Проектът ЕЛИ-НП: Възможност за научно сътрудничество и технологично развитие на Балканите

Автори: Николае Виктор Замфир, Димитър Л. Балабански, Павел Петков

Национален институт за изследвания и развитие по физика и ядрено инженерство „Хория Холубей“ (ИФИН-ХХ), Букурещ-Мъгуреле, Румъния
 

Проектът ЕЛИ (Инсталация за екстремна светлина) е свързан с изграждането на най-мощния лазер в историята, чиято мощност и интензитет, не са достигни досега от съоръжение от подобен тип. Реализирането му ще позволи осъществяването на нови, непознати досега приложения както в науката, така и в индустрията и обществения живот.

Проектът започна одобрение на подготвителен етап от Европейската комисия през 2008 г. с участието на изследователи от тринадесет европейски страни. България също беше част от тази общност, заедно с Чехия, Франция, Германия, Гърция, Италия, Литва, Великобритания, Полша, Португалия, Румъния, Испания и Унгария. В края на подготвителната фаза, през декември 2010г., се взе решение проектът ЕЛИ да се реализира в три държави: Чехия – високо енергетични снопове, Унгария – атосекунден лазер и Румъния – ядрена физика. За осъществяването на проекта съответните страни-изпълнители използват финансиране от структурните фондове на Европейския съюз.

С цел насърчаване на устойчивото развитие на проекта и осигуряване на видимост на ЕЛИ като единна паневропейска структура беше създадено дружеството “ELI – Delivery Consortium International Association” (ЕЛИ-ДЦИА), като международна организация с нестопанска цел в рамките на белгийското законодателство. ЕЛИ-ДЦИА съдейства на популяризацията на бъдещите мултидисциплинарни изследвания в рамките на проекта ЕЛИ пред потенциални ползватели и съдейства за установяването на партньорства и сътрудничества с национални, европейски и международни структури и организации като европейския изследователски консорциум ЛАЗЕРЛАБ.

Едновременно с това, ЕЛИ-ДЦИА координира процеса водещ до създаване на Европейски изследователски инфраструктурен консорциум (ЕРИК) – ЕЛИ-ЕРИК. С помощта на Европейската комисия ЕЛИ-ЕРИК ще осигури организационно, функционално и целево сближаване на трите съставни части на проекта, като по този начин ще повиши водещата роля на европейски научни изследвания в световен мащаб.

За Румъния проектът ЕЛИ-НП, възлизащ на 310 милиона евро, е първият мащабен европейски изследователски комплекс, използващ съсредоточаването на най-голям брой изследователи в Централна и Източна Европа, специализирани в областта на лазерната и ядрената физика, и е най-амбициозният изследователски инфраструктурен проект, реализиран в страната. Високият брой иновативни компании, намиращи се в региона, в съчетание с най-престижните Румънски университети, както и тези в съседните на Румъния страни, биха могли да поставят основата за създаването на еталони за върхови постижения и за развитие на иновативен  клъстер в рамките на комплекса. По този начин проектът ELI-NP ще окаже влияние не само върху фундаменталната наука, но и върху индустрията на местно и международно ниво.

Изследователската лаборатория ЕЛИ-НП e определена от най-важната научна комисия в европейската ядрена физика, Европейския ядрено-физичен координационен комитет (NuPECC), като първостепенно научно  съоръжение в рамките на Дългосрочна програма за развитието на ядрената физика в Eвропа. ЕЛИ-НП има две големи съоръжения:

• Лазерна система с много висок интензитет на лъчението, снабдена с два лазерни ръкава с мощност 10PW, притежаващи възможност за достигане на плътност на мощността от порядъка на 10²³ W/cm² и електрични полета с интензитет  10¹⁵ V/m, които ще насочват  лазерен импулс в мишената веднъж на всяка минута. Като допълнение, лазерната система ще бъде снабдена с  два източника с мощност от 1 PW и два с мощност 100 TW, създаващи  лазерни импулси с честоти съответно 1 Hz и 10 Всеки от изходите на лазерната система е снабден с компресор. Уникална особеност на съоръжението е възможността за насочване едновременно на два лазерни снопа върху една мишена.
• Гама сноп с голяма светосила и много висок интензитет, притежаващ спектрална плътност 10⁴ γ/s/eV, широчина на честотна лента ≥ 3%, с енергия на гама лъчите (E_γ)_, до 19.5 MeV, получен с помощта на некохерентно обратно Комптоново разсейване на лазерната светлина взаимодействаща с класически електронен сноп, притежаващ висок интензитет и голяма светосила. Ускорените електрони с енергии E_e  до 720 MeV се получават чрез линеен ускорител, Линак. Параметрите на интензитета на снопа и ширината на честотната лента превъзхождат всички други подобни установки в света.

