СБОРНИК АННОТАЦИЙ УЧЕБНЫХ КУРСОВ

СБОРНИК
АННОТАЦИЙ УЧЕБНЫХ ПРОГРАММ,
КУРСОВ ЛЕКЦИЙ И УЧЕБНОГО
ПОСОБИЯ ПО ДИСЦИПЛИНАМ
ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНОГО ПРОФИЛЯ
1
Введение
В настоящем сборнике представлены аннотации учебных программ и
курсов лекций ряда дисциплин естественнонаучного профиля, подготовленных в Московском инженерно-физическом институте (государственном университете) при использовании положительного опыта преподавания аналогичных дисциплин в Мерилендском и Техасском университетах
(США). Часть этих программ касалась общей подготовки специалистов
ядерной отрасли (и входила в программу бакалавриата), часть представляла собой программы специальных курсов, входящих в подготовку магистров ядерно-энергетических специальностей. Указанные программы и
курсы лекций были подготовлены ведущими специалистами МИФИ, многие из которых работают также в Российских Федеральных ядерных центрах (РФЯЦ): Всероссийском научно-исследовательском институт экспериментальной физики (ВНИИЭФ) г. Саров и Всероссийском научноисследовательском институт технической физики (ВНИИТФ) г. Снежинск
и прекрасно понимают потребности современной ядерной отрасли. При
этом проводились многочисленные плодотворные обсуждения ряда вопросов, вошедших в разработанные программы и курсы лекций, с ведущими специалистами Мерилендского и Техасского университетаов
(США). Важной частью разработанных программ явилось учет в них положительных элементов американской системы организации образования:
двухуровневость, тестовая система оценки и облегчение бакалаврских программ, усиление требований к подготовке магистров и др.
2
КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА
(Учебная программа, курс лекций и учебное пособие)
Аннотация:
В современной науке квантовая механика занимает важное место,
поскольку формирует основные идеи современного подхода к описанию
микромира и дает язык такого описания, который является единственно
возможным для целого ряда разделов физики. Так, не существует неквантовой теории твердого тела, неквантовой теории ядра, неквантовой теории
элементарных частиц и т.д. Квантовая химия, современная биофизика возникли только после создания квантовой механики. Поэтому курс квантовой механики занимает особое место среди различных разделов физики,
входящих в программу обучения физиков, как теоретиков, так и экспериментаторов. А для студентов-физиков, работа которых будет связана с
конденсированным состоянием вещества, ядерной физикой, физикой элементарных частиц, а также для специалистов в области ядерной энергетики этот курс представляет собой основное «орудие труда».
В предлагаемом курсе излагаются физические основы и математические методы нерелятивистской квантовой механики. С точки зрения содержания предлагаемый курс традиционен для подготовки физиков в рамках стандартных университетских программ. Изложение включает операторный и матричный методы квантовой механики, квантование простейших физических систем, теорию момента и спина, квазиклассическое приближение, теорию возмущений и переходов, задачу рассеяния. Особенностью предлагаемого курса является включение во все его разделы большого количества тестовых задач и примеров (то есть простейших задач с выбором ответа из нескольких предлагающихся), которые, во-первых, позволят преподавателю организовать эффективный и постоянный контроль текущей успеваемости студентов, а также могут быть использованы для са-
3
моконтроля. Курс рассчитан на бакалавров физики различных специальностей, и слушается на 3 году обучения.
Предполагается, что студенты, слушающие данный курс, знают
высшую математику, теорию вероятностей, общую физику и теоретическую механику в объеме стандартной программы обучения студентов физических специальностей университетов.
Цель и задачи курса:
Целью данного курса квантовой механики является ознакомление
студентов с основными понятиями квантовой механики и ее математическим аппаратом. В результате изучения курса студенты научатся пользоваться этими понятиями и аппаратом для исследования простейших квантовых систем: атома водорода, ротатора, осциллятора и др., а также для
решения простейших задач. Овладение квантовой механикой в таком объеме позволит студентам в будущем изучать специальные разделы современной физики, такие как квантовую теорию поля, теорию атомного ядра
и твердого тела, теорию элементарных частиц.
Курс квантовой механики в МИФИ:
В МИФИ курс квантовой механики слушают:
Студенты всех специальностей Факультета экспериментальной и
теоретической физики на третьем году обучения. Курс годовой.
Студенты всех специальностей факультета Физики и экономики высоких технологий на третьем году обучения. Курс семестровый.
Студенты некоторых специальностей факультета Автоматики и
электроники на третьем году обучения. Курс семестровый.
В рамках выполнения государственного контракта П-365 от 24 июля
2007 г. подготовлены учебная программа курса квантовой механики, курс
лекций и учебное пособие «Тестовые задачи по квантовой механике».
4
Календарный план курса
1 СЕМЕСТР
1-2 недели
Место квантовой механики в современной физической науке. Постоянная
Планка. Основные экспериментальные факты, лежащие в основе квантовой механики. Постулаты квантовой механики и их физический смысл.
3-4 недели
Операторы физических величин. Уравнения на собственные значения и
собственные функции.. Свойства собственных значений и собственных
функций линейных самосопряженных операторов. Матрицы операторов и
представления волновой функции. Унитарные преобразования базиса. Соотношения коммутации. Одновременная измеримость физических величин. Соотношения неопределенности Гейзенберга.
5-6 недели
Временное уравнение Шредингера. Причинность. Плотность потока вероятности. Стационарные состояния. Решение задачи с начальными условиями. Зависимость средних от времени. Интегралы движения. Законы сохранения и симметрии. Четность.
7-8 недели
Общие свойства стационарных состояний одномерного движения. Квантование энергии в потенциале притяжения. Бесконечно глубокая потенциальная яма.
9-10 недели
Гармонический осциллятор. Уровни энергии и волновые функции (решение в виде ряда). Вычисления с осцилляторными функциями. Прохождение потенциальных барьеров.
11-12 недели
Момент импульса: операторы, коммутационные соотношения, решение
уравнений на собственные значения. Повышающий и понижающий операторы момента. Матричная теория момента.
5
13-14 недели
Задача двух тел. Движение в центральном поле. Общие свойства движения
в центральном поле. Уравнение для радиальной волновой функции Сферический осциллятор. Водородоподобный атом. Уровни энергии и волновые
функции. Случайное вырождение.
15-16 недели
Собственные значения и собственные функции произвольного момента.
Операторы и волновые функции. Спин 1/2. Матрицы Паули и их свойства.
Собственный магнитный момент. Уравнение Паули. Движение заряженной
частицы в магнитном поле. Уровни Ландау.
2 СЕМЕСТР
1-2 недели
Сложение моментов. Коэффициенты Клебша-Гордана. Сложение двух
спинов ½. Классификация спиновых функций в системе из двух частиц.
3-4 недели
Квазиклассическое приближение. Квазиклассические решения уравнения
Шредингера, сшивка квазиклассических решений. Правило квантования
Бора-Зоммерфельда. Квазиклассический коэффициент прохождения через
барьер. Вероятность альфа распада в квазиклассическом приближении.
5-6 недели
Теория стационарных возмущений для состояний дискретного спектра.
Случай невырожденного спектра. Примеры.
7-8 недели
Теория стационарных возмущений для состояний дискретного спектра.
Случай вырожденного спектра. Примеры.
9-10 недели
Теория нестационарных возмущений. Переходы под влиянием возмущений, зависящих от времени. Адиабатические и внезапные возмущения.
11 неделя
Переходы под действием периодического возмущения.
6
12-13 недели
Системы тождественных частиц в квантовой механике. Бозоны и фермионы. Обменное взаимодействие. Принцип запрета Паули. Операторы уничтожения и рождения. Коммутационные соотношения. Операторы поля
частиц.
14-15 я недели
Квантовое описание рассеяния. Упругие столкновения. Амплитуда и сечение рассеяния. Интегральное уравнение задачи рассеяния. Борновское
приближение. Упругое рассеяние быстрых электронов атомами. Борновский ряд.
Литература
Основная
1. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т.3. Квантовая механика. Нерелятивистская теория. М.: Наука. 1989, 2001.
2. Давыдов А.С. Квантовая механика. М.: Наука, 1973.
3. Галицкий В.М., Карнаков Б.М., Коган В.И. Задачи по квантовой механике. М.: Наука, 1981, 1992, 2001 (в 2-х т.).
Дополнительная
1. Дирак П.А. Принцип квантовой механики. М.: Наука, 1979.
2. Левич В.Г., Вдовин Ю.А., Мямлин В.А. Курс теоретической физики. Т.2.
М.: Физматгиз, 1962.
3. Л. Шифф. Квантовая механика. М.: Иностранная литература. 1959, 472.
7
ТЕОРИЯ КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ
(Учебная программа и курс лекций)
Аннотация
Физика твердого тела, как наука, родилась в начале двадцатого века
в связи с развитием атомной физики. Она занимается главным образом
изучением свойств кристаллических твердых тел и поведением электронов
в этих телах. Физика конденсированного состояния сводится , в сущности,
к установлению связи между свойствами индивидуальных атомов и молекул и свойствам, обнаруживаемыми при объединении огромного числа
одинаковых атомов в регулярно упорядоченные структуры – кристаллы.
Настоящий курс посвящен анализу физических свойств кристаллов, последовательному построению аналитических моделей спектров возбуждении . Из «первых принципов» вводится концепция элементарных коллективных возбуждений – фононов и магнонов, подробно рассматривается их
вклад в различные физические свойства кристаллов.
Последовательно
рассматриваются термодинамические свойства кристаллов, различные
приближенные модели, проблемы неустойчивости
одно- и двумерных
кристаллов. На основе теории взаимодействия рентгеновского и нейтронного излучений с фононной подсистемой анализируется упругое и неупругое рассеяние частиц кристаллом, влияние температуры, эффект Мессбауэра. Особенностью курса является строгий математический подход к выводу всех базовых результатов.
Предполагается, что студенты, слушающие данный курс, обладают
значительным уровнем подготовки и знают высшую математику, теорию
вероятностей, теоретическую механику, нерелятивистскую квантовую механику и статистическую физику в объеме стандартной программы обучения студентов физических специальностей университетов.
8
Цель и задачи курса:
Цель курса – научить студентов работе с экспериментальными данными по
параметрам кристалла и связи конкретных данных с теоретическим описанием из первых принципов основных свойств кристаллов, а также привить
будущим физикам с самого начала их трудовой деятельности современную
точку зрения на твердое тело как на систему взаимодействующих частиц,
которая при определенных условиях ведет себя как совокупность почти
независимых элементарных возбуждений.
Курс «Теория конденсированного состояния» в МИФИ:
Курс «Теория конденсированного состояния» рассчитан на бакалавров физики различных специальностей, специализирующихся по теоретической физике, прикладной математической физике, физике твердого тела
и квантовой электронике и физике сверхпроводимости. Данный курс слушают студенты этих специальностей факультета Экспериментальной и
теоретической ядерной физики на 4 году обучения.
9
Календарный план курса
1-я неделя.
Конденсированное состояние системы макроскопического числа частиц с
произвольным взаимодействием. Кристаллическая и аморфная фазы.
Квантовые жидкость и газ.
2-я неделя.
Колебания атомов в произвольном твердом теле. Адиабатическое приближение. Система уравнений движения и набор собственных частот в гармоническом приближении.
3-я неделя.
Кристаллическая симметрия, элементарная ячейка. Одно- и многоатомные
кристаллы. Примеры одномерных кристаллов. Система уравнений движения атомов элементарной ячейки. Квазиволновой вектор.
4-я неделя.
Колебания атомов линейного одноатомного кристалла. Акустический
спектр. Отношение смещений соседних атомов, групповая и фазовая скорости распространения волн смещений.
5-я неделя.
Спектр колебаний двухатомного кристалла. Акустические и оптические
частоты. Скорости распространения и относительные смещения атомов.
6-я неделя.
Периодическая зависимость собственных частот и векторов смещения от
квазиволнового вектора. Обратная решётка и её базис. Длинноволновое
приближение для частот и амплитуд смещения атомов в произвольном
кристалле. Числа акустических и оптических частот.
