Курчатовский институт
Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», ранее — Институт атомной энергии им. И. В. Курчатова. Курчатовский институт был основан в 1943 году, в научный центр преобразован в 1991 году. Центр подчинен непосредственно Правительству России и не входит в состав Российской Академии наук и отраслевых министерств.
В настоящее время НИЦ «Курчатовский институт» является одним из крупнейших научных центров России как по численности, так и по широте научных интересов и экспериментальных возможностей не только в атомной науке и технике, но и в различных областях физики. В РНЦ «Курчатовский институт» входят специализированные институты и научно-технические комплексы.
Основными направлениями деятельности Центра на сегодняшний день являются безопасное развитие ядерной энергетики, управляемый термоядерный синтез и плазменные процессы, ядерная физика низких и средних энергий, физика твердого тела и сверхпроводимость, мезонная химия. Также в Курчатовском институте проводятся фундаментальные и прикладные исследования в области молекулярной физики, физической и неорганической химии, химической физики, физики и химии плазмы, промышленной безопасности, экологии, элементной базы микроэлектроники, информатики и пр.
История
Великая Отечественная война была в самом разгаре, когда Государственный комитет обороны СССР принял постановление № 2872 от 11 февраля 1943 года, в котором были сформулированы задачи по решению урановой проблемы – разработке и созданию ядерного оружия в нашей стране. Ответственным за создание урановой бомбы был назначен 40-летний профессор ленинградского Физико-технического института Игорь Васильевич Курчатов. Спустя два месяца, 12 апреля 1943 года, вице-президент Академии наук СССР академик А.А.Байков подписал распоряжение о создании под руководством И.В.Курчатова Лаборатории № 2, превратившейся впоследствии в Институт атомной энергии. В 1960 году после смерти Игоря Васильевича Курчатова институт получил имя своего первого руководителя. В 1954 году Институт атомной энергии был награжден орденом Ленина, а в 1981 году – орденом Октябрьской Революции.
В 1991 году ИАЭ имени И.В.Курчатова был преобразован в Российский научный центр “Курчатовский институт” – первый государственный национальный научный центр России.
За 65 лет своего существования Российский научный центр “Курчатовский институт” превратился в многопрофильный научно-исследовательский центр национального масштаба с развитой экспериментальной базой, включающей в себя ядерные реакторы и критические стенды, установки для термоядерного синтеза и плазменных технологий, ускорительные комплексы, кластерную технологическую линию для микроэлектроники и др. В РНЦ “Курчатовский институт” создан первый в стране специализированный источник синхротронного излучения, который вместе с нейтронным реактором ИР-8 стал основой для развертывания работ в области нанотехнологий и радиационного материаловедения. Диапазон научных исследований Российского научного центра “Курчатовский институт” очень широк: от космических систем до теории элементарных частиц и процессов, происходящих при столкновении атомов и молекул, от разработки и создания современного химического лазера до научного руководства проектированием АЭС, атомной подводной лодки и ледокола, от проблем атомно-водородной энергетики применительно к задачам металлургии и нефтеперерабатывающей промышленности до открытия нового способа получения пленок из искусственного алмаза, от крупномасштабных экспериментов по управляемому термоядерному синтезу до физических экспериментов в диапазоне излучений от инфракрасного до мягкого рентгеновского на специализированном источнике синхротронного излучения. В мире сегодня мало равноценных по экспериментальным возможностям научных организаций, и Курчатовский институт по своему базовому исследовательскому и технологическому оборудованию, а также по кадровому потенциалу, включающего в себя высококлассных специалистов, является одним из ведущих мировых научных центров.
Зарождение института связано с созданием атомной бомбы.
Лаборатория № 2, получившая 5 февраля 1944 года права института, около года размещалась во временно выделенном ей помещении в Пыжевском переулке, а с весны 1944 года стала работать на новой обширной территории на северо-западной окраине Москвы. И.В.Курчатову, возглавившему работы по урановому проекту, были предоставлены широкие полномочия по привлечению институтов, конструкторских бюро и заводов, необходимых специалистов из действующей армии или с военных заводов. Он собирал вокруг себя лучшие научные силы страны. К проблеме с самого начала были подключены выдающиеся физики, математики, способные молодые ученые, технологи и конструкторы. Основу коллектива при его создании составили физики, выросшие в ленинградском Физико-техническом институте — ученики Абрама Федоровича Иоффе: А.П. Александров, А.И. Алиханов, Л.А. Арцимович, И.К. Кикоин, Г.Н. Флеров, В.П. Джелепов, П.Е. Спивак, Б.В. Курчатов, М.С. Козодаев, В.А. Давиденко, Л.М. Неменов и многие другие. С ними тесно сотрудничали Ю.Б. Харитон и Я.Б. Зельдович из Института химической физики. Бок о бок с И.В. Курчатовым работали И.Я. Померанчук, И.Н. Вознесенский, И.Н. Головин,
В.В. Гончаров, И.И. Гуревич, В.И. Меркин, М.Г. Мешеряков, И.С. Панасюк,
Н.Ф. Правдюк, С.А. Баранов, М.И. Певзнер.