Научната програма на центъра ELI-NP е разработена в тясно сътрудничество на екип от над 100 учени от 30 различни държави и е публикувана в Бяла книга за ЕЛИ-НП. Програмата е базирана върху характерните особености на мощните лазерни и гама снопове. Основните изследователски теми представляващи интерес са:  експерименти по ядрена физика осъществени чрез лазерни системи,  охарактеризиране на взаимодействието на лазерното лъчение с веществото чрез ядрено-физичните методи, фотоядрени реакции, изучаване на екзотични ядра и ядрена астрофизика. Като допълнение към тези основни теми, приложения свързани с високо-интензивната лазерна система и квази-монохроматичната гама системата с висока светосила  са в процес на проучване. Радиационните изменения на материалите и гама-индуцираните ядрените реакции са едни от най-важните области за изследване в ядрените технологии. Приложенията свързани с тях се простират от атомните централи до медицината и от космическите изследвания до създаването на нови материали.

Началото на проекта ЕЛИ-НП е дадено през януари 2013 г., и се предвижда съоръжението да започне да функционира през 2019 г. Сградният фонд на ELI-NP обхваща площ приблизително от 33,000 m² и се състои от висококачествени, енергийно ефективни сгради, предназначени главно за използване на мощни лазерни системи, на системи за създаване на мощни гама снопове и експериментално оборудване, разположено в осем експериментални зали.  Освен сградите, свързани пряко с експериментите, комплексът включва офис сграда, хотел за гостуващи учени и стол за хранене. Строежът на всички сгради беше завършен през септември 2016 г. Оптималното функциониране на съоръжението е постигнато чрез фундамент, реализиран така, че спектрална плътност на вибрациите да е на ниво 10^-10 g²/Hz в честотен диапазон от 1 Hz до 200 Hz. Измерването на подовата стабилност по време на приемането на сградите потвърди  устойчивостта на пода на вибрации.  Достигането на тези параметри означава,   че очакваните флуктуации ще останат средноквадратично под 3 mrad.  За да се избегне дългосрочното влияние на дрейфа в насочването на сноповете областите на взаимодействие, температурата на помещенията се стабилизира до +/-0.5°C, при постоянна стайна температура 22°C. Сградите на ИФИН-ХХ и ЕЛИ-НП са показани на Фиг.1. Комплексът ЕЛИ-НП е представен в по-близък план на Фиг. 2.

Използването на лазерни системи с много висок интензитет и гама снопове с голяма светосила и интензивност допринася в изключителна степен за развитието на ядрената физика и свързаните с нея области:

• Изследване на взаимодействията на лазерното лъчение с веществата. Чрез използване на ядрено-физичните методи, с помощта на лазери се изследват възможностите за получаване на ускорени протонни и йонни снопове.
• Изключително високият интензитет на лазерния сноп ще позволи изследването на фундаментални физични явления, предсказани от теорията, например двойното пречучване във вакуумна среда и създаването на двойка електрон-позитрон в среда на интензивни електрически полета.
• Изследвания на ядрената структура и сеченията за фотоядрени реакциии, които са от интерес за астрофизиката.
• Детайлно изследване на фотоделенето и създаването на снопове от екзотични ядра.
• Развитие на нови методи за идентификация и дистанционно охарактеризиране на радиоактивни вещества. Това е неоходимо за нуждите на националната сигурност (например дистанционно, автоматично сканиране на транспортни контейнери) и организация на работата с ядрени материали.
• Нови, по-ефективни методи за производство на радиоизотопи използвани вече за нуждите на медицината, както и производство на нови изотопи, които са предлагани за бъдещо използване.

Проектът  ЕЛИ-НП се осъществява от Националния институт за изследване и развитие по физика и  ядрено инженерство носещ името на  акад. Хория Холубей (IFIN-HH, ИФИН-ХХ). Този институт стои на челно място в румънската наука както по отношение на изследователската инфраструктура, така и на персонала осигуряващ над 10% от националните научни резултати. Ориентиран към широк кръг изследователски и  развойни дейности (т.е. фундаментални и приложни изследвания), включително ядрена физика и астрофизика, физика на елементарните частици, атомна физика, науките за живота и физиката на околната среда, теоретична физика, ядрена техника и развитие на телекомуникационни системи, през последните 60 години ИФИН-ХХ осигурява на Румъния възможността за непрекъснато развиващи се отношения с международната научна общност. Струва си да споменем само някои от най-значимите събития, свързани с този институт: 1956 г. – първият електронен компютър (CIFA-1) е проектиран в Института по атомна физика, 1957 г. – запускане в действие на изследователски реактор ВВР-С и циклотрон U-120, 1962 г. – създаден е първият румънски He-Ne инфрачервен лазер (четвърти в света), 1974 г. – запуснати са MP-Тандем ускорител от HVEC (САЩ), Център за производство на радиоактивни изотопи (UK & RO) и Център за преработка на ядрени отпадъци (UK & RO), 1985 г. – влиза в експлоатация Национално хранилище за ядрени отпадъци (RO), 2000 г. – запуснато е Многоцелево съоръжение за радиационно облъчване, 2001 г. – създаден е ЕС център за върхови постижения в интердисциплинарните изследвания и приложения, свързани с ядрената и атомна физика ИНДРАНАП, 2002 г. – запусната е първата GRID система в Румъния.