7-я неделя.
Полнота и ортонормированность собственных векторов смещений атомов
в произвольном кристалле. Представление смещения любого атома по собственным векторам. Преобразование полной энергии колеблющихся атомов к представлению собственных колебаний.
10
8-я неделя.
Квантование колебаний атомов. Фононы. Оператор смещения и его матричные элементы. Средний квадрат смещения атома.
9-я неделя.
Термодинамика колеблющегося кристалла. Тепловая энергия и теплоёмкость. Температурное поведение теплоёмкости. Дебаевское приближение.
Уравнение состояния.
10-я неделя.
Температурное поведение среднего квадрата смещения любого атома в
кристалле. Неустойчивость 1- и 2-х мерных кристаллов.
11-я неделя.
Эффект Мёссбауэра. Вероятность эффекта и его температурное поведение.
Восстановление характеристик кристаллов по анализу вероятности эффекта в ранних системах.
12-я неделя.
Рассеяние внешнего излучения на колеблющемся кристалле. Вероятность
рассеяния в приближении тонкого кристалла.
13-я неделя.
Упругое и неупругое когерентное рассеяние. Восстановление фононного
спектра кристаллов по результатам неупругого однофононного рассеяния
нейтронов. Времена жизни фононов.
14-я неделя.
Упругое и неупругое некогерентное рассеяние нейтронов. Восстановление
функции плотности фононных частот.
15-я неделя.
Гамильтониан системы взаимодействующих магнитных моментов атомов
в ферромагнетике. Преобразование гамильтониана к представлению с выделенной магнитным полем осью. Основное состояние и возбуждение магнонов.
11
16-я неделя.
Термодинамика ферромагнетика. Температурное поведение теплоёмкости
и макроскопического магнитного момента. Ферромагнетизм как пример
фазового перехода 2-го рода.
Литература
Основная
1. Ашкровт Н.., Мермин Н. Физика твердого тела. М.: Мир. 1972. т.т.
1,2.
2. Голдсмит Г.Дж. Задачи по физике твердого тела. М.: Наука. 1976.
3. Займан Дж. Принципы теории твердых тел. М.: Мир. 1974.
Дополнительная
1. Киттель Ч. Квантовая теория твердых тел. М.: Наука. 1967.
12
ВВЕДЕНИЕ В ТЕОРИЮ КВАНТОВОЙ ИНФОРМАЦИИ
(Учебная программа и курс лекций)
Аннотация
Курс лекций по основам квантовой теории информации ставит своей
целью познакомить студентов с новейшим научным направлением, которое сформировалось на стыке квантовой механики и теории информации.
Предметом изучения являются основные физические и математические
понятия, принципы и методы, а также достигнутые к настоящему времени
результаты, относящиеся к области квантовых вычислений и квантовой
информации. Сформулированные буквально пару десятилетий тому назад
идеи квантовой информатики показали, что законы квантовой физики открывают совершенно новые возможности в целом ряде актуальных задач
обработки информации и в квантовых вычислениях. Впечатляющий прогресс в этой области исследований, имеющей, по сути, междисциплинарный характер, обусловлен тем, что сейчас в ней сконцентрированы усилия
многих научных групп и различных физических и математических сообществ. Есть все основания полагать, что получение первичных знаний о
наиболее важных идеях и результатах в сфере квантовых вычислений и
квантовой информации следует рассматривать как необходимый и злободневный компонент системы инженерно-физического образования, призванный привлечь внимание студентов и начинающих исследователей к
этой новой многообещающей области науки.
В первой части курса, рассчитанной на один семестр, кратко прослеживается история вопроса, начиная со знаменитого парадокса ЭйнштейнаПодольского-Розена (ЭПР) и подходя к идеям новейшего времени, сформулированным Фейнманом и Дойчем. Приводятся необходимые сведения
из классической теории информации, включая такие вопросы как информационная энтропия Шенона, количество информации, обратимые логические операции, понятие вычислительной сложности. Далее обсуждаются
13
физические принципы, лежащие в основе квантовой информатики. Вводится понятие кубита как элементарной квантовой информационной ячейки, когда базисные состояния кубита выступают в качестве логических
элементов вычислительного базиса. Приводятся примеры физических систем, реализующих кубиты. Формулируются основные квантовые логические операции (квантовые гейты), необходимые для манипулирования
квантовой информацией вообще и проведения квантовых вычислений, в
частности. Подробно обсуждаются однокубитовые гейты как унитарные
преобразования в двухмерном гильбертовом пространстве состояний и их
физическая реализация. Показывается необходимость двухкубитовых гейтов и фундаментальная роль гейта СNOT. Дается некоторое представление о квантовых схемах, осуществляющих произвольные унитарные преобразования гильбертова пространства состояний n-кубитового регистра.
Отмечается экспоненциально большая информационная емкость такого регистра и одновременно подчеркивается свойственная квантовой механике
специфика процесса измерения состояния квантового регистра. Обсуждается роль принцип суперпозиции и идея квантового параллельного вычисления – квантовый параллелизм. Специальный раздел посвящен концепции перепутывания квантовых состояний и фундаментальной роли перепутанных состояний в задачах обработки информации и квантовых вычислениях. Рассматриваются примеры двухкубитовых систем, находящихся в
перепутанных состояний, так называемые ЭПР-пары. Дается определение
состояний Белла, которые являются максимально перепутанными состояниями и образуют полный базис двухкубитовых состояний. Обсуждение
парадокса Эйнштейна-Подольского-Розена, неравенств Белла и экспериментов по верификации концепции физической нелокальности призваны
оттенить основную идею о том, что физические законы, то есть законы
квантового мира открывают принципиально новые возможности в процессах манипулирования квантовой информацией. Впечатляющим примером
является идея квантовой телепортации. Теоретическая формулировка про14
токола квантовой телепортации сопровождается подробным изложением
эксперимента по квантовой телепортации поляризационного состояния
фотона. Еще одной иллюстрацией служит протокол так называемой плотной квантовой кодировки. Заключительный раздел посвящен квантовым
алгоритмам. Рассмотрена задача Дойча - квантовый алгоритм определения
типа бинарной функции. Подробно излагается алгоритм Гровера, осуществляющий квантовый поиск в неупорядоченной базе данных, и анализируется эффективность этого алгоритма, который дает степенное преимущество по сравнению с классическими протоколами. Рассмотрена схема квантового дискретного преобразования Фурье. Детально обсуждается
знаменитый алгоритм факторизации Шора, который имеет экспоненциальное преимущество перед наилучшими классическими алгоритмами. Открытие алгоритм Шора послужило мощным стимулом к развитию всей области квантовых вычислений и квантовой информации.
Во вторую часть курса, которая является дальнейшим продолжением
первой части и рассчитана на один семестр, планируется включить актуальную тему квантовой связи и квантовую криптографию, которая, пожалуй, наиболее близка к практическому использованию. Предметом обсуждения будет важнейшая проблема декогерентности и коды исправления
квантовых ошибок, которые открывают возможности проведения устойчивых к ошибкам квантовых вычислений. Будут рассмотрены примеры физических систем, позволяющих осуществить простейшие операции с кубитами. В том числе, управляемый квантовый регистр, использующий ионы в
линейной ловушке Пауля для реализации гейта CNOT, логические элементы на атомах в высокодобротных резонаторах и на ядерных спинах атомов
в сложных молекулах.
Цель и задачи курса:
Целью курса «Введение в квантовую теорию информации» является
изложение основных физических и математических понятий, принципов и
15
методов, а также достигнутых к настоящему времени результатов, относящиеся к области квантовых вычислений и квантовой информации. Идеи
квантовой информатики как новейшего научного направления, возникшего
на стыке квантовой механики и теории информации, показали, что законы
квантовой физики открывают совершенно новые возможности в целом ряде актуальных задач обработки информации и в квантовых вычислениях.
Впечатляющий прогресс в этой области исследований, имеющей, по сути,
междисциплинарный характер, обусловлен тем, что сейчас здесь сконцентрированы усилия многих научных групп и различных физических и математических сообществ. Поэтому получение студентами первичных знаний
в этой новой области науки следует рассматривать как необходимый и
злободневный компонент системы инженерно-физического образования.
Курс «Введение в квантовую теорию информации» в МИФИ:
Данный полугодовой/годовой факультативный цикл лекций читается
студентам 4-5 курсов ф-та ЭТФ, которые специализируются в области теоретической физики и прикладной математики. Программа курса предполагает, что слушатели знакомы с основными понятиями, принципами и законами нерелятивистской квантовой механики, включая некоторое минимально необходимое знание применяемого математического аппарата, то
есть таких разделов как, например, линейная алгебра и матричное исчисление, гильбертово пространство и линейные операторы, спинорные представления группы вращений. Некоторые необходимые вопросы из других
разделов физики, таких как атомная оптика и лазерное охлаждение, квантовая оптика и квантовая электродинамика резонаторов, включены в программу данного курса.
16
Календарный план курса
1-я неделя
Квантовая информатика как наука на стыке квантовой механики и теории
информации. Из истории вопроса. Физические принципы, лежащие в основе квантовой информатики.
2-я неделя
Некоторые сведения из классической теории информации - Бит как единица информации. Логические операции. Сложение по модулю 2. - Информационная энтропия Шенона. Количество информации. -Энтропия в статистической физике, термодинамический предел для энергетических затрат
на переключение логического элемента и на передачу бита информации. Обратимые логические операции и обратимые логические гейты.
3-я неделя
Кубит как элементарная квантовая информационная ячейка. Логические
элементы как базисные состояния кубита и принцип суперпозиции. Примеры физических систем, реализующих кубиты: спин ½, поляризационные
состояния фотона, двухуровневая система
4-я неделя
Квантовый n-кубитовый регистр и его информационная емкость. Проекционный постулат и измерение квантовых состояний. Измерение состояния
квантового регистра.
5-6-я недели
Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена и физическая нелокальность.
Концепция перепутывания квантовых состояний подсистем. ЭПР-пары.
Неравенства Белла и эксперименты по их верификации.
7-я неделя
Примеры перепутанных состояний для двухкубитовых систем. Состояния
Белла как максимально перепутанные состояния. Преобразование состояний Белла при изменении базиса. Меры перепутывания.
17
8-9-я недели
Основные квантовые логические операции- Унитарные матрицы 22 и однокубитовые гейты: NOT, преобразование Адамара и другие.- Физическая
реализация однокубитовых гейтов: спин в магнитном поле, фазовая пластинка, светоделитель, двухуровневая система в резонансном поле. - Необходимость двухкубитовых гейтов. Двухкубитовый гейт СNOT.
10-я неделя
Квантовые вычисления
- Унитарные преобразования гильбертова пространства состояний nкубитового регистра. - Локальные логические операции и квантовое параллельное вычисление – квантовый параллелизм.
11- 12-я недели
Квантовая телепортация
- Протокол квантовой телепортации.
- Эксперимент по квантовой телепортации поляризационного состояния.
- Источник ЭПР-пар.
- Светоделитель и измерение антисимметричного поляризационного состояния Белла. Плотная кодировка.
13-я неделя
Понятие вычислительной сложности. Классы сложности P и NP. Квантовый алгоритм определения типа бинарной функции (задача Дойча ).
14-я неделя
Алгоритм Гровера (квантовый поиск в неупорядоченной базе данных)
- Квантовый оракул
- Операция инверсии относительно среднего
- Эффективность алгоритма квантового поиска
18
15 -16-я недели
Алгоритм факторизации Шора
- Сведение задачи факторизации к задаче отыскания периода длинной последовательности
- Квантовое преобразование Фурье
- Эффективность квантового протокола факторизации
Литература
Основная
Яковлев В.П., Кондрашин М.П. Элементы квантовой информатики. – М.:
МИФИ, 2004. – 80с.
Дополнительная
1. Нильсен М., Чанг И. Квантовые вычисления и квантовая информация:
Пер. с англ. – М.: Мир, 2006г. – 824с.
2. Валиев К.А., Кокин А.А. Квантовые компьютеры: надежда и реальность.