Научные работы развивались по следующим направлениям:
• создание ядерного реактора на естественном уране и обычной воде (Г.Н.Флеров, В.А.Давиденко);
• создание ядерного реактора на естественном уране и графите (И.В.Курчатов, И.С.Панасюк);
• создание ядерного реактора на естественном уране и тяжелой воде (А.И.Алиханов, С.Я.Никитин);
• создание циклотрона (И.В.Курчатов, Л.М.Неменов);
• разделение изотопов естественного урана (И.К.Кикоин, Л.А.Арцимович);
• развитие химии трансурановых элементов и ее практическое использование (Б.В.Курчатов);
• физические исследования, направленные на создание урановой промышленности по выпуску оптимальных твэлов для ядерных реакторов (И.В.Курчатов, И.С.Панасюк);
• физико-химические исследования, направленные на создание промышленности по выпуску оптимальных графитовых блоков для ядерных реакторов (И.В.Курчатов, И.С.Панасюк, Н.Ф.Правдюк, В.В.Гончаров);
• физико-химические исследования, направленные на создание промышленности для получения тяжелой воды для ядерных реакторов (А.И.Алиханов, Р.Л.Сердюк, Д.М.Самойлович, М.И.Корнфельд);
• измерение ядерных констант и нейтронная физика (П.Е.Спивак, И.С.Панасюк, С.А.Баранов, М.И.Певзнер).
Работы начались в тяжелых условиях войны, когда все силы страны были мобилизованы на победу на фронтах, но, несмотря на это, сразу дали важные результаты.
Уже в 1944 году в Лаборатории № 2 был построен и введен в действие циклотрон, позволивший, облучая нейтронами уран, накопить индикаторные количества нового, не существующего в природе элемента, плутония – основного металла для ядерного заряда. Это дало возможность Б.В.Курчатову начать изучение его ядерных и химических свойств и даже выработать первые рекомендации по промышленной технологии отделения плутония от урана и осколков деления.
Московский электродный завод под контролем В.В.Гончарова начал выпуск сверхчистого графита, необходимого для осуществления цепной реакции деления в уране с природной концентрацией изотопов, для получения плутония в промышленном масштабе.
Технология изготовления чистого урана разрабатывалась на заводе № 12 в городе Электросталь. Сотрудниками Лаборатории № 2 был создан и непрерывно проводился ядерно-физический контроль очистки урана и графита от поглощающих нейтроны примесей.
1944—1946 годы явились годами поиска решений, способных наиболее быстро привести к цели. В апреле 1945 года И.В.Курчатов докладывает И.В.Сталину четыре основные составляющие проблемы: уран-графитовый котел, диффузионный завод для наработки урана-235, получение тяжелой воды для уран-тяжеловодного котла для производства плутония и, наконец, конструирование бомбы.
Экспериментальные исследования и расчеты, а также ознакомление с возможностями промышленности показали, что уран-графитовые котлы могут начать промышленную наработку плутония на год раньше, чем тяжеловодные. Поэтому задача И.В.Курчатова по созданию физического прототипа уран-графитового котла была принята Первым главным управлением как первоочередная.
В начале 1946 года в Лаборатории № 2 сформировались три отдела. В задачу отдела “К” под руководством И.В. Курчатова входили разработка промышленного производства плутония на уран-графитовом котле и ядерно-физические исследования и измерения для бомб, а также важнейшие вопросы радиохимии, прежде всего по выделению плутония. Отдел “Д” под руководством И.К.Кикоина занимался созданием диффузионного завода для обогащения урана до 90 % изотопом урана-235, отдел “А” под руководством Л.А.Арцимовича двигался к той же цели, разрабатывая электромагнитные установки.
1946 год завершился самым крупным достижением в отделе И.В.Курчатова.
25 декабря на реакторе Ф-1 (физический первый), расположенном на территории Лаборатории № 2, была осуществлена самоподдерживающаяся цепная реакция деления урана. Впервые на континенте Евразия управляемый цепной ядерный процесс стал реальностью. Работы, которые проводились на этом реакторе (прежде всего получение весовых количеств плутония), помогли ускорить пуск первого промышленного уран-графитового реактора по наработке плутония, к проектированию которого в Лаборатории № 2 приступили еще в 1944 году.
