2. FIZYKA ODDZIAŁYWAŃ ELEMENTARNYCH I ASTROFIZYKA CZĄSTEK

Stan obecny
Początki Fizyki Oddziaływań Elementarnych (FOE) w Polsce sięgają lat 30. ubiegłego wieku i związane były z badaniami promieniowania kosmicznego. Badania te, wznowione po II wojnie światowej w Krakowie, Warszawie i Łodzi, dały początek burzliwemu rozwojowi powojennej FOE w Polsce. Stopniowo zaczęły powstawać grupy doświadczalne i teoretyczne oraz zaczęła się rozwijać współpraca międzynarodowa w dziedzinie badań akceleratorowych i teoretycznych, oparta przede wszystkim na kontaktach z Europejską Organizacją Badań Jądrowych (CERN) w Genewie. Dynamiczny rozwój badań w Polsce otworzył drogę do formalnego związku z CERN - Polska została członkiem obserwatorem Organizacji w roku 1963, a członkiem regularnym w 1991 r. Polskie zespoły uczestniczą również w dużych eksperymentach przy akceleratorach w DESY (Niemcy), KEK (Japonia) oraz w BNL (USA), jak również w eksperymentach neutrinowych i astrofizycznych. Istotne jest również zaangażowanie w przygotowanie do budowy nowego zderzacza elektron-pozyton (ILC). Jednym z najbardziej wartościowych osiągnięć polskiej FOE lat 60., 70. i 80., jest wykształcenie w Krakowie i Warszawie, dzięki pracy badawczej i dydaktycznej prowadzonej w polskich instytucjach naukowych, wysokiej klasy kadry naukowej i zbudowanie bardzo silnych szkół naukowych. Te silne ośrodki w miarę upływu czasu, oprócz własnego rozwoju, przyczyniły się do powstania grup teoretycznych i doświadczalnych w wielu uczelniach i instytutach naukowych w Polsce. Obecnie (2006 rok) centra zaangażowane w badania FOE i liczby pracowników (naukowych i naukowo-technicznych oraz doktorantów) zajmujących się tą tematyką (T - prace teoretyczne, D - prace doświadczalne), to:

• Uniwersytet Warszawski - 20T, 39D,
• Instytut Problemów Jądrowych - 9T, 58D,
• Politechnika Warszawska - 12D,
• Instytut Fizyki Jądrowej PAN - 17T, 84D,
• Uniwersytet Jagielloński - 25T, 10D,
• Akademia Górniczo-Hutnicza - 36D,
• Uniwersytet Łódzki - 7T, 11D,
• Uniwersytet Śląski - 14T, 4D,
• Uniwersytet Wrocławski - 9T,
• Akademia Świętokrzyska - 5T, 6D.

Łącznie powyższa lista obejmuje 10 instytucji oraz 366 pracowników (106T i 260D).

Prace eksperymentalne w FOE pod wieloma względami trudno porównywać z badaniami doświadczalnymi w innych dziedzinach fizyki. Z uwagi na skalę (i koszt) podstawowych narzędzi: gigantycznych akceleratorów i ogromnych detektorów, eksperymenty mogą być prowadzone tylko w wielkich współpracach międzynarodowych. Projekt, budowa aparatury i wreszcie analiza danych i publikacja wyników to proces długofalowy, a wszystkie publikacje eksperymentalne firmują bardzo liczne grupy współautorów z wielu ośrodków naukowych. Z tej specyfiki badań doświadczalnych wynika, że osiągnięcia polskie trzeba zdefiniować jako uznany przez środowisko międzynarodowe wiodący wkład polskich zespołów w projekt i uruchomienie eksperymentu i/lub widoczną inicjatywę w podjęciu tematu, przeprowadzenie analizy danych i ich opublikowanie. Lista takich osiągnięć, obejmująca również osiągnięcia aparaturowo-technologiczne (przede wszystkim, choć nie tylko, w ramach projektów CERN-owskich), zawiera między innymi następujące pozycje:

• komory iskrowe, proporcjonalne i dryfowe, dla eksperymentów WA3, NA11, NA32, DELPHI, BRAHMS, LHCb,
• kalorymetr uzupełniający i monitor świetlności w eksperymencie ZEUS,
• krzemowe detektory torów i wierzchołków oddziaływań dla eksperymentów NA32, Maer II, DELPHI, PHOBOS, BELLE, ATLAS,
• system wstępnej selekcji przypadków dla eksperymentu CMS,
• pierwsza ewidencja naruszenia symetrii zapachowej morza kwarkowego (eksperyment NMC),
• badania obszaru małych x w eksperymencie H1,
• poszukiwanie „nowej fizyki", w szczególności oddziaływań punktowych i produkcji stanów rezonansowych lq (leptokwarków) w eksperymencie ZEUS,
• udział w odkryciu nowego stanu materii w eksperymencie PHOBOS,
• zainicjowanie badania hadronowych rozpadów mezonu B w eksperymencie BELLE.

W pracach teoretycznych w FOE trzeba uwzględnić dwa okresy. W latach 70. i 80. bardzo istotny i szeroko uznany w świecie był wkład polskich prac teoretycznych w badania oddziaływań silnych. W ostatnim dwudziestoleciu polskie bada¬nia poświęcone były z jednej strony precyzyjnym testom teorii oddziaływań silnych i elektrosłabych (Modelu Standardowego), wymagającym dużej pracy teoretycznej, z drugiej zaś poszukiwaniu głębszej teorii wyjaśniającej pewne paradoksy Modelu Standardowego. W obu tych dziedzinach polskie prace odgrywają wiodącą rolę w świecie. Jako przykłady takich badań można wymienić:

• podanie fenomenologicznych modeli procesów produkcji cząstek,
• podanie metod teoretycznych do badania procesów głęboko nieelastycznych i struktury hadronów oraz fotonów w chromodynamice kwantowej,
• obliczanie poprawek silnych do procesów zachodzących pod wpływem od¬działywań słabych,
• zbadanie struktury hadronów przy małych wartościach zmiennej x Bjórkena,
• zaproponowanie nowych hipotez dotyczących rozszerzenia Modelu Standardowego,
• analiza teoretyczna możliwości odkrycia supersymetrii lub innych efektów świadczących o konieczności rozszerzenia Modelu Standardowego w doświadczeniach w LHC i w przyszłym akceleratorze liniowym.

Do współpracy w wielkich międzynarodowych eksperymentach przyjmowane są tylko najlepsze zespoły, uczestniczące we wszystkich etapach przedsięwzięcia: w projekcie eksperymentu, w budowie wydzielonej części aparatury oraz w analizie danych i ich interpretacji. Polskie zespoły uczestniczyły w najważniejszych eksperymentach w CERN, w DESY w Hamburgu, w eksperymentach w B-factory w KEK (Japonia) i na akceleratorze RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) w Brookhaven National Laboratory (USA). Obecność polskich zespołów była i jest istotna również w działających już i projektowanych eksperymentach neutrinowych. Polacy uczestniczyli w projektowaniu i w budowie aparatury do eksperymentów, które trwały przynajmniej przez część dekady 1996-2006, a mianowicie DELPHI, NA48, NA49, NA50, NA58, WA98 i COMPASS w CERN, ZEUS i H1 w DESY, BELLE w KEK, PH-OBOS, STAR i BRAHMS w BNL, AUGER w Pierre Auger Observatory, ICARUS w Gran Sasso oraz ALICE, ATLAS, CMS i LHCb - eksperymenty przyszłego akceleratora LHC w CERN. Imponująca jest również lista publikacji powstałych z udziałem Polaków w eksperymentach FOE w ww. latach.
W badaniach podstawowych o międzynarodowym zasięgu są dwa podstawowe parametry określające rangę wyników:

• liczba publikacji w czasopismach o międzynarodowym zasięgu,
• liczba cytowań tych artykułów.