- Ижевск: НИЦ “Регулярная и хаотическая динамика”, 2001. - 352 с.
3. Боумейстер Д., Экерт А., Цайлингер А. Физика квантовой информации.
– М.: Постмаркет, 2002. - 376 с.
4. Холево А.С. Введение в квантовую теорию информации. – М.: МЦН-
МО, 2002. - 228 с.
19
ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ С ЯДЕРНОЙ НАКАЧКОЙ:
(Учебная программа и курс лекций)
Аннотация:
Как известно, для возбуждения газовых лазеров используются различные способы и источники накачки – газовый разряд, электронные и ионные пучки, газодинамический метод, химические реакции и др. Кроме этих
традиционных методов накачки в научной литературе рассматривалась
возможность использования для накачки лазеров мощных, компактных и
энергоемких источников ядерной энергии. Применение ядерных излучений для накачки активных сред и создание на этой основе лазеров с ядерной накачкой (ЛЯН) является сравнительно новым научно-техническим
направлением, которое находится на стыке двух дисциплин – квантовой
электроники и ядерной физики.
Обсуждение проблемы прямого преобразования ядерной энергии в лазерное излучение началось в начале 60-х годов прошлого века сразу же после создания первых лазеров. Интерес к этой проблеме, имеющей большое
практическое и научное значение, связан с возможностью использования
для накачки лазеров мощных источников ядерной энергии (ядерные реакторы, ядерные заряды) и, соответственно, с принципиальной возможностью создания мощных лазеров. Энергия, выделяющаяся, например, при
полном делении 1 г 235U составляет 8·1010 Дж, что примерно на семь порядков превосходит максимальную удельную энергию, выделяющуюся в
результате взрывных химических реакций (≤ 104 Дж/г).
Существуют три основных источника ядерных излучений, которые
использовались для накачки ЛЯН, или, по крайней мере, обсуждалась возможность их использования: 1) ядерные реакторы; 2) ядерные взрывные
устройства (ядерные заряды); 3) радиоактивные изотопы. В настоящее
время накачка лазеров осуществлена при использовании первых двух ис20
точников, причем основной объем исследований был выполнен на импульсных реакторах, так как ядерные заряды являются довольно экзотическими
приборами однократного действия, при срабатывании которых происходит
уничтожение лазерной установки. К настоящему времени у нас в стране и
за рубежом разработаны и находятся в эксплуатации более десятка таких
реакторов и несколько десятков их модификаций.
В настоящее время исследования ЛЯН достигли такого уровня, когда
стала реальной инженерно-конструкторская разработка непрерывных и
импульсных ядерно-лазерных установок для конкретных применений. Такие установки представляют собой комплексные устройства, базирующиеся на достижениях ядерной физики и техники, квантовой электроники, газовой динамики, оптики и др.
Исследования в области ЛЯН направлены, главным образом, на создание мощных ядерно-лазерных устройств. Наиболее распространенной в
настоящее время является концепция реактора-лазера, в активной зоне которого, состоящей из делящегося вещества и лазерной среды, происходит
прямое преобразование выделившейся ядерной энергии в лазерное излучение, минуя промежуточную стадию тепловой энергии. Такие установки
могут найти применение в промышленности для различных технологических процессов, требующих высоких мощностей лазерного излучения, в
качестве источников энергии для космических станций, для удаления так
называемого «космического мусора» и др. В настоящее время исследования ЛЯН достигли такого уровня, когда стала реальной инженерноконструкторская разработка непрерывных и импульсных ядерно-лазерных
установок для конкретных применений. Такие установки представляют собой комплексные устройства, базирующиеся на достижениях ядерной физики и техники, квантовой электроники, газовой динамики, оптики и др.
В данном курсе излагаются: особенности накачки лазеров ядерными
излучениями; основные параметры ядерно-возбуждаемой плазмы; организация экспериментов по изучению ЛЯН; результаты исследований ЛЯН на
21
импульсных реакторах; механизмы генерации и кинетические модели
ЛЯН; принципы построения реакторов-лазеров и их возможные применения.
Цель и задачи курса:
Целью настоящего курса является ознакомление студентов физических
специальностей МИФИ, будущих инженеров-физиков, с основными этапами поиска и развития ЛЯН, источниками ядерных излучений и способами накачки ЛЯН, характеристиками ЛЯН и механизмами их работы, а
также возможными применениями
Курс «Газовые лазеры с ядерной накачкой» в МИФИ:
Настоящий курс лекций предназначен для студентов 5 курса факультета Экспериментальной и теоретической физики МИФИ. Информация,
содержащаяся в данном курсе, будет полезна также для аспирантов, научных работников и инженеров, которые специализируются в области исследования различных типов газовых лазеров.
22
Календарный план курса
1-2 недели
Особенности накачки лазеров ядерными излучениями. Способы возбуждения лазерных сред. Источники ядерных излучений. Проблемы поиска лазерных сред. Энерговклад ядерных частиц в лазерную среду. Оптические
неоднородности и их влияние на лазерные характеристики
3 неделя
Основные параметры ядерно-возбуждаемой плазмы. Начальная стадия
ионизационных процессов в газовых средах. Образование ионов и возбужденных атомов на начальной стадии ионизации.
Плазмохимические процессы. Люминесцентные характеристики.
4-6 недели
Организация экспериментов по изучению лазеров с ядерной накачкой.
Применение импульсных ядерных реакторов для исследования лазеров с
ядерной накачкой. Проблемы радиационной стойкости лазеров с ядерной
накачкой.
Методики первых экспериментов на реакторах ВИР-2 и ТИБР-1
(ВНИИЭФ).
Экспериментальный комплекс на основе реактора ВИР-2М (ВНИИЭФ).
Экспериментальная установка ЭБР-Л (ВНИИТФ).
Стенд для исследования характеристик лазеров с ядерной накачкой (ФЭИ).
Организация экспериментов на реакторах SPR и TRIGA (США)
7-9 недели
Результаты исследования лазеров с ядерной накачкой на импульсных реакторах.
Инфракрасные лазеры на переходах атомов Xe, Kr и Ar.
Лазеры видимого диапазона на переходах атома Ne.
Лазеры на парах металлов.
Лазеры на переходах атомов C, N, O и Cl.
23
Лазеры на переходах молекул СО, N2+ и СО2.
Эксимерные, йодные и химические лазеры.
Накачка лазеров быстрыми нейтронами.
10-13 недели
Механизмы генерации и кинетические модели лазеров с ядерной накачкой.
Механизмы возбуждения лазерных сред. Предельный КПД.
Семейство лазеров на ИК переходах атомов инертных газов.
Лазеры на переходах 3p-3s атома Ne.
Лазеры на смесях инертных газов с парами металлов.
Лазеры на переходах атомов C, N, O и Cl.
Молекулярные лазеры.
14- 16 недели
Принципы построения реакторов-лазеров и их возможные применения.
Лазерная ячейка.
Радиаторы, их методы расчета и оптимизация параметров.
Расчет ядерно-физических параметров.
Энергетические реакторы-лазеры непрерывного и квазинепрерывного действия.
Особенности реакторов-лазеров и их возможные применения.
Литература
Основная
Мельников С.П., Сизов А.Н., Синянский А.А. Лазеры с ядерной накачкой.
− Саров, РФЯЦ-ВНИИЭФ (2007).
Дополнительная
24
1. Лосев С.А. Газодинамические лазеры. – М.: Наука (1977).
2. Гудзенко Л.И., Яковленко С.И. Плазменные лазеры. – М.: Атомиздат
(1978).
3. Эксимерные лазеры. Под ред. Ч. Роудза. – М.: Мир (1981).
4. Химические лазеры. Под ред. Н.Г.Басова. – М.: Наука (1982).
5. Веденов А.А. Физика электроразрядных СО2-лазеров. – М.: Энергоатомиздат (1982).
6. Бредерлов Г.Б., Филл Э., Витте К. Мощный йодный лазер. – М.: Энергоатомиздат (1985).
25
МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ ПАРАМЕТРОВ ВЫСОКОИНТЕНСИВНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ИСТОЧНИКОВ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ
(Учебная программа)
Аннотация:
Данный курс входит в цикл лекций профессиональной подготовки
студентов. Основная цель курса – дать представление студентам об особенностях регистрации однократных быстропротекающих процессов и методах, которые используются при диагностике их основных параметров
(длительность процесса, интенсивность излучения и его спектральный состав).
Дается определение однократных быстропротекающих процессов
как вида импульсных источников ионизирующего излучения и их примеры
(источники тормозного излучения, ядерные импульсные реакторы, ядерные взрывы). В рамках курса лекций рассматриваются методы диагностики параметров таких источников, когда в импульсе излучения частиц много, и время их существования достаточно мало.
Рассматриваются особенности регистрации этих процессов и проблемы,
которые при этом необходимо решать. Дается обзор существующих методов диагностики и область их применения, а также обзор требований к
применяемым детекторам и регистрирующей аппаратуре.
В курсе излагаеся: физика взаимодействия излучения с веществом
(взаимодействие рентгеновского, гамма-излучения и нейтронов с веществом); измерение выхода и спектрального состава импульсных источников нейтронов (метод времени пролета, активационный метод, метод терморезисторов, метод регистрации осколков деления); измерение выхода и
спектрального
состава
импульсных
гамма-источников(
кристалл-
дифракционный метод, метод поглощающих фильтров, метод магнитного
анализа комптоновских электронов, метод регистрации гамма-спектров по
26
фотонейтронам);технические возможности методов и области их применения для регистрации потоков и спектров гамма-квантов; измерение выхода
и спектрального состава импульсных источников рентгеновского излучения (калориметрия рентгеновского излучения, метод поглощающих фильтров).
Цель и задачи курса:
Основная цель курса – дать представление студентам об особенностях регистрации однократных быстропротекающих процессов и методах,
которые используются при диагностике их основных параметров (длительность процесса, интенсивность излучения и его спектральный состав).
Курс «Методы диагностики параметров высокоинтенсивных импульсных источников ионизирующего излучения» в МИФИ:
Настоящий курс лекций предназначен для студентов 5 курса факультета Экспериментальной и теоретической физики МИФИ. Информация,
содержащаяся в данном курсе, будет полезна также для аспирантов, научных работников и инженеров, которые специализируются в области экспериментальной физики.
27
Календарный план курса
1-4 недели
Физика взаимодействия излучения с веществом.
Взаимодействие рентгеновского и гамма излучения с веществом. Взаимодействие нейтронов с веществом.
5-8 недели
Измерение выхода и спектрального состава импульсных источников
нейтронов.
Краткий обзор методов. Метод времени пролета. Активационный метод.
Метод терморезисторов. Метод регистрации осколков деления.
9-12 недели
Измерение выхода и спектрального состава импульсных гаммаисточников.
Краткий обзор ряда существующих методов. Методы магнитного анализа
комптоновских электронов. Метод регистрации с использованием фотоядерной реакции на дейтерий.
13-16 недели
Измерение выхода и спектрального состава импульсных источников рентгеновского излучения.
Калориметрия рентгеновского излучения. Метод поглощающих фильтров.