Летом 1948 года на Урале вошел в строй первенец атомной индустрии. 22 июня И.В. Курчатов с сотрудниками вывели на проектную мощность 100 МВт плутониевый реактор. Вскоре, пройдя через первые неудачи, превысив проектную мощность реактора более чем вдвое, началось систематическое накопление плутония.
Научный коллектив во главе с И.К.Кикоиным, преодолевая большие препятствия, обусловленные агрессивностью шестифтористого урана, в 1949 году наладил производство в килограммовых количествах урана, обогащенного до 40% ураном-235.
В отделе Л.А.Арцимовича ионный ток с источника превысил 50 мА, и
И.В. Курчатов поручил ему довести уран до бомбовой кондиции. Около месяца круглосуточной работы на экспериментальной установке в Лаборатории № 2 — 40%-ный уран был дообогащен. Получено 400 г урана, содержащего от 92 до 98 % урана-235.
В то же время А.А.Бочвар, ответственный за получение металлического плутония и изделий из него, изготавливал с сотрудниками на заводе “В” Базы № 10 полушария первого плутониевого заряда.
29 августа 1949 года на Семипалатинском испытательном полигоне был взорван первый советский ядерный заряд. Таким образом под научным руководством И.В.Курчатова был создан ядерный щит страны.
С тех пор научная направленность работ Лаборатории № 2, названной к тому времени Лабораторией измерительных приборов Академии наук СССР, начинает изменяться от проблем ядерного оружия к более широкому спектру исследований по многим вопросам атомной науки и техники.
Еще до завершения оружейных разработок в институте И.В.Курчатов ищет пути более широкого использования атомной энергии в мирных целях. В сфере его интересов – атомная энергетика, флот, летательные аппараты и, позднее, космос.
Уже к концу 1940-х годов он выдвинул задачу спроектировать и построить опытно-промышленную атомную электростанцию для решения научно-технической проблемы сооружения крупных промышленных АЭС.
Первая АЭС строилась в Обнинске на базе Физико-энергетического института (главный конструктор Н.А.Доллежаль). Идея конструкции активной зоны уран-графитового канального реактора станции была предложена И.В.Курчатовым и его соратником
С.М.Фейнбергом. Пуск электростанции на атомной энергии полезной мощностью 5 тыс. кВт был осуществлен 27 июня 1954 года под руководством И.В.Курчатова и его заместителя
А.П.Александрова. Это была первая промышленная АЭС, включенная в энергосистему страны, и день ее пуска по праву считается днем рождения атомной энергетики.
Уже в июне 1955 года И.В.Курчатов и А.П.Александров возглавили разработку программы развития ядерной энергетики в СССР, предусматривающую широкое использование атомной энергии для энергетических, транспортных и других народнохозяйственных целей.
В рамках этой программы началось сооружение крупных атомных электростанций – Белоярской и Нововоронежской АЭС мощностью 400 МВт каждая. Нововоронежская станция проектировалась и сооружалась под руководством Курчатовского института, и ее создание (1964 год) было первым шагом в развитии большой серии водо-водяных энергетических реакторов (ВВЭР), разработка физики и технологии которых стала на многие годы одним из основных направлений научной и инженерной деятельности института. К 2006 году в электрическую сеть было включено около 70 энергоблоков с ВВЭР единичной мощностью от 70 до 1000 МВт в Советском Союзе (затем в России), в ряде зарубежных стран. Реакторы ВВЭР сыграли определяющую роль на ключевых этапах становления атомной энергетики Советского Союза и России.
На основе опыта создания промышленных уран-графитовых реакторов получило развитие другое направление энергетического реакторостроения в Советском Союзе – канальные реакторы большой мощности (РБМК), научное руководство разработкой которых также было возложено на Курчатовский институт. Первый энергоблок большой мощности – РБМК-100 – начал работать на Ленинградской АЭС в 1973 году, всего на четырех станциях сооружено и введено в действие 15 энергоблоков. Оба направления – водо-водяные корпусные и уран-графитовые канальные реакторы на тепловых нейтронах – разрабатывались под руководством А.П.Александрова С.М.Фейнбергом, С.А.Скворцовым, В.А.Сидоренко,
Е.П.Кунегиным и их сотрудниками в кооперации со специалистами других организаций и предприятий.
