Последний великий проект советской науки: коллайдер в Протвино

03.11.17 | 12:42

В ста километрах от Москвы, рядом с наукоградом Протвино, в лесах Подмосковья закопан клад в десятки миллиардов рублей. Выкопать и украсть его нельзя — навечно упрятанный в землю, он несет ценность только для истории науки. Речь идет об ускорительно-накопительном комплексе (УНК) Института физики высоких энергий Протвино — законсервированном подземном объекте размером почти с Большой адронный коллайдер.

Длина подземного кольца ускорителя — 21 км. Основной тоннель диаметром 5 метров проложен на глубине от 20 до 60 метров (в зависимости от рельефа местности). Кроме того, было построено множество вспомогательных помещений, связанных с поверхностью вертикальными шахтами. Если бы протонный коллайдер в Протвино удалось сдать в срок раньше БАК, в мире фундаментальной физики появилась бы новая точка притяжения. Далее — об истории главного советского коллайдера, на котором могла бы коваться физика будущего.

Самый большой проект

Протвино с высоты 325 метров

Перефразируя анекдот «А я тебе говорил — место проклятое!» можно сказать, что коллайдеры на пустом месте не возникают — должны быть подходящие условия. За много лет до принятия стратегического решения о постройке крупнейшего в СССР научного объекта, в 1960 году, в качестве базы для Института физики высоких энергий (ИФВЭ) был основан секретный поселок Серпухов-7. Место выбрали по геологическим соображениям — в этой части Московской области грунт, являющийся дном древнего моря, позволяет размещать крупные подземные объекты, защищенные от сейсмической активности.

В 1965 году получен статус поселка городского типа и новое название — Протвино — производное от названия местной речушки Протвы. В 1967 году в Протвино запущен крупнейший ускоритель своего времени — протонный синхротрон на энергию 70 ГэВ (109 электронвольт) У-70. Он до сих пор действует и остается самым высокоэнергетичным ускорителем России.

Строительство У-70

Вскоре начали разрабатывать проект нового ускорителя — протон-протонного коллайдера на энергию 3 ТэВ (1012 эВ), который стал бы самым мощным в мире. Работы по теоретическому обоснованию УНК возглавлял академик Анатолий Логунов — физик-теоретик, научный руководитель Института физики высоких энергий. Синхротрон У-70 планировалось использовать в качестве первой «разгонной ступени» для ускорителя УНК.

В проекте УНК предполагались две ступени: одна должна была принять из У-70 пучок протонов с энергией 70 ГэВ и поднять ее до промежуточного значения 400–600 ГэВ. Во втором кольце (вторая ступень) энергия протонов поднималась бы до максимальной величины. Обе ступени УНК должны были разместиться в одном кольцевом тоннеле размерами превосходящем кольцевую линию Московского метрополитена. Сходства с метро добавляет и тот факт, что строительством занимались метростроевцы Москвы и Алма-Аты.

План экспериментов

1. Ускоритель У-70. 2. Канал инжекции — ввода пучка протонов в кольцо ускорителя УНК. 3. Канал антипротонов. 4. Криогенный корпус. 5. Тоннели к адронному и нейтронному комплексам

В начале восьмидесятых в мире не было сравнимых по размерам и энергиям ускорителей. Ни Тэватрон в США (длина кольца 6,4 км, энергия в начале 1980-х — 500 ГэВ), ни Суперколлайдер лаборатории ЦЕРН (длина кольца 6,9 км, энергия столкновения 400 ГэВ) не могли дать физике необходимый инструмент для проведения новых экспериментов.

Наша страна имела большой опыт в области разработки и строительства ускорителей. Построенный в Дубне в 1956 году синхрофазотрон стал самым мощным в мире на тот момент: энергия 10 ГэВ, длина около 200 метров. На построенном в Протвино синхротроне У-70 физики сделали несколько открытий: впервые зарегистрировали ядра антивещества, обнаружили так называемый «серпуховский эффект» — возрастание полных сечений адронных взаимодействий (величин, определяющих ход реакции двух сталкивающихся частиц) и многое другое.

Десятилетняя работа

Полномасштабный макет тоннеля УНК

В 1983 году горным способом, используя 26 вертикальных шахт, начались строительные работы на объекте.

Несколько лет стройка велись в вялотекущем режиме — прошли всего полтора километра. В 1987 году вышло постановление правительства об активизации работ, и в 1988-м, впервые с 1935 года, Советский Союз закупил за границей два современных тоннелепроходческих комплекса компании Lovat, с помощью которых Протонтоннельстрой начал прокладывать тоннели.

Зачем понадобилось покупать проходческий щит, если до этого пятьдесят лет в стране успешно строили метро? Дело в том, что 150-тонные машины Lovat не только бурили с очень высокой точностью проходки до 2,5 сантиметров, но и выстилали свод тоннеля 30-сантиметровым слоем бетона с металлоизоляцией (обычные бетонные блоки, с приваренным с внутренней стороны листом металлической изоляции). Гораздо позже в Московском метрополитене из блоков с металлоизоляцией сделают небольшой участок на перегоне «Трубная» — «Сретенский бульвар».

Канал инжекции. В бетонный пол утоплены рельсы для электровоза

В конце 1989 года было пройдено около 70% тоннеля основного кольца и 95% канала инжекции — тоннеля длиной более 2,5 км, предназначенного для перевода пучка из У-70 в УНК. Построили три здания (из запланированных 12) инженерного обеспечения, развернули строительство наземных объектов по всему периметру: более 20 промышленных площадок с многоэтажными производственными зданиями, к которым были проложены трассы водоснабжения, отопления, сжатого воздуха, высоковольтные линии электропередач.