Литература
Основная
1. Мухин К.Н. Экспериментальная ядерная физика, часть 1 и 2, М.: Атомиздат, 1974
2. Рыбаков Б.В., Сидоров В.А. Спектроскопия быстрых нейтронов, М.:
Атомиздат, 1958
3. Власов Н.А. Нейтроны, М.: Наука, 1971
28
4. Веретенников А.И., Горбачев В.М. Методы исследования импульсных
излучений, М.: Энергоатомиздат, 1985
5. Абраков А.И. Основы экспериментальных методов ядерной физики, М.:
Энергоатомиздат, 1985
Дополнительная
1. Альбиков З.А., Веретенников А.И., Козлов О.В. Детекторы импульсного ионизирующего излучения, М.: Атомиздат, 1978
2. Стародубцев С.В. Взаимодействие гамма-излучения с веществом, Т.:
Наука, 1964
29
ФИЗИКА ВЫСОКИХ ПЛОТНОСТЕЙ ЭНЕРГИИ
(Учебная программа и курс лекций)
Аннотация
В ряду прикладных физических дисциплин в последние десятилетия
все четче стали проявляться контуры новой  Физика высоких плотностей
энергии (ФВПЭ). Областью ее исследований является изучение свойств
веществ и процессов при плотностях энергии, высоких по сравнению с теми, которые имеют место в непосредственно окружающем нас мире. Такое
определение является относительным и качественным. Что значит окружающий нас мир? Относятся ли к нему, например, звезды? О каких плотностях энергии идет речь? В данном курсе будут определены количественные критерии в этих понятиях. Принципиальным является то, что
имеются в виду состояния и процессы, (экстремальные) более напряженные по отношению к тем, которые обычно встречаются в повседневной
жизни. Человечество постепенно осваивало такие (экстремальные) более
напряженные состояния и процессы. В настоящее время их известно великое множество. При всем их многообразии и разнообразии в них проявляются общие закономерности, знание которых существенно упрощает исследования и обогащает понимание природы явлений.
Важнейшим фактором, определяющим быстрое развитие ФВПЭ, является бурный рост ее применений, как в научных исследованиях, так и во
вновь возникающих областях новейших технологий. Возрастают технологические возможности экспериментальных исследований. Вчерашние
научные эксперименты сегодня становятся востребованными вновь создаваемыми технологиями.
Другим фактором является чрезвычайно широкое использование методов исследований и результатов в физике звезд и планет, в астрофизике.
В свою очередь, современные научные технологии способствуют бурному
30
расширению горизонтов астрофизических наблюдений, что приносит все
новые и новые примеры применений ФВПЭ в этой области.
Физика высоких плотностей энергии является новой прикладной
дисциплиной, включающей в себя подразделы ранее сформированных
дисциплин, но имеющей право на самостоятельное существование. Основой тому является то обстоятельство, что при высоких плотностях энергии
проявляются такие свойства веществ и процессов, которые не характерны
для традиционно сложившихся областей.
Данный курс принципиально отличается от классических курсов физики
таких, как механика, статическая физика, квантовая механика, классическая теория электромагнитного поля. Каждый из этих курсов обычно основывается на одном или нескольких фундаментальных законах физики.
ФВПЭ- это новый составной раздел физики, предназначенный для описания явлений, для которых характерны плотности энергии, высокие по
сравнению с уровнями, реализующимися в явлениях и событиях повседневной жизни, не несущих угрозу людям.
Используются как подходы на основе первичных принципов, так и феноменологический подход. В курсе рассматриваются процессы, явления , состояния вещества при больших давлениях, плотностях и температурах. Для
изучения данного курса необходимо знание практически всех базовых
дисциплин теоретической физики, таких как теоретическая механика, теория поля, статистическая физика, ядерные реакции и особенно гидрогазодинамика , термодинамика и физика плазмы.
Курс рассчитан на подготовленных студентов-магистров и аспирантов,
специализирующихся в области астрофизики, ядерной и термоядерной
энергетики, физики горения и взрыва.
31
Цель и задачи курса:
Целью курса является ознакомление магистров и аспирантов с новым направлением современной физики (ФВПЭ) , методами решения широкого круга фундаментальных и прикладных задач на основе математического аппарата теоретической физики. При рассмотрении конкретных явлений особое внимание обращается на использование приближенных методов, позволяющих получить результат с нужной точностью.
Курс «Физика высоких плотностей энергии» в МИФИ:
Настоящий курс лекций предназначен для студентов 5 курса факультета Экспериментальной и теоретической физики МИФИ, специализирующихся в области ядерной физики и физики ядерно-энергетических установок.
32
Календарный план курса
1 неделя.
Введение (вводная лекция). Физика высоких плотностей энергии – что это
такое? Условность границы вещество-поле. Примеры явлений с высокой
плотностью энергии. Исторические замечания. Примеры явлений и применений физики высоких плотностей энергии. Математический аппарат. Величины, характеризующие состояния вещества и физических полей. Физические процессы с высокими плотностями энергии. Место ФВПЭ в комплексе физических наук. Научные применения.Технологические применения.
2. неделя
Физические субстанции. О гравитации и гравитационном взаимодействии .
Макроскопическое описание свойств систем (феноменологические замечания). Дискретность и непрерывность. Проявление состояний вещества в
природе – виды веществ. Источники энергии – энерговыделяющие процессы. Нуклеосинтез
3. неделя
Законы сохранения механики сплошных сред. Замыкание системы уравнений МСС. Адиабатические и изэнтропические процессы.
Поток импульса.
4. неделя
Вязкие среды. Стационарные случаи . Атмосфера планеты . Устойчивость
равновесия атмосферы. Гравитирующий газовый шар – простейшая модель
звезды. Стационарные течения. Потенциальные течения.
5. неделя
33
Некоторые течения несжимаемой жидкости. . Кумулятивные струи. Течения вещества. Пробивание струей преграды. Техническая реализация.
6. неделя
Коллапс полости в несжимаемой жидкости . Полый пузырек в бесконечной
среде. Автомодельный коллапс полости. Полость, заполненная газом. Коллапс оболочки конечной толщины.
7. неделя
Одномерные непрерывные течения. Изэнтропические течения. Инварианты Римана. Плоские бегущие волны. Эволюция профиля бегущей простой
волны. Простая волна разрежения.
8. неделя
Центрированные волны. Предельный переход к центрированной волне
разрежения. Автомодельность центрированной волны разрежения. Центрированная волна сжатия. Произвольное плоское изэнтропическое течение.
9. неделя
Автомодельные изэнтропические решения. Автомодельные переменные.
Изэнтропическое сжатие вещества сферическим поршнем. Сжатие газа
поршнем. Неограниченное изэнтропическое сжатие однородного газа при
схождении поршня к центру, оси или плоскости симметрии.
10. неделя
Конечное двухэнтропийное сжатие газа при схождении поршня к центру,
оси, или плоскости симметрии . Задача Ноха: Сжатие холодного вещества
с однородной скоростью падения на центр симметрии. Коллапс оболочки
конечной толщины с неограниченным сжатием вещества. Коллапс оболоч34
ки конечной толщины с конечным сжатием вещества. Коллапс сферический полости в сжимаемой жидкости и сходящаяся ударная волна.
11. неделя
Одномерные нестационарные течения с однородной деформацией . Коллапс вещества в точку — разлет из точки. Циклический коллапс вещества в
точку и ограниченный разлет. Коллапс вещества в область и разлёт .
12. неделя
Автомодельный коллапс полости в сжимаемом газе. Граничные условия.
Исследование особенностей поведения интегральных кривых.
13. неделя
Ударные волны. Ударная адиабата. Геометрическая интерпретация. Ударная волна слабой интенсивности.
14. неделя
Свойства ударной адиабаты для волны произвольной интенсивности.
Ударная адиабата идеального газа. Ударные волны в акустическом приближении.
15. неделя
Автомодельные течения с ударными волнами. Теория размерностей и подобие. Функциональные связи и размерности. Автомодельные процессы.
35
16. неделя
Соотношения на фронте ударной волны. Интегралы движения для автомодельных течений. Интеграл масс. Интеграл адиабатичности. Интеграл
энергии. Интеграл импульса. Исследование интегральных кривых автомодельной системы. Задача о мгновенном точечном взрыве.
Литература
Основная
1. Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшиц. Теоретическая физика, т.1, Механика, М.
"Наука", 1988 г.
2. Г. Голдстейн. Классическая механика, М. "Наука", 1975 г.
М. "Наука", 1988г.
3. Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшиц. Теоретическая физика, т. VI, Гидродинамика, М. "Наука", 1988 г.
4. Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшиц. Теоретическая физика, т. V, Статистическая физика, часть I, М. "Наука", 1976 г.
5. Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшиц. Теоретическая физика, т. VIII, Электродинамика сплошных сред, М. "Наука", 1982 г.
6. Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшиц. Теоретическая физика, т.?, Физическая кинетика, М. "Наука", 1988 г.
7. Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшиц. Теоретическая физика, т. III, Квантовая
механика, нерелятивистская теория, Государственное издательство физико-математической литературы, М., 1963 г.
Дополнительная
1. Я.Б. Зельдович и Ю.П. Райзер. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений, М. "Наука", 1966 г.
2. Д.А. Франк-Каменецкий. Физические процессы внутри звёзд. Физ.-ма.
лит., М., 1959.
36
3.С. Шапиро, С. Тьюколски, Чёрные дыры, белые карлики, нетронные
звёзды, М., Мир, 1985.
4. Я.Б. Зельдович, С.И. Блинников, Н.И. Шакура, Физические основы строения и эволюции звёзд. Издание МГУ, 1981.
37
НУКЛЕОСИНТЕЗ ВО ВСЕЛЕННОЙ
(Учебная программа)
Аннотация
Основой курса являются 8 часов лекций и самостоятельная работа
студентов. Учебный процесс состоит из лекций и из семинаров, которые
готовят студенты, самостоятельной работы студентов с реферативной литературой, публикациями в научной периодике, монографиями по теме семинара. Предусматриваются консультации со специалистами и преподавателем. Каждый студент готовит семинар по избранной им теме из списка
рекомендуемых тем.
Учебная задача: обучить студентов работе с реферативной литературой, оригинальными статьями, монографиями; дать опыт написания докладов, пользования компьютерным представлением, а также опыт устного
общения с научной аудиторией, участия в дискуссиях.
Структура курса: 8 лекционных часов, 8 часов работы с литературой,
10 часов - написание и оформление доклада, 2 часа консультаций, 4 - часа
подготовка к чужому семинару.
Формы контроля: зачетом является представление подготовленного
доклада на семинаре.
В лекционном курсе излагаются: особенности кривой распространенности нуклидов; основные характеристики Вселенной в «наше» время;
возникновение Вселенной, дозвездный синтез ядер; нуклеосинтез в звездах; реакции, вызываемые космическими лучами высоких энергий(хпроцесс).
38
Цель и задачи курса:
Обучить студентов работе с реферативной литературой, оригинальными статьями, монографиями; дать опыт написания докладов, пользования компьютерным представлением, а также опыт устного общения с
научной аудиторией, участия в дискуссиях.
Курс «Нуклеосинтез во вселенной» в МИФИ:
Настоящий курс предназначен для студентов 4 курса факультета
Экспериментальной и теоретической физики МИФИ.
Темы студенческих семинаров:
Тема 1 Ультрахолодные нейтроны. Свойства и методы получения.
Ультрахолодными нейтронами (УХН) называют нейтроны с энергией ниже 10-7 эВ. Длина дебройлевской волны УХН на много порядков превосходит межатомные расстояния в твёрдых телах, чем и объясняются их
“необычные” свойства.
Литература
Основная
1. Реферативный журнал ФИЗИКА.
2. В.К.Игнатович. Физика ультрахолодных нейтронов. М.: Наука, 1986.
Дополнительная
1. И.В.Бондаренко и др. Нейтронные интерференционные фильтры в фундаментальных экспериментах с ультрахолодными нейтронами. ЯФ, 1999, т.
62, № 5, с. 775.
39
Тема 2 Протонный микрозонд. Конструкция и методы исследования
материалов с его помощью.
Протонный микрозонд представляет собой пучок ускоренных протонов
диаметром от нескольких десятых мкм до нескольких единиц мкм. Обычно
используемый интервал энергий протонов 1-10 МэВ. Сканирование микропучка по поверхности образца позволяет с помощью рентгенофлуоресцентного анализа, метода обратного резерфордовского рассеяния и
метода резонансных ядерных реакций получать топограммы элементного
состава образца и профили распределения элементов по глубине.
Литература
Основная
1. Реферативный журнал ФИЗИКА.
2. Завьялов Н.В., Звенигородский А.Г., Зимин Е.В., Капустин Д.С., Москвин Н.И. Ядерный сканирующий микрозонд на базе перезарядного ускорителя ЭГП-10 ВНИИЭФ. Сборник докладов II конф. “Молодёжь в науке”,
Саров, 2003, с.342.