Уже в начале 1950-х годов по инициативе И.В.Курчатова и А.П.Александрова в институте начались работы по созданию судовых атомных энергетических установок. При этом практически параллельно шло создание реакторов для боевых судов – атомных подводных лодок и атомных ледоколов, имеющих сугубо мирное назначение. Под руководством Н.С.Хлопкина, возглавившего впоследствии в институте направление атомного судостроения, работали Г.А.Гладков, Б.А.Буйницкий, Б.Г.Пологих, Ю.В.Сивинцев, Н.А.Лазуков и многие другие специалисты, которые внесли решающий вклад в создание корабельной ядерной энергетики.
9 сентября 1952 года вышло постановление за подписью И.В.Сталина о работах по созданию первой отечественной атомной подводной лодки (с конца 1962 года она носила имя “Ленинский комсомол”). Как и в разработке ядерного оружия, в создании первой АПЛ нашей стране пришлось догонять США, которые, создавая свою первую АПЛ “Наутилус”, опережали Советский Союз на 4—5 лет. Успех дела определило участие “трех китов”: А.П.Александрова (научный руководитель) В.Н.Перегудова (главный конструктор корабля), Н.А.Доллежаля (главный конструктор энергетической установки).
Преодолев сложности создания первой АПЛ, разработчики атомной подводной лодки и кораблестроители создали принципиально новый корабль, положивший начало развитию отечественного атомного флота. 4 июля 1958 года, спустя шесть лет после старта проекта, под атомной установкой был дан подводный ход. Создание первой в СССР ядерной энергоустановки для подводного корабля определило базовые подходы, принципы формирования и структуру ядерных источников энергии для широкого использования на кораблях и судах, заложило основы новой для страны области науки и техники – корабельной ядерной энергетики. Решение крупнейшей задачи и последовавшее за ним массовое строительство кораблей с ядерно-энергетическими установками коренным образом изменили военно-морской потенциал страны.
В 1953 году началось проектирование атомных ледоколов. Атомный ледокол “Ленин” (главный конструктор ледокола В.И.Неганов, главный конструктор реакторной установки И.И.Африкантов), сданный в эксплуатацию в 1959 году, стал первым в мире надводным судном с атомной энергетической установкой, не имеющим равных по мощности среди ледоколов всего мира. Создание атомного ледокола открыло новые возможности в освоении богатств Арктики и развитии народного хозяйства северных районов нашей страны. С 1960 года атомный ледокол “Ленин” работал в Арктике, осуществляя проводку судов на самых тяжелых участках Северного морского пути, превратив его в надежно действующую магистраль. Он эффективно проработал 30 лет и в 1990 году выведен из эксплуатации.
Атомный ледокол “Ленин” положил начало созданию целого флота атомных судов из 9 ледоколов (последний – “50 лет Победы” – сошел со стапелей Балтийского завода весной 2007 года), которые до сих пор несут трудовую вахту. Сейчас в море осуществляют проводку судов линейные ледоколы “Арктика”, “Сибирь”, “Россия”, “Советский Союз”, “Ямал” мощностью 75 тыс. л.с. каждый. В устьях рек действуют ледоколы “Таймыр” и “Вайгач”, имеющие малую осадку, но достаточную мощность – 50 тыс. л.с. Уникальный флот атомных ледоколов обеспечил круглогодичную навигацию по Северному морскому пути и сыграл ключевую роль в промышленном развитии северных территорий России.
Первые успехи в создании энергетических и транспортных реакторов были бы невозможны без комплексной экспериментальной базы, обеспечившей проведение необходимых исследований в области реакторной технологии и радиационного материаловедения. Такая база, первая в СССР, состоящая из исследовательского реактора РФТ мощностью 10 МВт, экспериментальных петель с различными видами теплоносителей и режимами испытаний и “горячей” материаловедческой лаборатории, была создана в апреле 1952 года под руководством В.В.Гончарова. Наличие материаловедческой базы обеспечивало возможность решения многих важных задач и позволяло на основании полученных данных достаточно надежно проектировать новые реакторы разного назначения.
В 1954 году в Курчатовском институте создается первый в СССР водо-водяной реактор ВВР-2 с бесканальной активной зоной мощностью 2 МВт, а спустя три года – первый в СССР водо-водяной исследовательский реактор бассейнового типа ИРТ такой же мощности. Это было большим научно-техническим достижением отечественного реакторостроения. Исследовательские реакторы получают широкое распространение в СССР и за рубежом, где начинают создаваться свои ядерные научные центры.
1970-е годы характеризуются дальнейшим наращиванием возможностей экспериментальной базы института. В начале десятилетия был введен в действие сильноточный линейный ускоритель электронов “Факел”. Еще раньше (1964 г.) был сооружен многопетлевой специализированный материаловедческий реактор МР, заменивший реактор РФТ. Проектная мощность МР составляла 20 МВт, затем в три этапа, начиная с 1967 года, проводилась его реконструкция, в результате чего мощность была доведена до 40 МВт, а число петель – до 26. На базе реактора ИРТ в 1981 году был сооружен исследовательский реактор ИР-8 с существенно более высокими нейтронно-физическими характеристиками.
