відкриття таки стало основою для створення принципово нових приладів і, до речі, й понині не втратило своєї актуальності. Аби порівняти стару техніку з тією, що почала створюватися завдяки відкритому каналюванню, доктор фізико–математичних наук, професор, член НКРЗ України Григорій Коваленко в інтерв’ю «УМ» навів такий приклад: «Скажімо, у Дубні я бачив прилад, на якому проводився експеримент iз повороту пучка. Він мав форму великої труби, всередині якої людина могла вільно рухатися на повний зріст. Нинi ж достатньо отвору діаметром кілька десятків сантиметрів. Вставляєш невеликий кристал, повертаєш його під потрібним кутом — і все. А найголовніше, що при допомозі нашої технології можна управляти цими пучками. Така перевага має виняткове значення і для науки, і в прикладному сенсі. Особливо виграла медицина, отримавши більш точне лікувальне і діагностичне обладнання».

Харківська технологія швидко здобула популярність у науковому світі. «Наші ­фахівці стали затребуваними за кордоном, — каже співробітник Харківського інституту теоретичної фізики Сергій Фомін. — Багато зарубіжних програм створювалися конкретно під наших людей. Віктор Мороховський, наприклад, розвинув цей напрям у Німеччині, Володимир Ганенко — у Швеції». А недавно до ефекту каналювання з’явився новий інтерес. Європейський центр ядерних досліджень (ЦЕРН) після півторарічної реконструкції свого найвидатнішого дітища Великого адронного колайдера планує ввести в дію системи на основі кристалів, робота яких здійснюватиметься у тому числі й завдяки харківському ноу–хау. Так, недавно в ЦЕРН був підтверджений експериментально ефект пригнічення випромінювання часток надвисоких енергій в тонкому шарі речовини, якому фахівці дали назву ефекта «Гриненка–Фоміна–Шульги».

Тож не випадково цикл робіт авторського колективу ХТФІ в складі А. М. Довбні, В. Б. Ганенка, А. А. Гриненка, В. Й. Касилова, Г. Д. Коваленка, М. І. Маслова, В. Л. Мороховського, В. І. Трутня, С. П. Фоміна, Б. І. Шраменка «Динаміка пучків частинок високих енергій у кристалічних структурах, керування параметрами пучків та властивостями гамма–випромінення» була висунута на здобуття Державної премії України в галузі науки і техніки 2012 року. Це якраз той випадок, коли після широкого міжнародного визнання мусить прийти і висока оцінка заслуг колективу науковців перед Батьківщиною. Принаймні у ННЦ «ХФТІ» на це дуже сподіваються, оскільки таке визнання, крім усього, може принести і певний інтерес до науки взагалі.

Лікарня майбутнього і керований атом

«Горбачовський» період, здавалося, назавжди «поховав» у ХФТІ серйозні ядерні дослідження. Ще більше фінансових проблем з’явилося в інституту з настанням незалежності, оскільки Україна, на відміну від західних держав, виділяє на розвиток науки скромні (це щоб не сказати — жебрацькі) 0,3 відсотка свого ВВП. Більше того, чим глибше фізики проникають у сферу невидимої матерії, тим дорожчими стають їхні експерименти. Якщо взяти за приклад досвід того ж таки ЦЕРНу, то ціна питання наразі вимірюється вже не мільйонами, а мільярдами доларів. Саме тому у світі стали популярнi міжнародні наукові колаборації, що працюють буквально в складчину. Україна свою частку в цьому співробітництві оплачувати не поспішає, але знання і досвід вітчизняних фізиків високо ціняться за кордоном і зараз. Скажімо, харків’яни беруть найактивнішу участь у роботі Великого адронного колайдера і збудували там один із шести могутніх детекторів «Аліса». У даному напрямi досліджень iз ЦЕРН активно співпрацює Микола Маслов.

Співпраця з міжнародними організаціями допомагає ННЦ «ХФТІ» розвивати нові напрями діяльності й у рідних стінах. Скажімо, невдовзі тут буде відкрито центр iз виробництва радіофармпрепаратів. Ідеться про так звані медичні ізотопи, після введення яких в організм людини гамма–камера може «зчитувати» хвороби навіть на початковій стадії розвитку. Не менш цінні й їхнi лікувальні властивості, оскільки, на відміну від широко уживаної хіміотерапії, вони знищують лише пошкоджені хворобою клітини.

Аби налагодити їхнє виробництво, потрібні чималі кошти, тому дозволити собі це можуть далеко не всі країни. Але й це лише частина проблеми, оскільки згадані препарати виготовляють в основному на ядерних реакторах, термін діяльності яких фактично в усіх країнах–виробниках добігає кінця. Саме тому в Європі і в США серйозно зацікавилися фотоядерною технологією виробництва ізотопів, що була розроблена фахівцями ННЦ «ХФТІ». Гроші на розвиток харківського ноу–хау виділили американці. Збудований фактично з нуля центр вже готовий поставляти медичні ізотопи місцевим клінікам. В інституті на цей рахунок є більш цікавий проект. Оскільки радіофармпрепарати «живуть» усього кілька годин, вони можуть бути використані лише в харківських лікарнях. Тому автори цього перспективного проекту мріють відкрити поблизу свого наукового закладу центр ядерної медицини, куди б лікуватися приїздили пацієнти з усієї країни. Приміщення для такої лікарні вже є. Залишилося забезпечити його обладнанням, що, до речі, теж виготовляється у Харкові. На жаль, поки що ця пропозиція ХФТІ не знаходить дієвої підтримки в столиці.

Водночас американський уряд фінансує в інституті ще один важливий для розвитку ядерних технологій проект. Як «УМ» уже повідомляла, в обмін на здачу останньої партії високозбагаченого урану, в США погодилися профінансувати будівництво у Харкові експериментальної установки. Це прототип так званих підкритичних збірок, що не поступаються за коефіцієнтом корисної дії обладнанню нині діючих атомних станцій, але вважаються більш безпечними й екологічно чистими. Ця технологія дозволяє повністю спалювати уран, утилізація залишок якого нині вважається однією з найбільших проблем сучасної атомної енергетики. До того ж, як повідомив «УМ» генеральний директор ННЦ «ХФТІ» академік Іван Неклюдов, підкритичні збірки дозволять атомникам керувати процесами, що відбуваються в атомних реакторах АС. Тобто трагедій українського Чорнобиля та японської Фукусiми можна буде уникнути.

Наразі вже збудовано для майбутньої експериментальної установки кілька поверхів. Обладнання, з подачі харківських фахівців, для об’єкта виготовлять китайці. За словами Анатолія Довбні, робота проходить за чітким планом, тому за рік–два Харків знову підвищить свій рейтинг у світовій науці. І ще одна важлива деталь. До українсько–американського «уранового» договору ввійшов і пункт про будівництво гуртожитку для молодих учених. А це значить, що в харківської школи ядерної фізики таки є майбутнє.