Дополнительная
1. Buzoverya M.E., Punin V.T., Abramovich S.N. Proton Microprobe Technique
in Element Analisys of Biological Liquids. Metal Ions in Biology and Medicine/
Paris, 2002. Vol. 7, p. 21.
Тема 3 Трансмутация радиоактивных отходов.
Проблема ликвидации радиоактивных отходов (РАО) атомной энергетики
является наиболее актуальной задачей нашего времени. Одним из путей её
решения является трансмутация наиболее радиотоксичных РАО в менее
токсичные или безвредные.
Литература
40
Основная
1. Реферативный журнал ФИЗИКА.
2. .Квит, Р.Фридрих. Сравнение риска от различных источников электроэнергии. Атомная техника за рубежом, 1998, № 5, с.15.
Дополнительная
1. Т.Фудзиэ. Развитие ядерной энергетики Японии. Атомная техника за рубежом, 1998, № 5, с.22.
Тема 4. Ядерные изомеры. Способы высвечивания изомерной среды.
Ядерная изомерная среда, состоящая из долгоживущих изомеров, при решении проблемы получения их в достаточном количестве и высокой концентрации, представляла бы собой вещество с чрезвычайно высокой плотностью запасённой энергии. При овладении способами высвобождения
этой энергии возникают перспективы создания малогабаритных двигательных установок с высокой степенью экологической безопасности, зарядов, по мощности мало уступающих ядерным, но существенно более безопасных, гамма-лазеров и т.д.
Литература
Основная
1. Реферативный журнал ФИЗИКА.
2. Ткаля Е.В. Индуцированный распад ядерного изомера
мерная бомба». УФН, 2005, т.175, № 5, с.555.
Дополнительная
1. Collins C.B. et al. Radiat. Phys. Chem. V.71, p. 619 (2004).
Тема 5. Мю-катализ.
41
178m2
Hf и «изо-
Мю-катализ является одним из конкурентно способных методов осуществления
управляемого
термоядерного
синтеза.
Образование
мю-
мезомолекулы, состоящей из дейтрона и тритона, приводит к её короткому
времени жизни относительно реакции DT из-за малого расстояния между
ядрами, которое приблизительно в 200 раз меньше, чем в обычной молекуле.
Литература
Основная
1. Реферативный журнал ФИЗИКА.
2. L.N.Bogdanova. Muon Catalysis and Fusion Reactions at Low Energies. Surveys in High Energy Physics 1992, v.6, p. 177.
Дополнительная
1. Ссылки из L.N.Bogdanova. Muon Catalysis and Fusion Reactions at Low
Energies. Surveys in High Energy Physics 1992, v.6, p. 177.
42
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ФИЗИКА (НА АНГЛИЙСКОМ ЯЗЫКЕ)
(Учебная программа)
Аннотация
В современных условиях языковая подготовка студентов является
крайне важной из-за наличия большого наличия контактов между студентами, аспирантами и научными работниками разных стран, а также для развития академической мобильности. При этом нужна как общая языковая подготовка, так и специальная, использующаяся в научных дискуссиях и научном
общении. И если общая языковая подготовка студентов должна проходить
под руководством специалистов-филологов, то специальным научным языком можно овладеть только под руководством специалистов в данной области науки, владеющих «научным» английским языком. Настоящий курс
«Теоретическая физика (на английском языке)» призван решить эту проблему.
Курс построен по следующему плану. На лекциях рассматривается общая схема базовых курсов теоретической физики: классической механики,
теории поля, квантовой механики, статистической физики, квантовой теории
поля, ряд вопросов теории элементарных частиц. Причем рассматриваются
на английском языке. Цель таких лекций дать возможность на примере рассмотрения вопросов, которые уже рассматривались в соответствующих разделах физики, ввести терминологию и начать погружение в «научный» английский язык.
Практические занятия посвящены самостоятельной работе студентов.
Все студенты в начале семестра получают темы докладов, связанные с рассмотренными в первой половине курса разделами физики, и должны сделать
по ним доклады (на английском языке) во второй половине семестра. Во
время лекций студенты могут попросить лектора более подробно осветить
43
(на английском языке) тот или иной вопрос, который будет входить в их доклад, а затем использовать это в своем выступлении. Таким образом, организация курса, фактически, поощряет студентов к работе во время лекций.
Также поощряется активность во время «чужих» докладов: вопросы, замечания, комментарии (на английском языке).
Предварительно студенты должны владеть общим английским языком в
пределах программы технических специальностей университетов, а также
прослушать и сдать экзамены и зачеты по перечисленным выше разделам
физики.
Цель и задачи курса:
Дать студентам практические навыки «научного» английского языка.
Научить делать научные доклады на английском языке. Вести научные
дискуссии, формулировать вопросы, замечания, комментарии.
Курс «Теоретическая физика (на английском языке)» в МИФИ:
Курс читается для студентов-теоретиков Факультета экспериментальной и
теоретической физики 8-го семестра.
44
Календарный план курса
1 неделя
Измерения в физике, объективный и субъективный взгляд. Человекприбор-объект. Принцип дополнительности Бора. Роль измерения. Единицы измерений.
2 неделя
Концепция и принципы нерелятивистской механики: степени свободы, вакуум, принцип относительности, принцип наименьшего действия, Симметрии и законы сохранения (теорема Нетер). Энергия и момент.
3 неделя
Концепция и принципы релятивистской механики: степени свободы, вакуум, принцип относительности, интервал, 4-мерное пространство Минковского. Преобразования Лоренца. Действие, лагранжиан. Минимум действия, уравнения движения. принцип наименьшего действия. Симметрии и
законы сохранения.
4 неделя
Концепция и принципы классической электродинамики: потенциалы, действие, лагранжиан. Уравнения Максвелла. Симметрии и законы сохранения. Электромагнитные волны. Разложение полей по плоским волнам.
Спектр. Осцилляторы. Проблема самосогласованности классической электродинамики. Дипольное излучение и планетарная модель атома Резерфорда.
5 неделя
История создания квантовой механики. Основные даты и идеи. Концепция
и принципы квантовой механики: неопределенность, операторы, уравнения на собственные значения, вероятности и средние. Глобальная U(1)-
45
симметрия и сохранение числа частиц. Уравнение Шредингера. Законы сохранения.
6 неделя
Момент импульса в квантовой механике. Модуль момента и проекция.
Эффект Аронова-Бома. Спиновое пространство: симметрии и законы сохранения. Принцип Паули.
7 неделя
Вторичное квантование на примере электромагнитного поля. Сведение к
осцилляторам. Бозонные коммутационные соотношения. Флуктуации вакуума. Расходимость. Предел для классических полей. Фотонный пропагатор.
8 неделя
Проявление электромагнитных свойств вакуума в атомных явлениях. Почему атомы излучают? 2p-1s переход с излучением фотона. Дипольное и
квадрупольное излучение. Лэмбовский сдвиг (квазиклассическое рассмотрение).
9 неделя
Массивное векторное поле. Лагранжиан. Симметрии. Вторичное квантование. Осцилляторы. Пропагатор. Взаимодействие омега-мезона с ядрами.
NN отталкивание при обмене омега-мезоном на малых расстояниях.
10 неделя
Бесспиновые сигма и нейтральные пионные поля. Уравнение КляйнаГордона-Фока. Лагранжиан. Симметрии. Вторичное квантование. Осцилляторы. Пропагатор. Взаимодействие сигма-мезона с ядрами. NN притяжение при обмене сигма-мезоном на промежуточных расстояниях.
11 неделя
46
Сложные бесспиновые поля. Лагранжиан. Уравнение Кляйна-ГордонаФока. Симметрии. Заряженные пионы. Вторичное квантование. 4-х ток,
энергия. Нерелятивистский предел. Лагранжиан и уравнение Шредингера.
Приближенная изотоп-инвариантность трех типов пионов.
12 неделя
Фермионы со спином ½. Уравнение Дирака. Лагранжиан. Симметрии. Взаимодействие с векторными полями. Вторичное квантование. 4-х ток, энергия. Теорема о связи спина и статистики. Нуклоны. Приближенная изотопинвариантность.
13 неделя
Фермионы со спином ½. Уравнение Дирака. Лагранжиан. Симметрии. Взаимодействие с векторными полями. Вторичное квантование. 4-х ток, энергия. Теорема о связи спина и статистики. Нуклоны. Приближенная изотопинвариантность.
13 неделя
Полевые взаимодействия. Симметрии. Поный адронный Лагранжиан.
14 неделя
Модель Голдстоуна. Лагранжиан. Симметрии. Возбуждения. Голдстоуновские бозоны. Нерелятивистский предел. Идея описания сверхтекучести галия-4.
15 неделя
Хиггсовские бозоны. Лагранжиан. Симметрии. Возбуждения. Массивные
хиггсовские бозоны. Нерелятивистский предел. Идея описания сверхпроводимости.
Литература
Основная
1. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т.3. Квантовая механика. Нерелятивистская теория. М.: Наука. 1989, 2001.
47
2. Галицкий В.М., Карнаков Б.М., Коган В.И., «Задачи по квантовой механике», М.: Наука, 1981.
Дополнительная
3.. Мигдал А.Б. Качественные методы в квантовой теории. М.: Наука. 1975.
1. Левич В.Г., Вдовин Ю.А., Мямлин В.А. Курс теоретической физики. Т.2.
М.: Физматгиз, 1962.)
48
ЯДЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
(Учебная программа и курс лекций)
Аннотация
В ходе учебного курса студентам представлено описание основных
технологий современного ядерного топливного цикла, начиная с добычи
урановой руды и кончая захоронением радиоактивных отходов. Главное
внимание уделено базовым принципам, заложенным в каждую технологию, описанию используемого оборудования и условиям осуществления
технологического процесса. Дается анализ значимости каждой технологии
для поддержания режима нераспространения ядерных материалов.
Цели и задачи курса
Цель преподавания данной дисциплины состоит в том, чтобы познакомить студентов с основными ядерными технологиями, используемыми
на различных стадиях топливного цикла гражданской ядерной энергетики,
начиная с добычи урановой руды и кончая захоронением радиоактивных
отходов. Кроме того, учебный курс даст студентам представление об основных принципах и современном состоянии ядерных технологий, об их
потенциальной опасности с точки зрения обеспечения нераспространения
ядерного оружия и защиты окружающей среды.
Основными задачами освоения дисциплины являются:
- понимание студентами базовых принципов технологий и основных
элементов оборудования, используемых на предприятиях ядерного топливного цикла, для самостоятельного решения проблем учета и контроля
ядерных материалов, а также проблем защиты персонала и окружающей
среды;
49
- получение и закрепление теоретических знаний, необходимых для
самостоятельной разработки и эксплуатации систем физической защиты,
учета и контроля ядерных материалов на предприятиях ядерного топливного цикла.
Освоение данной дисциплины базируется на изучении студентом
следующих дисциплин: Математика, Информатика, Физика, Химия, Экология, Материаловедение, Безопасность жизнедеятельности.
В результате изучения данной дисциплины студент должен:
знать физические и химические явления, лежащие в основе технологий,
используемых на предприятиях ядерного топливного цикла; принципы работы основного оборудования, применяемого в ядерных технологиях.
уметь проводить оценку технологий, применяемых в ядерном топливном
цикле, с точки зрения их опасности для режима нераспространения ядерного оружия и для защиты персонала и окружающей среды.
Курс «Ядерные технологии» в МИФИ:
Настоящий курс предназначен для студентов пятого года обучения
факультета Технической физики МИФИ.
50
Календарный план
1 неделя.
Введение в технологии ядерных топливных циклов.
Стратегии использования природных ядерных материалов (ЯМ) в ядерных
топливных циклах (ЯТЦ). Типы ЯТЦ. Основные стадии ЯТЦ. Роль систем
физической защиты, учета и контроля ЯМ на различных стадиях ЯТЦ.
2-4 недели.
Добыча и первичная переработка урановых руд.
Обзор месторождений природных ЯМ в различных регионах земного шара. Основные технологические операции добычи урана. Категории урановых руд. Технологии первичной переработки урановой руды. Операции
гидрометаллургического процесса.