С начала 1960-х годов в Институте атомной энергии значительно расширился объем исследований и разработок по применению атомной энергии для космических целей, летательных аппаратов, созданию высокотемпературных источников атомной энергии, в том числе использующих различные способы прямого преобразования атомной энергии в электрическую. Эти работы были сосредоточены в специально созданном отделе и велись под руководством М.Д.Миллионщикова и Н.Н.Пономарева-Степного.
Толчок к развитию этого направления дал И.В. Курчатов. По его инициативе в конце 1950-х годов был создан импульсный, гомогенный, графитовый реактор ИГР оригинальной конструкции, предназначенный для изучения динамики и безопасности реактора при введении больших реактивностей и испытаний конструкций реактора при высоких температурах. ИГР был пущен в 1960 году на Семипалатинском полигоне. На нем были выполнены уникальные испытания тепловыделяющих элементов реакторов ядерных ракетных двигателей.
Подробный доклад об устройстве и характеристиках реактора ИГР был сделан на III Женевской конференции по мирному использованию атомной энергии (1964 г.) и произвел огромное впечатление на участников конференции. Для всех, и особенно для американцев, это было большой неожиданностью: в ИГР потоки нейтронов оказались в несколько десятков раз больше, чем в импульсном графитовом реакторе “Трит”, построенном в США в 1958 году.
Успехи работ на ИГР подтолкнули к следующим работам по реакторам для ядерных ракетных двигателей. В институте был сооружен реактор ИВГ-1, на котором отработаны сотни тепловыделяющих сборок и достигнуты параметры по температуре подогрева водорода в 3100° К.
В Курчатовском институте в содружестве с другими организациями был создан первый в мире реактор-преобразователь “Ромашка”, в котором в одном агрегате объединены высокотемпературный реактор и термоэлектрические полупроводниковые преобразователи. Все это создавало предпосылки для получения большого ресурса, что и было подтверждено в процессе двухлетних стендовых испытаний, начатых в августе 1964 года.
На следующем этапе возникло новое направление: реактор-преобразователь с термоэмиссионными элементами. В этом направлении были разработаны и испытаны космические ядерные установки с термоэмиссионными элементами, которые показали возможность достижения длительного ресурса при высокой безопасности на всех стадиях работы на земле и в космосе.
Использование ядерных энергетических установок для космических задач особенно перспективно в энергодвигательных комплексах с электрореактивными двигателями. Научно-исследовательские работы в этой области велись в ИАЭ имени И.В.Курчатова с начала 1960-х годов. Разработанные здесь первые электрореактивные двигатели — импульсные плазменные – были испытаны в космосе в 1964 году на спутнике “Зонд-2”. Затем были испытаны ионный, с объемной ионизацией и стационарный, плазменный, двигатели на спутнике “Метеор”. Эти источники значительно расширили возможности прямого телевещания высокого качества, улучшили управление воздушным и морским транспортом, создали новые условия для информационных и телефонных коммуникаций, а также позволили выполнить ранее не доступные исследования околоземного и дальнего космического пространства.
Когда работы по созданию термоядерного оружия только вступили в решающую фазу, в 1950 году в Институте атомной энергии по инициативе И.В.Курчатова начались исследования по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (УТС). Предложенный И.Е.Таммом и А.Д.Сахаровым метод магнитного удержания плазмы лег в основу программы управляемого термоядерного синтеза, официально признанной важнейшей государственной задачей еще в 1951 году. Руководство экспериментальными работами было поручено Л.А.Арцимовичу, теоретические исследования возглавил М.А.Леонтович.
В 1956 году в своей знаменитой лекции в Харуэлле (Великобритания) И.В.Курчатов доложил о выполненных в его институте исследованиях, доказывавших возможность термоядерной реакции в газовом разряде, и предложил развернуть широкое международное сотрудничество в мирном использовании атомной энергии.
Начальный этап российских и зарубежных работ по УТС характеризовался обилием идей, типов ловушек. Разнообразие направлений было связано не только с творческой активностью физиков, но и с громадными трудностями реализации условий термоядерных реакций. Слишком малым оказался уровень знаний – требовалось создать теорию поведения высокотемпературной плазмы в магнитном поле, накопить экспериментальный и конструкторский опыт.