Choć można mieć zastrzeżenia, co do znaczenia różnych ilościowych analiz cytowalności, to nie ulega wątpliwości, że prace niecytowane nie odgrywają roli w rozwoju danej dyscypliny. W ostatnim dziesięcioleciu ukazało się blisko 2000 prac teoretycznych polskich autorów w dziedzinie FOE, a całkowita liczba ich cytowań przekracza 40000.

Możliwości aplikacyjne wyników badań podstawowych w FOE, to:

• zastosowanie techniki detektorów pozycyjnych o dobrej rozdzielczości przestrzennej i czasowej, wyposażonych w czułą i szybką elektronikę odczytu, w dziedzinie krystalografii, biologii radiacyjnej, medycynie, neurobiologii itp.,
• rozwój techniki lekkich materiałów kompozytowych i wykorzystanie jej np. w medycynie,
• rozwój technologii układów scalonych dużej skali integracji (VLSI ASIC) i programowalnych matryc logicznych (FPGA) w przemyśle elektronicznym,
• rozwój centrów obliczeniowych z komputerami dużej mocy oraz technologii „gridowej", pozwalającej wykorzystywać rozproszone zasoby sieciowe, pamięciowe i obliczeniowe jako jeden system.

Planowane główne kierunki badawcze
Przedstawione osiągnięcia polskich badaczy w dziedzinie FOE, organizacja badań, dotychczasowy potencjał eksperymentalny, silne zespoły teoretyczne i ustalona renoma w środowisku międzynarodowym pozwalają na stwierdzenie, że ten kierunek w polskiej fizyce zajmuje wyjątkowo wysoką pozycję. Zaproszenie polskich grup do udziału w eksperymentach na LHC w CERN jest potwierdzeniem silnej pozycji międzynarodowej polskich specjalistów. Polskie grupy doświadczalne i teoretyczne biorą również aktywny udział w projektach prac planowanych na lata późniejsze. Szczególna uwaga jest skoncentrowana na ewentualnym zwiększeniu świetlności i energii wiązek w LHC oraz na budowie liniowego zderzacza elektronów i pozytonów ILC (International Linear Collider) .
Należy podkreślić coraz silniejszy związek FOE z kosmologią i astrofizyką, które w znacznym stopniu stają się integralną jej częścią; ponadto część badań w FOE zazębia się z badaniami w fizyce jądrowej.
Generalnie można wyodrębnić trzy kierunki strategicznego rozwoju polskiej FOE, zgodne ze strategicznymi kierunkami rozwoju światowej FOE: program LHC w CERN, fizykę neutrin i astrofizykę cząstek oraz program następnego po LHC globalnego akceleratora cząstek, którym będzie najprawdopodobniej wspomniany ILC. Tendencją powinno być tworzenie silnych zespołów odgrywających istotną rolę w prowadzonych na świecie eksperymentach. Zapewnienie niezbędnej „masy krytycznej" (liczby naukowców, właściwego zaplecza technicznego oraz finansowego) zespołów badawczych jest niezwykle ważne i powinno stanowić istotne kryterium wyboru właściwych aktywności. Dotyczy to zarówno prac kontynuowanych (np. program LHC) jak i nowych inicjatyw. Koncentracja badań w FOE musi jednak odbywać się w sposób nie zagrażający ich poziomowi naukowemu.
Pierwszoplanowe znaczenie będzie miało uczestnictwo polskie w programach naukowych LHC w CERN; polskie zespoły naukowe biorą udział w przygotowaniu czterech głównych eksperymentów przy LHC: ALICE, ATLAS, CMS i LHCb. Akcelerator LHC latach 2008-2010 dostarczy danych, które powinny pozwolić na odkrycia o fundamentalnym znaczeniu poznawczym: mechanizmów generacji masy (np. mechanizm Higgsa) oraz dowodów doświadczalnych efektów poza Modelem Standardowym. Badania doświadczalne prowadzone przez polskie zespoły naukowe będą miały, tak jak dotychczas, silne wsparcie w polskich badaniach teoretycznych. W latach 2008-2010 program naukowy LHC powinien mieć w Polsce priorytet. Uważamy, że utrzymanie polskiego udziału w 4 eksperymentach w ww. okresie jest bardzo ważne.