5-7 недели.
Технологии обогащения урана.
Свойства гексафторида урана. Принципиальные особенности обогатительных технологий: газодиффузионный метод, метод газовой центрифуги, метод разделительного сопла. Принципиальные схемы построения обогатительных каскадов. Перспективные методы изотопного разделения: лазерные методы (AVLIS и MLIS-технологии), плазменный метод, химический
метод. Потенциал и работа разделения. Единица работы разделения. Энергоемкость обогащения урана различными технологиями.
8-9 недели.
Технологии изготовления топлива ядерных реакторов.
Получение твердых соединений урана из гексафторида урана. Основные
технологические операции изготовления и фабрикации топлива ядерных
реакторов, тепловыделяющих элементов и тепловыделяющих сборок. Тех-
51
нологии изготовления смешанного уран-плутониевого топлива. Основные
технологические звенья интегрированного ЯТЦ на АЭС.
10-12 недели.
Технологии переработки облученного топлива ядерных реакторов.
Методы радиохимической переработки облученного топлива. Водная экстракционная технология разделения продуктов деления, урана и плутония.
Выделение урана и плутония из растворов. Пирохимический метод. Операции фторирования облученного топлива, разделение продуктов деления,
урана и плутония. Пирометаллургический метод. Разделение продуктов
деления, урана и плутония с использованием расплавов солей и жидких
металлов. Применение электрохимических процессов.
13-14 недели.
Технологии защиты ЯТЦ от распространения ЯМ.
Традиционные ЯТЦ: защищенность от распространения ЯМ, понятие
“стандарт отработанного топлива”, возможность использования реакторного плутония в качестве оружейного материала. Нетрадиционные ЯТЦ с
элементами защиты от распространения ЯМ повышенным тепловыделением, нейтронной и гамма-активностью топлива. Защита ЯМ от распространения путем денатурации плутония.
15-16 недели.
Технологии переработки, хранения и захоронения радиоактивных отходов.
Хранение и транспортировка облученных ЯМ, контейнеры для перевозок
ЯМ. Классификация радиоактивных отходов (РАО). Технологии переработки жидких, газообразных и твердых РАО. Технологии иммобилизации,
контейнеризации и геологического захоронения переработанных РАО.
Концепции уничтожения долгоживущих РАО (продуктов деления и младших актинидов) в ядерных реакторах, электроядерных и термоядерных
установках.
52
Литература
Основная
1. Синев Н.М. Экономика атомной энергетики: Основы технологии и экономики производства, экономика АЭС. Учебное пособие для вузов. М.,
Энергоатомиздат, 1987. (621.039/С38).
2. Бабаев Н.С., Демин В.Ф., Ильин Л.А. и др. Ядерная энергетика, человек
и окружающая среда. Под ред. А.П. Александрова. М., Энергоиздат, 1981
г. (621.039/Я34).
3. Ран Ф. и др. Справочник по ядерной энерготехнологии. М., Энергоатомиздат, 1989. (621.039/С74).
4. Громов Б.В. и др. Химическая технология облученного ядерного топлива. М., Энергоатомиздат, 1983. (621.039/Г87).
5. Землянухин В.И. и др. Радиохимическая переработка облученного топлива АЭС. М., Энергоатомиздат, 1989. (621.039/Р15).
6. Шведов В.П. и др. Ядерная технология. М., Атомиздат, 1979.
(621.039/Я34).
7. Гарднер Г.Т. Ядерное нераспространение. М., МИФИ, 1995.
8. Пшакин Г.М., Гераскин Н.И., Мурогов В.М. и др. Ядерное нераспространение. М., МИФИ, 2006.
Дополнительная
1. Колобашкин В.М. и др. Радиационные характеристики облученного
ядерного
топлива.
Справочник.
М.,
Энергоатомиздат,
1983.
(539.1(031)/Р15).
2. Скоров Д.М. и др. Реакторное материаловедение. М., Атомиздат, 1979.
(621.039/С44).
3. Бескоровайный Н.М. и др. Конструкционные материалы ядерных реакторов. М.,. Энергоатомиздат, 1995. (621.7М/018/К65).
53
МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ ЯДЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
(Учебная программа и курс лекций)
Аннотация
Курс «Методы измерений ядерных материалов» читается в МИФИ на
факультете «Ф» в процессе подготовки магистров на девятом семестре
обучения (первый семестр магистерской программы). Объем занятий составляет три часа в неделю. Лекции сопровождаются занятиями в соответствующем лабораторном практикуме (4 часа в неделю). Контроль знаний
проводится на специальных занятиях в середине семестра (5 и 8 недели) и
во время защиты результатов лабораторных работ (на каждой третьей неделе семестра). В конце семестра проводится общий зачет по работе в лаборатории и экзамен по материалам лекций.
При разработке и модификациях лекционного курса и лабораторных
работ приходиться учитывать важные особенности изучаемой дисциплины:
1. Быстрое развитие методов контроля ЯМ и применяемой аппаратуры требуют внесение изменений и дополнений в содержание
учебных занятий и своевременного переиздания учебных пособий.
2. Нехватку у многих студентов знаний и навыков в проведении измерений и обработки полученных результатов, что делает необходимым их дополнительное специальное рассмотрение на учебных занятиях.
3. Невозможность прямого контакта студентов со многими материалами и изделиями из ЯМ (например, плутоний), подлежащим
54
контролю на практике, что вызывает необходимость физического
и математического моделирования.
4. Лекционный материал включает много рисунков, графиков, таблиц и формул. Для экономии отведенного времени целесообразно
использовать демонстрацию соответствующих слайдов из подготовленного конспекта. При изучении отдельных тем используется
9-10 слайдов, что позволяет сэкономить 20-25% времени.
5. Необходимость каждые 5-7 лет проводить переоснащение учебной лаборатории новым оборудованием и программным обеспечением (замена аналоговой электроники на цифровую, внедрение
новых усовершенствованных версий математической обработки
экспериментальных данных, библиотек ядерных данных и др.).
Это требует переподготовки преподавателей, модернизации учебно- методических материалов.
Цели и задачи курса
Целью данного курса является ознакомление с методами измерения
ядерных материалов, получение навыков в проведении этих измерений и
обработки полученных результатов.
Курс «Ядерные технологии» в МИФИ:
Настоящий курс предназначен для студентов пятого года обучения
факультета Технической физики МИФИ.
55
Календарный план курса
Первая неделя
Лекция 1. Введение в курс «Методы измерения ядерных материалов»
Категории ЯМ. Требования к точности и периодичности проведения контрольных измерений. Баланс ЯМ. Уравнение баланса. Стадии ядерного
топливного цикла. Учетные и подтверждающие измерения ЯМ.
Вторая неделя.
Лекция 2. Неразрушающие методы анализа ЯМ. Калибровка измерительной системы. Стандартные образцы (СО)
Неразрушающие анализы ЯМ. Контроль качества измерений. Стандартные
образцы (СО). Изготовление стандартных образцов. Гамма - спектрометрические НРА. Нейтронные НРА.
Третья неделя.
Лекция 3. Определение содержания ЯМ в образцах путем измерения их
собственных гамма-излучений
Просчеты при спектрометрических измерениях. Контроль растворов ЯМ.
Пассивные гамма-спектрометрические анализы. Контроль отходов. Сегментированное сканирование на основе измерений гамма-лучей. Контроль
отложений. Радиационные мониторы контроля периметра.
Четвертая неделя.
Лекция 4. Гамма-спектрометрические измерения обогащения урана с помощью сцинтилляционных и полупроводниковых детекторов
Определение обогащения урана в образцах «бесконечной» толщины.
Сравнение измерений обогащения урана с помощью NaI- и Ge56
спектрометров. Метод измерения обогащения по относительной интенсивности гамма-излучений 235U и 238U. Защита измерительных систем от фонового излучения.
Пятая неделя.
Лекция 5. Неразрушающие измерения изотопного состава плутония и урана с помощью гамма-спектрометрии
Измерения гамма-излучения образцов плутония. Программы MGA и
FRAM для определения изотопного состава плутония. Программы MGAU
и FRAM для определения обогащения урана. Контрольные вопросы по
материалу.
Шестая неделя.
Лекция 6. Анализы растворов ЯМ: денситометрия на K- и L-крае поглощения, рентгено флюоресцентный анализ.
Денситометрия растворов ЯМ. Рентгено-флюоресцентный анализ
(РФА).
Седьмая неделя.
Лекция 7. Основы нейтронных измерений ЯМ
Нейтронное излучение образцов ЯМ. 3He-счетчики нейтронов. Эффект самоэкранировки образцов при измерениях нейтронногоизлучения. Счет
нейтронных совпадений. Сдвиговый регистр. Контрольные вопросы по
материалу .
Восьмая неделя.
Лекция 8. Методы и приборы для нейтронных измерений ЯМ
Пассивный нейтронный анализ образцов Pu. Активный нейтронный анализ
образцов U. Поправка на мертвое время. Счет множественности нейтронов. Особенности измерений протяженных образцов ЯМ.
57
Девятая неделя.
Лекция 9. Калориметрия
Физические основы калориметрического анализа ЯМ. Калориметр теплового потока. График чувствительности калориметра. Погрешность калориметрического анализа ЯМ. Эталонированные образцы и электрические
стандарты.
Десятая неделя.
Лекция 10. Измерения выгорания реакторного топлива
Отработавшие ТВС ядерных реакторов. Гамма-спектрометрический метод
определения выгорания ТВС. Метод изотопных корреляций. Определение
выгорания по интенсивности нейтронного излучения топлива. Измерения
выгорания отработавших ТВС исследовательских реакторов.
Одиннадцатая неделя.
Лекция 11. Разрушающие анализы ЯМ
Отбор проб
. Растворение образцов ядерных материалов. Разделение элементов
. Ионообменное разделение. Гравиметрия. Титрование по методу
Дэвиса—Грэя для количественного анализа содержания урана.
Двенадцатая неделя.
Лекция 12. Масс-спектрометрия. Альфа-спектрометрия
Физические основы масс-спектрометрии. Масс-спектрометрический анализ изотопного состава урана. Метод изотопного разбавления. Метод
Resin-bead. Масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой (ИСПМС). Измерения ЯМ в образцах окружающей среды. Альфаспектрометрия.
58
Тринадцатая неделя
Лекция 13. Комплексное применение методов измерений ЯМ.
Взаимозаменяющие и взаимодополняющие методы анализа ЯМ. Методы измерений ЯМ, применяемые на химическом комбинате в Селлафилде
(Англия). Контроль при производстве МОХ-топлива. Контроль отложений
ЯМ в технологическом оборудовании предприятия.
Четырнадцатая неделя.
Лекция 14. Некоторые особенности российской системы учета и контроля
ЯМ
Основные типы производств ядерного топливного цикла. Методы и
приборы, используемые для учетных и подтверждающих измерений ЯМ.
Учет и контроль при хранении диоксида плутония, выделенного из отработавших ТВС, на заводе РТ-1 производственного объединения «Маяк». Физическая инвентаризация в хранилище ЯМ Сибирского химического комбината (СХК).
Краткое заключение: перспективы и тенденции развития методов контроля ядерных материалов. Новые задачи.
Литература
Основная
1. Основные правила учета и контроля ядерных материалов. НП-030-05.
Москва, 2006.
2. Дуглас Райли, Норберт Энслин, Хэйстингс Смит, Сара Крайнер. Пассивный неразрушающий анализ ядерных материалов. – «Бином», Москва,
2000.
59
3. Фролов В.В. Ядерно-физические методы контроля делящихся веществ. –
М.: Энергоатомиздат, 1989.
4. А.В.Бушуев. Методы измерения ядерных материалов. МИФИ, Москва,
2001.
Дополнительная
1. D. Donald R Roges. Handbook of Nuclear Safeguards Measurement Method.
NUREG/CR-2038 Sept. 1983 USA.
60
ЯДЕРНАЯ И РАДИАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ
(Учебная программа)
Аннотация
Данный курс представляет собой изложение основ обеспечения
ядерной и радиационной безопасности при обращении с ядерными материалами на всех этапах ядерного топливного цикла.