Большой заслугой советской программы УТС было создание теоретической школы физики горячей плазмы, во главе которой стоял М.А.Леонтович. Представители этой школы – Б.Б.Кадомцев, В.Д.Шафранов, Е.П.Велихов, А.И.Морозов, Л.И.Рудаков и многие другие – внесли фундаментальный вклад в создание современной теоретической физики плазмы. Б.Б.Кадомцев после смерти Л.А.Арцимовича возглавил ведущую в нашей стране термоядерную лабораторию ИЭА имени И.В. Курчатова, а на Е.П.Велихова было возложено научное руководство исследованиями по УТС в СССР (1973 г.).
Развитие теории магнитного удержания плазмы шло небывало быстрыми темпами. Уже к концу 1950-х годов были сформулированы ее основные принципы, создана теория равновесия и устойчивости плазменного шнура стоком в магнитное поле. Многие базовые теоретические положения современного УТС ассоциируются во всем мире с именами их авторов – теоретиков школы М.А.Леонтовича.
Наряду с успехами теоретиков, с середины 1960-х годов рос уровень экспериментальных результатов. Во многом это объяснялось осознанием процессов взаимодействия плазмы со стенкой камеры и снижением уровня поступающих примесей, а также пониманием важности создания качественной конфигурации.
К 1968 году при омическом нагреве плазмы на токамаке Т-3А температуры электронов и ионов достигли 20 и 4 млн. градусов, соответственно, – результат, в несколько раз превосходивший мировой уровень. Рекордные параметры плазмы были подтверждены зарубежными коллегами в совместном эксперименте. С этого времени токамак стал основным объектом в мире в исследованиях по УТС с магнитным удержанием, а лидирующие позиции советской школы физики термоядерной плазмы получили всеобщее признание.
СССР и Россия долгое время не имели соперников в разработке новых конструкций токамаков. Большинство крупных термоядерных установок проектировали и изготавливали в НИИЭФА им. Д.В.Ефремова – уникальном институте, опыт которого способствовал прогрессу в термоядерных исследованиях. В 1975 году на площадке ИАЭ имени И.В. Курчатова была сдана в эксплуатацию крупная термоядерная установка Т-10. Результаты уже первых экспериментов подтвердили теоретические предсказания для параметров плазмы, что позволило приступить к проектированию токамаков следующего поколения. В 1979 году в институте был создан первый в мире токамак Т-7 со сверхпроводящими обмотками на основе ниобий-титанового сплава. Спустя 9 лет, в 1988 году, вошел в строй сверхпроводящий токамак Т-15, крупнейший в стране. Исследования, которые проводились на этих установках в России, а также работы по управляемому термоядерному синтезу, успешно проводившиеся на установках США, Японии и Европы, подготовили почву для следующего шага – разработки экспериментального термоядерного реактора ИТЭР силами объединенной группы ученых из России, США, Европейского сообщества и Японии.
В ноябре 2006 года представителями шести стран (Индии, Китая, России, США, Южной Кореи, Японии) и Евросоюза было подписано Соглашение об образовании Международной организации по осуществлению проекта строительства Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР). В основу первого термоядерного реактора ИТЭР положена разработанная в ИЭА система “токамак”. Строительство рассчитано на 10 лет. ИТЭР станет крупнейшей в мире экспериментальной установкой для демонстрации научной и технической осуществимости термоядерной энергетики.
Ядерная физика в институте была нацелена главным образом на изучение цепной реакции деления, но в дальнейшем направление работ существенно расширилось. Помимо физики деления, предметом изучения стали ядерные реакции, ядерная спектроскопия, нейтронная спектроскопия, слабые взаимодействия и физика элементарных частиц.
Задачи ядерной энергетики потребовали развития исследований по физике твердого тела. Работы в этой области начались в 1960-х годах. Их характерная особенность – широкое использование ядерно-физических методов исследований определило органическую связь работ по физике твердого тела и ядерной физике. Изучение твердого тела до сих пор занимает заметное место среди фундаментальных исследований института. Весомый вклад в развитие этого направления в разные годы внесли Б.В.Курчатов, Л.В.Грошев, В.И.Мостовой, С.Т.Беляев, И.И.Гуревич, В.М.Галицкий, Ю.М.Каган, В.К.Войтовецкий и многие другие. Исследования велись на циклотроне, нескольких электростатических ускорителях и исследовательском реакторе ИРТ-М.
