Контролировать ядерные реакторы помогут новые кристаллы

Российские ученые вырастили новые монокристаллы на основе вольфрамата лития с молибденом, с помощью которых можно исследовать упругое когерентное рассеяние нейтрино на ядрах. Оно позволяет получить информацию о формировании Вселенной и эволюции звезд, а также о структуре ядра и может использоваться для мониторинга ядерных реакторов. Кристаллы обладают необходимыми для исследований свойствами – устойчивостью, высоким качеством и не содержат примесей. Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда (РНФ) и опубликовано в журнале The Journal of Chemical Thermodynamics.

Современная физика в течение несколько десятилетий пытается выяснить природу одной из самых парадоксальных субатомных частиц — нейтрино. Впервые оно было замечено в начале ХХ века, когда при наблюдении за реакцией бета-распада (в результате высвобождаются электрон или позитрон) ученые обнаружили, что количество энергии до протекания реакции и после не совпадает, то есть не соблюдается закон ее сохранения. Тогда швейцарский физик Вольфгант Паули предположил, что существуют некоторые неуловимые частицы, которые уносят с собой часть энергии. Экспериментально эта гипотеза подтвердилась только спустя 23 года. Изначально эти частицы хотели назвать нейтронами, так как они электрически нейтральны, но этот термин уже был занят. Частицы получили название «нейтрино» — с итальянского «нейтрончик». Дальнейшее изучение нейтрино современными учеными может помочь понять природу материи, подробнее изучить звездные взрывы и структуру Вселенной. Исследователи считают, что во Вселенной количество материи преобладает над количеством антиматерии, и нейтрино поможет объяснить причину этого дисбаланса.

Идут ярые споры о том, в какую группу частиц входят нейтрино. Если считать, что они находятся в группе майорановских частиц, то есть являются античастицами самим себе, то у ученых появляется возможность наблюдать за редким видом бета-распада — двойным бета-распадом без нейтрино. В этом случае два нейтрона могут пройти бета-распад вместе, так что нейтрино, испускаемое одним нейтроном, немедленно поглощается другим нейтроном. Подобные бета-распады еще не наблюдались, поэтому современные ученые занимаются разработкой приборов для отслеживания таких явлений.

Для наблюдения за бета-распадами применяются болометры (приборы для измерения энергии излучения), изготовленные из высокочистых кристаллов, испускающих свет при поглощении излучения. Одним из перспективных материалов для создания болометров являются монокристаллы молибдатов первой и второй групп таблицы Менделеева, в частности молибдат лития (Li2MoO4). Кроме того, молибдаты и вольфраматы щелочных и щелочноземельных металлов используются для изучения упругого когерентного рассеяния нейтрино на ядрах, которое позволяет получить информацию о формировании Вселенной и эволюции звезд, а также о структуре ядра и может использоваться для мониторинга ядерных реакторов. Молибдаты-вольфраматы лития содержат тяжелые элементы (молибден и вольфрам), за счет чего увеличивается сечение (вероятность взаимодействия) процесса упругого когерентного рассеяния нейтрино.

Ученые Института неорганической химии имени А. В. Николаева СО РАН (Новосибирск) разработали методику выращивания новых монокристаллов вольфрамата лития с небольшим замещением вольфрама молибденом и изучили их термодинамические свойства. Монокристаллы были выращены с использованием низкоградиентного метода Чохральского, при котором рост происходит при низких градиентах температур (меньше одного градуса).

На основе полученных физико-химических закономерностей авторы работы наметили направления, в которых нужно улучшить функциональные свойства кристаллов. К примеру, в ходе исследований были обнаружены связи между энергией решетки изучаемых монокристаллов и длиной люминесценции, что позволяет в дальнейшем предсказать направления изменения люминесцентных свойств и вырастить новые перспективные монокристаллы. Это можно сделать за счет добавления других элементов к вольфраматам-молибдатам лития.

«Используя эти монокристаллы, можно будет проводить эксперименты с килограммами монокристаллов, а не с тоннами. Как уже отмечалось, двойной безнейтринный бета-распад еще не наблюдался, и природа упругого когерентного рассеяния нейтрино атомными ядрами также недостаточно изучена. Поэтому перед материаловедами всего мира стоит задача создавать все больше и больше высокочистых материалов и детально изучать их функциональные свойства», — рассказывает Ната Мацкевич, доктор химических наук, руководитель проекта по гранту РНФ, ведущий научный сотрудник лаборатории термодинамики неорганических материалов Института неорганической химии имени А. В. Николаева (ИНХ) СО РАН.