Фокусиран предимно върху мисията си за съвременни изследвания в областта на атомната и субатомна физика, IFIN-HH се ангажира също така и с широкото разпространение на позитивния ефект на ядрените технологии в индустрията, други дейности свързани с бизнеса както и с обществото като цяло. Многостранните приложения на ядрено-физичните изследвания дават възможност на института не само да допринася за  вътрешния прогрес и съвременното развитие на страната, но и да съдейства за приемането на ядрените технологии от обществеността, както и да допринася в значителна степен за положителната обществената подкрепа, по отношение приемането на ядрената наука и технологии. Институтът е утвърден събеседник и партньор в пространството  на евро-атлантическата наука и технологиите, сътрудничейки си най-вече с големите  научни организации, като Института за физика с тежки йони (GSI) – Дармщадт, Големия национален ускорител за тежки йони (GANIL) – Каен, ЦЕРН – Женева и ОИЯИ – Дубна.

Големият брой различни научно-изследователски дейности с национален обхват е предпоставка за постоянното развитие на IFIN-HH и превръщането му в представителен физически институт за Румъния през 21-ви век на европейско и международно ниво, както по отношение на фундаменталната, така и на приложната ядрена физика. В този смисъл завършената през 2012 г.  „Програма за висок капацитет – развитие на инфраструктурата за гранични изследвания в областта на ядрената физика и свръзнате с нея области“ на IFIN-HH наложи стандарти сходни със стандартите във водещите световни институти, насърчавайки конкурентноспособността на собствените научни изследвания в международен план.  Компонентите на тази програма включват:

• Лаборатория за разработка и тестване на методи, свързани с международния проект FAIR / NUSTAR (RO @ NUSTAR)
• Център за радиовъглеродно датиране ориентиран към науките за околната среда и живота
• Тритиева лаборатория с възможност за използване от много потребители
• Център за ядрена спектрометрия за енергетиката, околната среда, изследване на материали и за нуждите на медицината
• Изследователски център за производство на радиофармацевтици (CCR) с циклотрон TR19 с протонни снопове с променлива енергия (до 19MeV)
• Изследователски център за високи постижения, предназначен за разпределени компютърни пресмятания, методики, физика и участие в широки международни сътрудничества като CERN и
• Местен център за радиологично наблюдение на околната среда
• Създаване на подземна лаборатория за измерване и детектиране на атмосферни мюони при ултраниски фонови нива.

Важна задача за института бе приемането на работна програма за увеличаване на времето на използване на установките в ИФИН-ХХ и особено на големите съоръжения, като трите ускорители на частици от тип „Тандем“, заедно със свързаната с тях модерна инфраструктура: 9 MV ускорител Тандем и 3 MV и 1MV  ускорители Тандетрон. Ускорителят 9 MV Тандем, чиято основна дейност е изследвания в областта на ядрената структура и физиката на ядрените реакции, е инсталиран през 1973 г. и напълно обновен през 2006 г. Тандетронът с терминално напрежение 3 MV е инсталирани през 2012 г. и е предназначен  главно за изследвания в областта на приложната физика, включително физика на материалите чрез елементен анализ с йонни снопове, изследване на околната среда и експерименти в областта на ядрената астрофизика. Ускорителят Тандетрон с терминално напрежение 1 MV е най-специализираната система в инфраструктурата и дава възможност за определяне на изотопни съотношения при изследвания по радиовъглеродно датиране, геология, ядрено-съдебни експертизи, фармакология, изследване на околната среда и всички останали области, при които е необходимо прецизно определяне на изотопни отношения.

Най-новите 3 и 1 MV ускорители тип „Тандетрон“ са включени в отворена система за използване на съоръженията, използвана вече при 9 MV Тандем. Достъпът до съоръжението се регулира от международен програмен консултативен комитет (PAC), който заседава два пъти годишно за определяне на експерименталната програма и осъществимостта на предложените експерименти. Почти 50% от времето на снопа се разпределя между потребителите от международни групи,  принадлежащи на институти от САЩ, Европа, Китай и Япония.