Учеными ИАЭ имени И.В. Курчатова были достигнуты результаты мирового уровня. Важная информация о структуре средних ядер была получена в результате многолетних исследований спектров гамма-лучей возбужденных ядер, образующихся в реакциях (n, γ) на тепловых нейтронах реактора ИРТ-М. Эти исследования были начаты в 1953 году под руководством Л.В.Грошева. Чрезвычайно интересными были проводимые под руководством П.Е.Спивака экспериментальные исследования бета-распада нейтрона, в которых изучались константы слабого взаимодействия, проблема несохранения четности. В 1958 году группа сотрудников, возглавляемая Б.Н.Самойловым, исследуя поляризацию атомных ядер, открыла новый физический эффект – возникновение сильных магнитных полей на ядрах немагнитных элементов, введенных в ферромагнетики. Это явление использовалось как новый способ поляризации атомных ядер. В 1974 году под руководством А.А.Оглоблина впервые в мире был получен пучок ускоренных ионов бериллия.
Фундаментальные исследования – традиционное направление работ в Курчатовcком институте. Со дня возникновения института они ведутся в самых разных областях: ядерная физика, физика твердого тела, включая сверхпроводники, материаловедение, физика плазмы, физическая химия и другие. Многие получили всемирное признание. Это прежде всего работы, связанные с поиском кварк-глюонной плазмы – нового состояния ядерного вещества, изучением новых экзотических ядер, уникальных ядерных структур и новых видов распада, исследования по нейтринной физике и широкий спектр работ в области физики конденсированного состояния вещества.
Большой интерес к одному из необычных физических явлений – сверхпроводимости и необходимость удовлетворения потребностей атомной науки и техники в сильных магнитных полях для ускорителей, термоядерных установок и просто исследовательских приборов привели к интенсивному развитию в институте исследований по сверхпроводимости. Существенный вклад в изучение механизмов сверхпроводимости внесли теоретики института. Исключительно интересные результаты были получены в теоретических и экспериментальных исследованиях сверхпроводимости чистых металлов, металлов с примесями, сплавов, многослойных пленочных структур типа металл-диэлектрик.
Важнейшей составной частью этих исследований были работы по технической сверхпроводимости. К концу 1960-х годов институт на государственном уровне был определен научным руководителем проблемы использования сверхпроводимости в атомной науке и технике и в некоторых других областях.Руководителем этих работ в Институте был назначен Н.А.Черноплеков. Работа проводилась в тесном творческом сотрудничестве с ведущими технологическими, конструкторскими организациями и промышленными предприятиями страны. К середине 1970-х годов были найдены и реализованы в конкретных конструкциях технических сверхпроводящих материалов принципы стабилизации сверхпроводящего состояния и организовано промышленное производство проводов, кабелей и шин на основе сплава Nb—Ti и интерметаллического соединения Nb3Sn. Это было одно из крупнейших в мире производств.
Особое место в этих работах занимала проблема сверхпроводящих магнитов с принудительным охлаждением жидким гелием, открывающая возможности создания крупных магнитов со сложной конфигурацией магнитного поля, предназначенных, в частности, для термоядерных реакторов будущего. Сверхпроводящие магниты, соз-данные в Курчатовском институте, широко применялись в лабораториях самого института, в других научных организациях страны и за рубежом.
Крупным достижением явилось создание в кооперации со специалистами НИИЭФА им. Д.В.Ефремова создание комбинированной магнитной системы КС-250, на которой в конце 1973 года впервые в мире получено стационарное магнитное поле напряженностью 250 кЭ. Это достижение открыло широкие возможности для исследования магнитных, электрических и теплофизических свойств вещества в экстремальных условиях сверхсильного поля. В начале 1970-х годов институт располагал лучшей в СССР криогенной базой, обеспечивающей проведение исследований и испытаний при температурах жидкого гелия.
Продолжала демонстрировать свои успехи сложившаяся в ходе решения проблемы разделения изотопов урана школа И.К.Кикоина. Совершенствовалась газодиффузионная технология, изучались другие методы разделения изотопов урана, прежде всего метод газовых центрифуг, или центробежный метод, который должен был дать существенное снижение энергоемкости процесса разделения изотопов урана. Совместная работа ученых Института атомной энергии, Центрального конструкторского бюро машиностроения и Уральского электрохимического комбината завершилась пуском в 1957 году первого опытного завода, что позволило разделительной промышленности Российской Федерации перейти на газовые центрифуги. Эта замена привела к радикальному сокращению потребления электроэнергии разделительными заводами (в 20—30 раз).
Центробежная техника открыла возможность масштабного разделения стабильных изотопов. С ее использованием ныне разделяются изотопы десятков химических ваешьэлементов Периодической системы Д.И.Менделеева. Применение выделяемых изотопов приобрело не только научное, но и медицинское значение. Имеющаяся в Курчатовском институте опытно-промышленная база позволяет осуществлять весь комплекс работ по производству нуклидов медицинского назначения.