В этот же период у проекта начались проблемы с финансированием. В 1991 году, с развалом СССР, УНК мог быть брошен сразу же, однако стоимость консервации недостроенного тоннеля оказалась бы слишком высока. Разрушенный, затопленный грунтовыми водами он мог бы представлять опасность для экологии всего региона.

Источник

Потребовалось еще четыре года, чтобы замкнуть подземное кольцо тоннеля, но ускорительная часть безнадежно отстала — всего было изготовлено лишь около ¾ ускоряющей структуры для первой ступени УНК, и лишь несколько десятков магнитов сверхпроводящей структуры (а требовалось 2500, каждый из них весом около 10 тонн).

Стенд для испытания магнитов

Магнитная система — одна из самых важных в ускорителе. Чем выше энергия частиц, тем труднее пустить их по круговой траектории, и, соответственно, сильнее должны быть магнитные поля. Кроме того, частицы нужно фокусировать, чтобы они не отталкивались друг от друга, пока летят. Поэтому наряду с поворачивающими частицы по кругу магнитами нужны и магниты фокусирующие. Максимальная энергия ускорителей в принципе ограничивается размерами и стоимостью магнитной системы.

Часть инжекторного тоннеля в наши дни. Источник

Инжекторный тоннель оказался единственной частью комплекса, готовой на 100%. Так как плоскость орбиты УНК на 6 м ниже, чем в У-70, канал оснастили протяженным участком магнитов, обеспечивающим поворот пучка на 64°. Ионно-оптическая система обеспечивала согласование фазового объема пучка, выведенного из У-70, со структурой поворотов тоннеля.

Основной тоннель. В таком виде (только без света) он тянется на километры. Источник

На момент, когда стало понятно, что «денег нет и надо держаться», было разработано и получено все вакуумное оборудование канала инжекции, системы откачки, устройства электропитания, системы управления и контроля. Вакуумная труба из нержавеющей стали, давление в которой составляет менее 10-7 мм ртутного столба — это основа ускорителя, по ней движутся частицы. Суммарная длина вакуумных камер канала инжекции и двух ступеней ускорителя, каналов вывода и сброса пучка ускоренных протонов должна была составлять около 70 км.

Был построен зал «Нептун» размером 15 х 60 м2, где должны были располагаться мишени ускорителя и контрольно-измерительное оборудование.

Второстепенные технологические тоннели

Началось возведение уникального нейтронного комплекса — частицы, разогнанные в УНК, по отдельному тоннелю выводились бы в землю, по направлению к Байкалу, на дне которого установлен специальный детектор. Нейтринный телескоп на озере Байкал до сих пор существует и расположен на расстоянии 3,5 км от берега, на километровой глубине.

На протяжении всего тоннеля каждые полтора километра были построены подземные залы для размещения крупногабаритного оборудования.

Помимо основного тоннеля был построен еще один, технический (на фото выше), предназначенный для кабелей и труб.

В тоннеле имелись прямолинейные участки для размещения технологических систем ускорителя, обозначенные на схеме, как «СПП–1» (сюда попадает пучок частиц из У-70) и «СПП-4» (отсюда выводятся частицы). Они представляли собой протяженные залы диаметром до 9 метров и длиной около 800 метров.

Вентиляционная шахта глубиной в 60 м (она же на КДПВ). Источник

Смерть и перспективы

Нынешнее состояние тоннелей, за которыми еще следят

В 1994 году строители осуществили сбойку последнего и самого сложного по гидрогеологическим условиям (из-за грунтовых вод) участка 21-километрового тоннеля. В этот же период деньги практически иссякли, ведь затраты на проект были соизмеримы со строительством АЭС. Ни заказывать оборудование, ни платить зарплаты рабочим стало невозможно. Ситуацию усугубил кризис 1998 года. После того, как было принято решение участвовать в запуске Большого адронного коллайдера, от завершения УНК отказались окончательно.

Введенный в строй в 2008 году БАК оказался современнее и мощнее, окончательно убив идею реанимировать российский коллайдер. Однако просто бросить гигантский комплекс нельзя и сейчас он представляет собой «чемодан без ручки». Ежегодно из федерального бюджета тратятся деньги на содержание охраны и откачку воды из тоннелей. Средства уходят также на бетонирование многочисленных залазов, притягивающих любителей индустриальной экзотики со всей России.

Последние десять лет предлагаются различные идеи реновации комплекса. В тоннеле можно было бы разместить сверхпроводящий индукционный накопитель, который помогал бы поддерживать стабильность электросети всего Московского региона. Или там можно было бы сделать грибную ферму. Идей много, но все они упираются в отсутствие денег — даже похоронить комплекс и залить полностью бетоном стоит слишком дорого. Пока же невостребованные пещеры науки остаются памятником несбывшейся мечты советских физиков.

Наличие БАК не означает ликвидацию всех остальных коллайдеров. Ускоритель У-70 Института физики высоких энергий и поныне остается крупнейшим действующим в России. Ускоритель тяжелых ионов НИКА строится в подмосковной Дубне. Длина его сравнительно невелика — НИКА будет включать четыре 200-метровых кольца — однако область, в которой будет работать коллайдер, должна обеспечить ученым наблюдение за «пограничным» состоянием, когда ядра и высвободившиеся из ядер атомов частицы существуют одновременно. Для физики данная область считается одной из наиболее перспективных.

В числе фундаментальных исследований, которые будут проводиться с использованием коллайдера НИКА — моделирование микроскопической модели ранней Вселенной. Ученые намерены использовать коллайдер для поиска новых методик лечения рака (облучение опухоли пучком частиц). Кроме того, установку используют для исследования влияния радиации на работу электроники. Строительство нового ускорителя планируют завершить в 2023 году.