Необходимо е да се отбележи тясното сътрудничество на IFIN-HH с учени и институции от България, касаещи съвместни проекти и събития, като тук ще назовем само някои от тях: Националният институт по метеорология и хидрология (НИМХ-БАН), Институтът за ядрени изследвания и ядрена енергетика (ИЯИЯЕ-БАН), както и университетите в София и Шумен. Във връзка със съвместните проекти много важно е да се изтъкне също така и успешният проект “ЕМЕРСИС” (юли 2013-декември 2015), фокусиран върху създаването на обединена инфраструктура, предвидена за работа при извънредни ситуации, касаещи ранното откриване и предприемане на действия срещу рискове/аварии, възникнали в химически и ядрени съоръжения, както и рискове, свързани с биологични и радиологични ситуации, отнасящи се до трансграничния регион. Българо-Румънското сътрудничество се развива през годините и обхваща все повече области, специалисти от двете страни се намират в тясно сътрудничество и участват в различни съвместни събития: конференции, кръгли маси и семинари организирани в двете страни.  Като пример за миналата година може да се посочи 5-я Балкански симпозиум по Археометрия  организиран в Синая, Румъния и  проведен през юли 2016 г.  Международният консултативен комитет на симпозиума разчиташе на експертната помощ на трима български колеги, допринесли в голяма степен за определяне на целите на събитието: поставяне на фокус върху прилагането на съвременните физични и химични методи в археометрията, включително ядрени методи и технологии, свързани с датиране, анализ, изследване и характеризиране на древни артефакти, както и въпроси отнасящи се до  тяхното запазване и съхранение. Друг пример, свързан със скорошно сътрудничество, който си струва да се изтъкне, е последната конференция за Централна и Източна Европа за извеждане от експлоатация и управление на радиоактивните отпадъци проведена в София през декември 2016 г., свързана с  извеждането от експлоатация и третиране на отработените горивни елементи на ядрени централи. Тя бе проведена под председателството на „Отдела за ядрена безопастност“ на Европейската банка за възстановяване и развитие. Тъй като България, Словакия и Литва вече затвориха девет ядрени блока, Румъния бе поканена да сподели своя опит в процеса на извеждане от експлоатация на ядрените мощности и управление на отпадъците от изследователския реактор  ВВР-С на ИФИН-ХХ.

Това са само някои от примерите за сътрудничество между ИФИН-ХХ и колегите ни от България. Сега проектът ЕЛИ-НП отваря нови възможности за научно сътрудничество и технологичен трансфер на Балканите. Когато е напълно завършен, комплексът ЕЛИ-НП ще функционира с помощта на 250 изследователи, инженери и техници. В момента работният екип се състои от 120 специалисти от Румъния и чужбина. Имам удоволствието да заявя, че двама от членовете на екипа са от България. Единият от авторите на тази статия (Д.Л.Б.) е ръководител на отдела „Ядрена физика и приложни изследвания с гама снопове с висока светосила“, другият е д-р Николай И. Джурелов.   В допълнение към казаното, си струва да се отбележи че третият съавтор на тази статия (П.П.) наскоро се присъедини към групата, занимаваща се с изследвания на  ядрената структура,  на ускорителя 9 MV Тандем.  Надяваме се, че обявените позиции за изследователи и инженери да се окажат привлекателни и за други колеги от България, предвид съседството на двете страни, отличното сътрудничество досега и, не на последно място, изключителното предизвикателство което представлява най-мощният лазер в наше време, предоставен за използване от учените. Понастоящем кандидатурите на още трима български учени, д-р Стефан Ценов, д-р Надежда Цонева и д-р Станимир Кисьов са одобрени  и те скоро ще се присъединят към екипа на ELI-NP.

Тъй като научната дейност на ЕЛИ-НП е тясно свързана с процесите на обмен на знания и трансфер на технологии, беше създаден клъстер, Високо технологичен клъстер – Магуреле, MHTC, обединяващ повече от 80 участващи институции, работещи с сферата на създаването на високо-технологични продукти с цел развитие на икономическата среда и високо-технологичните производства.  С помощта на MHTC ЕЛИ-НП е в непрекъснат диалог с бизнес-обществеността за намиране на най-подходящите начини на сътрудничество между изследователи и производители, с цел създаване на предпоставки за технологичен трансфер и стимулиране на икономическото развитие чрез привличане на инвеститори.

През следващите години компаниите от целия регион са поканени да се присъединят към тази инициатива, която може да допринесе за  устойчиво икономическо развитие на нашите страни.

В заключение можем накратко да обобщим, че Националният институт за изследвания и развитие по физика и ядрено инженерство „Хория Холубей“ (IFIN-HH) и комплексът ELI-NP (Extreme Light Infrastructure) осигуряват  стабилна основа за изследвания в областта на ядрената физика в Румъния.    В качеството си на Европейски лаборатории със свободен достъп, те предлагат много възможности за изследвания на научни колективи от целия свят, както и много възможности за научно сътрудничество и технологичен трансфер на Балканите.