Уже в начале 1970-х годов ученые осознавали реальность катастрофы, связанной с истощением мировых энергетических ресурсов (нефти и газа), и необходимость широкого использования водорода, по сути, единственного экологически чистого энергоносителя. В эти годы в институте происходит формирование нового направления – атомно-водородная энергетика и плазменные технологии. Специалисты ИАЭ решали широкий круг вопросов, связанных с созданием плазмохимических и электрохимических методов получения водорода, водородной безопасностью ядерно-энергетических установок, вели исследования плазмохимических процессов в низкотемпературной плазме, плазменных методов нанесения покрытий на различные поверхности, модификации полимерных мембран. Эти исследования носили комплексный характер, так что конкретные работы одновременно затрагивали проблемы нескольких научных направлений.
Институт атомной энергии имени И.В. Курчатова был пионером в создании новых технологий в области микроэлектроники. Именно здесь в конце 1960-х – начале 1970-х годов были получены результаты мирового значения в области микроэлектронной технологии: ионная имплантация, сверхвысокочистые вещества, литография, плазменная химия, тонкие пленки. Сохранение высокого научного потенциала в этой области стало базой для создания в ИАЭ имени И.В. Курчатова Института микротехнологий.
Разработанная технология изготовления интегральных схем включает всю последовательность технологических операций – от подготовки исходных кремниевых пластин до выходного контроля схемы, смонтированной в предназначенном для нее корпусе. Производственные мощности дают возможность изготавливать большую номенклатуру изделий.
Перспективным направлением в области микроэлектроники является создание технологических процессов изготовления элементов интегральных схем в наномикронном диапазоне. Эти процессы основаны на использовании лазерных, электронных и ионных пучков.
Конец 1980-х—начало 1990-х годов были весьма непростыми для института. Под влиянием стремительно меняющихся в стране социально-политических условий в институте серьезно пересматривались тематика, структура, актуальность тех или иных задач. Руководство предпринимало усилия, чтобы перейти на адекватную внешним условиям систему финансирования научных проектов и исследований и сохранить уникальную экспериментальную базу и кадровый потенциал. Институт атомной энергии, преобразованный в конце 1991 года в Российский научный центр “Курчатовский институт”, сумел сохранить в кризисные 1990-е годы свою уникальную научно-техническую базу и высококвалифицированный персонал.
В 1990-е институт выступил с идеей конверсии российского оборонного судостроения и предложил руководителям предприятий подводного кораблестроения и нефтегазовой промышленности приступить к совместному освоению морских месторождений нефти и газа на арктическом шельфе. На верфях уникального кораблестроительного завода “Севмаш”, где был накоплен большой потенциал высоких технологий атомного судостроения, приступили к сооружению морской ледостойкой стационарной платформы для освоения Приразломного нефтяного месторождения. Это помогло оборонному предприятию, с одной стороны, пережить кризисные годы, сохранив кадровый потенциал и уникальную производственную базу, с другой стороны, положило начало отечественной промышленности морской добычи углеводородов в Арктике.
Важной сферой деятельности Курчатовского института в 1990-е годы стали информационные технологии. Курчатовский институт является одним из базовых учреждений развития технологий ГРИД и ГЛОРИАД. ГРИД – это географически распределенная инфраструктура, объединяющая множество ресурсов разных типов (процессоры, долговременная и оперативная память, хранилища и базы данных, сети), доступ к которым пользователь может получить из любой точки, независимо от места их расположения. ГЛОРИАД — новый сегмент всемирной сети, предназначенный для передачи огромных массивов научной информации. Помимо общего развития этих технологий, особое внимание уделяется масштабному использованию информационных технологий для атомной энергетики.
В 1999 году по инициативе руководителей Российского научного центра “Курчатовский институт” академиков Е.П. Велихова и А.Ю. Румянцева было принято решение организовать Курчатовский центр синхротронных исследований. Его директором-организатором был назначен М.В. Ковальчук. С этого времени началась активная работа по обеспечению регулярной работы источника, улучшению его технических параметров, монтажу и запуску экспериментальных станций, проведению первых экспериментов, формированию системы коллективного пользования.
Коллективу КЦСИ удалось успешно завершить реализацию масштабного научно-технического проекта по разработке и созданию комплекса уникального научно-исследовательского оборудования – экспериментальных станций на пучках первого в России специализированного источника синхротронного излучения. Реализация этого проекта - серьезный вклад в развитие экспериментальной и технологической базы России для проведения исследований в области фундаментальных наук, материаловедения, нанобиотехнологий, молекулярной биологии, медицины.