В первой части курса приводятся основные понятия и нормативные
документы, касающиеся ядерной и радиационной безопасности. Во второй
части излагаются различные способы предотвращения возникновения самоподдерживающейся цепной реакции деления в различных ядерных
установках. В заключительной части изложены подходы к обоснованию
ядерной и радиационной безопасности и оценки риска при обращении с
ядерными материалами на заключительных этапах ядерного топливного
цикла (хранение, изготовление топлива, транспортировка, использование и
переработка облученного ядерного топлива). Студенты, слушающие данный курс должны обладать подготовкой на уровне бакалавриата по техническим, физическим и математическим дисциплинам. Необходима также
подготовка по физике реакторов в объеме семестрового курса.
Цели и задачи курса
Ознакомить магистров
– с основными проблемами обеспечения ядерной и радиационной
безопасности, при обращении с ядерными материалами;
– физическими способами обеспечения ядерной и радиационной безопасности;
61
– методами оценки риска при обращении с ядерными материалами.
Курс «Ядерные технологии» в МИФИ:
Настоящий курс предназначен для студентов пятого года обучения
факультета Технической физики МИФИ.
62
Календарный план курса
1 неделя
Основы ядерной безопасности. Понятие ядерной и радиационной безопасности. Основные принципы и критерии ядерной и радиационной безопасности. Нормы и правила ядерной безопасности (ОПБЯ).
2-3 недели
Коэффициент размножения бесконечной среды K  . Эффективный коэффициент размножения в конечной среде K eff . Критический объем и критическая масса. Основные ядерные материалы. Критические массы для чистых ядерных материалов 235U, 233U и
239
Pu. Растворы ядерных материалов.
Минимальные критические массы ядерных материалов в растворах.
Материальный параметр размножающей среды. Геометрический параметр.
Условие критичности. Геометрический параметр объемов простейшей
формы: сфера, цилиндр и призма. Понятие некритического объема. Некритические объемы размножающих сред для цилиндрической и призматической формы. Отражатель. Альбедо отражателя. Свойства различных отражателей: вода, тяжелая вода, графит, бериллий, сталь. Влияние отражателя
на критичность. Эффективная добавка отражателя.
4-я неделя
Нейтронные поглотители, их свойства и области применения. Блокированный (обгорающий) и неблокированный (выгорающий)
поглотитель.
Борный поглотитель. Природный бор, его изотопный состав. Применение
борного поглотителя в органах регулирования. Жидкостное регулирование
в реакторах с водой под давлением. Борированный полиэтилен и борированная сталь. Гадолиний. Изотопный состав природного гадолиния. Применение гадолиния в качестве выгорающего поглотителя в реакторах с водой под давлением. Эрбий, изотопный состав природного эрбия. Применение эрбиевого топлива в реакторах типа РБМК. Влияние эрбия на безопасность реакторов этого типа.
63
5-6 неделя
Ядерный топливный цикл (ЯТЦ). Открытый и замкнутый топливные циклы. Классификация начальных стадий ЯТЦ с точки зрения ядерной и радиационной безопасности. Урановые рудники. Содержание радиоактивных
изотопов в отвалах. Обеспечение радиационной безопасности отвалов.
Гидрометаллургический завод. Изотопный состав природного урана и его
радиационные характеристики. Ядерная безопасность природного урана.
Основы обогатительного производства. Гексафторид урана. Классификация обогащенного урана. Высокообогащенный уран. Ядерная и радиационная безопасность при работах с высокообогащенным ураном. Использование оборудования со свойствами некритических объемов.
генерированный уран. Цепочки образования
232
Ре-
U в ядерном топливе быст-
рых и тепловых реакторов. Допустимые концентрации
U в регенериро-
232
ванном уране при фабрикации топлива для реакторов на тепловых нейтронах. Ториевый топливный цикл. Накопление
232
U в отработанном топливе
на основе тория.
Ядерная и радиационная безопасность на этапе фабрикации ядерного
топлива для реакторов на быстрых и тепловых нейтронах. Низкообогащенное топливо для реакторов на тепловых нейтронах. Повторное использование плутония. Плутоний энергетический и оружейный. МОХ-топливо.
Радиационные характеристики МОХ-топлива на основе энергетического
плутония. Завод по изготовлению МОХ-топлива.
7-я неделя
Основные понятия теории риска. Исходные события аварий. Внутренние и
внешние факторы Способы оценки вероятности аварий и их последствий
на персонал, население и окружающую среду. Нормативные документы
для оценки последствий аварий.
8-я неделя
Классификация радиационных грузов. Транспортные категории упаковок.
Ядерная безопасность при транспортировке ядерных материалов. Класси64
фикация упаковок с делящимися материалами (ядерное топливо). Классификация упаковочных комплектов. Упаковочные комплекты (УК) типа А и
типа В. Испытания упаковочных комплектов типа В. Ограничения по количеству делящихся материалов в УК. Применение нейтронных ядов в УК.
Ядерные и радиационные аварии при транспортировании делящихся материалов. Перечень исходных событий. Оценка возможных последствий для
населения и окружающей среды.
9-я неделя
Типы перегрузок топлива на ядерных реакторах. Непрерывная перегрузка
топлива на реакторах типа РБМК. Частичная перегрузка топлива на реакторах типа ВВЭР и БН. Перечень возможных аварийных ситуаций. Обеспечение радиационной безопасности при перегрузке топлива РБМК. Загрузка свежего топлива на работающем реакторе. Обеспечение безопасности при загрузке свежего топлива. Частичная перегрузка топлива на реакторах ВВЭР. Способы обеспечения ядерной и радиационной безопасности
при перегрузках отработанного топлива. Ядерная безопасность при загрузке свежего топлива. Жидкостное регулирование избыточной реактивности.
Перечень возможных аварийных ситуаций. Оценка возможных последствий. Временные хранилища отработанного топлива реакторов ВВЭР и
РБМК. Обеспечение ядерной и радиационной безопасности во временных
хранилищах отработанного топлива.
10-11 неделя
Стратегия обращение с отработанным ядерным топливом (ОЯТ) в России.
Временные пристанционные хранилища
ОЯТ реакторов типа РБМК.
«Мокрое» хранилище ОЯТ с реакторов типа ВВЭР-1000 на ГХК в Красноярске и его конструктивные особенности. Проектные аварии. Запроектная
авария. Проект «сухого» хранилища ОЯТ реакторов РБМК и ВВЭР-1000.
Транспортировка ОЯТ РБМК в пеналах. Конструктивные особенности
65
«сухого» хранилища на ГХК и его технические характеристики. Технологический процесс обращения с ОЯТ ВВЭР-1000 и РБМК. Проектные аварии. Исходные события проектных аварий. Запроектная авария – вспышка
СЦР. Оценки последствий проектных и запроектных аварий.
12-я лекция
Замкнутый топливный цикл. Повторное использование энергетического
плутония на АЭС Европы. Характеристики ОЯТ ВВЭР, РБМК и БН. Завод
РТ-1 по переработке ОЯТ ВВЭР-440, транспортных и исследовательских
реакторов. Краткое описание водной и неводной технологий переработки
ОЯТ. Принципы обеспечения ядерной безопасности при переработке ОЯТ.
Радиационная безопасность при обращении с ОЯТ. Проектные аварии и
исходные события проектных аварий.
13-я неделя
Федеральная концепция комплексной утилизации атомных подводных лодок. Содержание проблемы и цель концепции. Основные принципы концепции. Принципиальные решения по реализации комплексной утилизации АПЛ и надводных кораблей (НК) с ЯЭУ, судов атомнотехнологического обеспечения (АТО) России.
14-15 недели
Радиационные и тепловые задачи при перегрузке отработавшего топлива в
бассейн выдержки на АЭС. Выдержка отработанных ТВС в бассейне реакторного зала. Изменение во времени радиационных характеристик и остаточного энерговыделения топлива. Основные теплотехнические задачи при
хранении отработанных ТВС в бассейне выдержки. Проблемы теплоотвода при перевозке отработанного топлива. Принципиальные подходы к тепловым расчётам транспортных контейнеров вертикального и горизонтального типов в стационарных, нестационарных и аварийных условиях. Экспериментальные методики определения тепловых характеристик транспортных контейнеров. Проблемы теплоотвода при использовании «сухих»
66
и «мокрых» долговременных хранилищ отработанного топлива и радиоактивных отходов.
Литература
Основная
1. Г.Г. Бартоломей, Г.А. Бать, В.Д. Байбаков, М.С.Алхутов, Основы теории
и методы расчета ядерных энергетических реакторов. Учебное пособие для
вузов. - М.: Энергоиздат, 1982 г.
Дополнительная
1. Ядерная энергетика, человек и окружающая среда. Н.С Бабаев,
В.Ф.Демин, Л.А. Ильин, и др. Под редакцией академика Александрова
А.П. – М.:Энергоиздат, 1981.
67
КОМПЬЮТЕРИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УЧЕТА И КОНТРОЛЯ
ЯДЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
(Учебная программа)
Аннотация
В учете и контроле ядерных материалов информационные технологии занимают особенное место. Объем информации о ядерном материале,
которую необходимо собирать, обрабатывать, хранить и использовать при
процедурах, связанных с учетом и контролем, требует использования современных компьютерных технологий. Для студентов физических специальностей, не являющихся специалистами в области информатики, в данном курсе предусмотрено знакомство с основными понятиями реляционных баз данных, операционных систем и систем инструментального программирования. Изучаются технологии создания компьютеризированных
систем учета и контроля ядерных материалов (СУиК ЯМ), нормативные
требования, предъявляемыми к системам такого рода, работа с базовым
программным обеспечением компьютеризированных СУиК ЯМ. Обсуждаются вопросы обеспечения безопасности информации, вопросы проектирования и создания реляционных баз данных для целей учета и контроля
ядерных материалов, современные методы создания приложений для работы с этими базами данных. Изучаются примеры существующих компьютеризированных СУиК ЯМ. Полученные знания позволяют участвовать в
разработке компьютеризированных СУиК ЯМ и эффективно использовать
готовые системы при практической деятельности на предприятиях использующих ядерные материалы.
Знания, полученные на лекциях, получают развитие и закрепляются
в процессе выполнения лабораторного практикума
68
Цели и задачи курса
Цель преподавания дисциплины «Компьютеризированные системы
учета и контроля ядерных материалов» состоит в ознакомлении студентов
с современными технологиями создания компьютеризированных систем
учета и контроля ядерных материалов (СУиК ЯМ), с требованиями накладываемыми стандартами на системы такого рода, обучении их работе с базовым программным обеспечением компьютеризированных СУиК ЯМ,
сертифицированным ФСТЭК РФ.
Курс «Ядерные технологии» в МИФИ:
Настоящий курс предназначен для студентов пятого года обучения
факультета Технической физики МИФИ.
69
Календарный план курса
1 неделя. Введение.
Задачи курса. История развития систем УиК ЯМ. Модель клиент/сервер и
ее эволюция. Состояние компьютеризированных СУиК ЯМ в настоящее
время. Нормативная база в области КСУиК ЯМ. Федеральная информационная система (ФИС). Назначение и состав ФИС. Состояние ФИС в настоящий момент времени и перспективы развития.
2 неделя. Безопасность информации в области компьютеризированных СУиК ЯМ.
Понятие защищенной информационной системы. Проблемы обеспечения
информационной безопасности при учете и контроле ЯМ. Угрозы информационной безопасности и противодействие им. Стандарты в сфере информационной безопасности. «Требования по защите от несанкционированного доступа к информации в автоматизированных системах учета и
контроля ядерных материалов»: классификация СУиК по классам защищенности от несанкционированного доступа. Вопросы обеспечения
надежности информационных систем.
3-4 недели. Базовое программное обеспечение компьютеризированных
СУиК ЯМ. Операционные системы.
Назначение и состав базового программного обеспечения. Общие требования отраслевого стандарта к программному обеспечению.
Требования отраслевого стандарта к операционным системам. Операционные системы со встроенной системой безопасности. Проблемы с выбором
операционной системы для СУиК ЯМ и их сертификацией. Перспективные
операционные системы.
Операционные системы семейства Windows, основанные на технологии
NT. Windows 4.0/2000/ХР. Характеристики Windows NT. Система безопас70
ности Windows NT. Управление безопасностью Windows NT. Операционные системы семейства Linux.
Компьютерные сети под управлением Windows NT. Анализ сетевых потребностей. Физическая структура сети. Требования стандарта отрасли к
компьютерному и сетевому оборудованию. Сетевые протоколы (протокол
TCP/IP). Архитектура сетей под управлением Windows NT. Преимущества
доменной организации сети. Управление и сопровождение сетей. Основы
безопасности информации в сетях.
Проводятся лабораторные работы №1 и №2.
5-8 недели. Базовое программное обеспечение компьютеризированных
СУиК ЯМ. Системы управления базами данных.
Требования отраслевого стандарта к СУБД. Место СУБД в компьютеризированных СУиК ЯМ. Реляционная модель данных. Таблицы, первичные и
внешние ключи, понятие «нулей» (nulls). Нормализация данных. Третья
нормальная форма. Отношения между таблицами. Целостность данных и
способы ее обеспечения. Понятие транзакции. Проектирование баз данных
для учета и контроля ядерных материалов. Язык запросов SQL. Синтаксис
основных запросов в формате Transact SQL.
Различные СУБД, используемые для целей УиК ЯМ. Сертифицированные
СУБД. MS SQL Server 2000 – пример СУБД для создания приложений
клиент/сервер. Основные характеристики и понятия SQL Server. Обеспечение безопасности и целостности информации. Управление объектами сервера.
Проводятся лабораторные работы №3, и №4.
9 –11 недели. Базовое программное обеспечение компьютеризированных СУиК ЯМ. Инструментальные средства программирования.
71
Требования отраслевого стандарта к инструментальным средствам программирования. Назначение инструментальных средств программирования.
Графический интерфейс пользователя и его компоненты. Современные
требования к интерфейсу пользователя.
Объектно-ориентированное и визуальное программирование. Современные системы программирования. Visual Basic.Net, как пример современного инструментального средства программирования. Среда разработки
VB.Net. Элементы управления VB. Обзор синтаксиса. Примеры программирования пользовательских интерфейсов.
Механизмы Visual Studio.Net доступа к базам данных. Объекты управления для работы с данными. Коллекции объектов DAO, RDO и ADO. Их
использование в существующих СУиК ЯМ. Новая коллекция объектов
ADO.Net для работы с данными, ее особенности и преимущества. Примеры практического программирования.
Проводятся лабораторные работы №5 и №6.
12 – 13 недели. Современные информационные технологии.
Интернет – глобальная информационная система. История и развитие глобальной сети. Технологии WWW-страниц. HTML – язык разметки гипертекстовых документов. Основные компоненты HTML. Динамический
HTML. Использование языков высокого уровня для реализации сценариев.
Расширенный язык разметки документов XML – формат, используемый
для передачи информации ФИС.
ASP – технология активных серверных страниц. Развитие технологии от
ASP1 до ASP.Net. Использование коллекции объектов ADO.Net для работы
с базами данных через web-сервер.
Вопросы обеспечения информационной безопасности в сети Интернет/Интранет.
Проводятся лабораторные работы №7, и №8.
72
14 неделя. Примеры современных компьютеризированных СУиК ЯМ,
созданных с использованием различных технологий.
СУиК ЯМ Coremas – классическая система клиент/сервер. Ключевая концепция Coremas. Назначение Coremas. Архитектура СУиК ЯМ Coremas.
Используемое программное обеспечение. Технические характеристики системы. Дизайн базы данных Coremas. Примеры пользовательских интерфейсов и их реализация. Связь приложения с базой данных.
Облегченная система УиК ЯМ E/Zmas, основанная на технологии Активных серверных страниц. Назначение E/Zmas. Базовое программное обеспечение системы, ее архитектура. Дизайн базы данных. Реализация интерфейсов с помощью VBScript. Использование E/Zmas в Российской Федерации.
Отечественный опыт создания компьютеризированных СУиК ЯМ. СУиК
ЯМ КИМАКС – разработка РНЦ «Курчатовский институт». Особенности
архитектуры распределенной базы данных. Вопросы обеспечения защиты
от несанкционированного доступа к информации. Примеры отечественных
СУиК ЯМ, созданных с использованием различного программного обеспечения и архитектуры.
Проводится лабораторная работа №9.
15 неделя. Разработка и ввод в эксплуатацию компьютеризированных
СУиК ЯМ.
Требования отраслевого стандарта к порядку разработки, вводу в действие
и эсплуатации компьютеризированных СУиК ЯМ. Сертификация средств
защиты информации и аттестация систем.
Современные подходходы к проектированию и вводу в эксплуатацию программного обеспечения. Жизненный цикл программного обеспечения. Основные этапы создания систем: планирование, проектирование и испытания. Ввод системы в эксплуатацию. Обслуживание и сопровождение.
73
Проводится прием выполнения лабораторного практикума.
Литература:
Основная
1. Кондаков В.В.
Компьютеризированные системы учета и контроля
ядерных материалов: Лабораторный практикум. М.: МИФИ, 2002 г.
Дополнительная
1. Андреев А.Г. и др. Microsoft Windows 2000 Server. Русская версия / Под
общ. ред. А.Н. Чекмарева и Д.Б. Вишнякова. – СПб.: БХВ-Петербург,
2003.
2. Мамаев Е.В. Microsoft SQL Server. – СПб.: БХВ-Петербург, 2004.
3. Петрусос Е. Эффективная работа: Visual Basic.Net. – СПб.: Питер, 2002.
4. Вингерс К. Разработка требований к программному обеспечению/Пер. с
англ. – М.: Издательско-торговый дом «Русская Редакция», 2004.
74
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БЕЗОПАСНОГО ОБРАЩЕНИЯ С РАО
(Учебная программа)
Аннотация
Задача курса – ознакомить студентов с современными подходами к
обезвреживанию радиоактивных отходов. В курсе изложены вопросы систематики высокотоксичных радионуклидов продуктов деления и младших
актинидов. Излагаются проблемы трансмутации долгоживущих РАО в короткоживущие и стабильные нуклиды в нейтронных полях. Даётся оценка
эффективности трансмутации и требования к параметрам нейтронного поля. Студент должен получить необходимые сведения по проблемам длительного хранения и захоронения РАО.
Цели и задачи курса
Цель преподавания данной дисциплины состоит в том, чтобы ввести студентов в круг проблем, связанных с обращением с радиоактивными отходами, возникающими на всех стадиях топливного цикла, включая наиболее
опасную их часть, извлекаемую из облучённого топлива при переработке.
Задачи изучения дисциплины состоят в том, чтобы подготовить будущих
специалистов к самостоятельному решению вопросов, связанных с методами обращения, хранения и захоронения РАО. Рассматриваются пути
обезвреживания долгоживущих радиоактивных отходов, с выявлением потенциальных возможностей ядерных энергетических установок различного
типа в плане трансмутации долгоживущих радионуклидов.
75
Освоение данной дисциплины базируется на изучении студентом следующих дисциплин: Математика, Информатика, Общая физика, Атомная физика, Физическая теория ядерных реакторов, Химия, Экология, Материалы
ядерных реакторов, Ядерные технологии, Безопасность жизнедеятельности.
В результате изучения данной дисциплины студент должен знать физические основы технологий, используемых для переработки и захоронения
радиоактивных отходов на предприятиях ядерного топливного цикла;
уметь проводить оценку технологий, которые могут быть применены для
обезвреживания РАО путем их нейтронной трансмутации, с точки зрения
их практической осуществимости и эффективности.
Курс «физические основы безопасного обращения с РАО» в МИФИ:
Настоящий курс предназначен для студентов пятого года обучения
факультета Технической физики МИФИ.
Календарный план курса
1–2 недели
Производство энергии на основе деления тяжёлых нуклидов. Их природная радиоактивность. Топливный цикл ядерной энергетики. Радиоактивные отходы на различных этапах топливного цикла. Изменение изотопного
состава топлива в процессе облучения и накопление долгоживущих трансурановых элементов.
3 неделя
Изменение изотопного состава топлива в процессе облучения и накопление долгоживущих актинидов. Образование долгоживущих продуктов де76
ления. Влияние накапливающихся радионуклидов на работоспособность
тепловыделяющих элементов и физические характеристики реакторов.
4–5 недели
Выдержка ОЯТ в пристанционных бассейнах выдержки. Способы продолжительного “мокрого” и “сухого” хранения ОЯТ. Опыт разработки хранилищ для содержания элементов с облучённым ядерным топливом. Мера
опасности радиоактивных отходов. Наиболее долгоживущие и опасные радионуклиды РАО.
6 неделя
Водные и сухие методы переработки облученного топлива. Классификация, преимущества и недостатки. Основные элементы экстракционной
технологии переработки. Основные операции сухих методов переработки.
Отходы, образующиеся в процессе технологического цикла переработки.
Повторное использование урана и плутония в топливном цикле, отделение
продуктов деления. Опасность распространения ядерных материалов. Расход нейтронов на трансмутацию наиболее опасных долгоживущих продуктов деления. Быстрые и тепловые реакторы – источники нейтронов для для
трансмутации. Баланс между образованием долгоживущих РАО и их
трансмутацией.
7–8 недели
Расход нейтронов на трансмутацию наиболее опасных долгоживущих продуктов деления. Быстрые и тепловые реакторы – источники нейтронов для
трансмутации. Ядерно-физические свойства младших актинидов (МА:
нептуний, америций, кюрий) и предпочтительные условия облучения их.
Выжигание младших актинидов в активной зоне быстрого реактора. Изменение уровня биологической опасности в процессе облучения. Многоцикловый режим облучения.
9–10 недели
Влияние выжигаемых МА на ядерную безопасность реактора (уменьшение
эффективной доли запаздывающих нейтронов, положительный плотност77
ной и пустотный эффект реактивности по теплоносителю. Физические пути повышения ядерной безопасности быстрого реактора-выжигателя
младших актинидов.
11 неделя
Особенности обращения с актинидным топливом во внешнем цикле реактора-выжигателя. Потенциальная роль МА в проблеме защиты ядерных
материалов от неконтролируемого распространения.
12–13 недели
Основные критерии, характеризующие эффективность процесса трансмутации. Основные закономерности транмутационного процесса без изотопного выделения долгоживущего изотопа. Сравнение потенциалов ядерных
реакторов деления, электроядерных установок и установок термоядерного
синтеза в отношении эффективной трансмутации долгоживущих продуктов деления.
14– 16 недели
Базовые требования к крупномасштабной ядерной энергетической системе.
Стратегии построения ядерного топливного цикла крупномасштабной
ядерной энергетики. Концепция региональных ядерно-технологических
центров под международным контролем, где может быть сосредоточена
переработка ОЯТ, изготовление свежего топлива и обезвреживание долгоживущих РАО. Перспективы полезного использования нуклидов РАО.
Ядерная энергетическая система без могильников РАО.
Литература
Основная
1. Ран Ф. и др. Справочник по ядерной энерготехнологии. М., Энергоатомиздат, 1989 (621.039/С74).
78
2. Громов Б.В. и др. Химическая технология облученного ядерного топлива. М., Энергоатомиздат, 1983. (621.039/Г87).
3. Шмелев А.Н., Апсэ В.А., Куликов Г.Г. Физические основы обезвреживания долгоживущих радиоактивных отходов (трансмутация нейтронами).
М., МИФИ, 2002.
Дополнительная
1. Шведов В.П. и др. Ядерная технология. М., Атомиздат, 1979.
(621.039/Я34).
2. Колобашкин В.М. и др. Радиационные характеристики облученного
ядерного топлива. Справочник. М., Энергоатомиздат, 1983.
(539.1(031)/Р15).
3. Урсу И. Физика и технология ядерных материалов. М., Энергоатомиздат, 1988. (621.039/У72).
79