Wspomniany okres będzie w dużym stopniu poświęcony testowaniu złożonej aparatury detekcyjnej, w tym także tej wykonanej przez zespoły polskie. Udział polskich ekspertów w naświetleniach, analizie, testach i ew. naprawach będzie niezbędny. Będzie to powodowało wzrost liczby fizyków (w tym doktorantów), przede wszystkim pracujących nad analizą danych z LHC. Pod koniec tego okresu podstawowy wysiłek badawczy będzie polegał na „rutynowym" zbieraniu danych i ich analizie. Lata 2011-2016 będą okresem zwiększania precyzji danych z LHC. Jednocześnie okres ten może charakteryzować się przepływem części polskiego personelu w kierunku budowy aparatury w dwóch pozostałych kierunkach: ILC i fizyki neutrin oraz astrofizyki cząstek z kosmologią. W latach 2013-2016 będzie podejmowana decyzja o ewentualnej rozbudowie LHC poprzez zwiększenie jego świetlności (SLHC) lub zwiększeniu energii (DLHC), oraz związana z nią decyzja o modernizacji układów doświadczalnych. Ten proces będzie zależał od uzyskanych wyników z LHC oraz podejmowanych w tym samym czasie ustaleń co do budowy ILC lub innego nowego akceleratora globalnego. Już obecnie w pracach teoretycznych dotyczących przyszłych pomiarów, jak i w pracach badawczo-rozwojowych nad elementami akceleratora i przyszłych detektorów, uczestniczą fizycy i inżynierowie z Krakowa, Łodzi i Warszawy. Równolegle tworzą się międzynarodowe zespoły mające na celu zaprojektowanie przyszłych spektrometrów. Polskie środowisko naukowe FOE powinno aktywnie uczestniczyć w tym procesie.

W latach 2008-2016 będzie wzrastała rola eksperymentów w dziedzinie astrofizyki cząstek i w badaniu oddziaływań neutrin. Przełomowe odkrycie oscylacji neutrin pod koniec lat dziewięćdziesiątych oraz burzliwy rozwój astrofizyki cząstek z kosmologią w tym samym okresie spowodowały szybki wzrost tych badań także w Polsce. Dziedziny te wymagają coraz bardziej kompleksowych i kosztownych eksperymentów. Polską społeczność, zajmującą się doświadczalną i teoretyczną fizyką neutrin, stanowią współpracujące z sobą grupy z Warszawy, Krakowa, Katowic i Wrocławia. Wszystkie te grupy uczestniczą w przygotowaniu eksperymentu ICARUS w Gran Sasso, ponadto fizycy z Warszawy biorą udział w japońskim programie badawczym (eksperymenty SuperKamiokande, K2K i T2K), zaś fizycy z Krakowa w eksperymencie Borexino. W ramach koncentracji badań celowe jest dołączenie do eksperymentu T2K pozostałych polskich zespołów i ich skoordynowany udział w przygotowaniu elementów detektora. Intensywne prace konstrukcyjne przypadną na lata 2007-2008, a zbieranie danych rozpocznie się w 2009 roku. Polscy fizycy uczestniczą obecnie w kilku ważnych eksperymentach astrofizycznych. Prawdopodobnie należałoby skoncentrować wysiłki na 2-3 dużych eksperymentach, wśród których powinny się znaleźć Pierre Auger Observatory, zajmujący się badaniem wysokoenergetycznych kaskad, teleskopy dla obserwacji fotonów w zakresie TeV, HESS/MAGIC, oraz polski eksperyment zajmujący się badaniem rozbłysków optycznych i gamma "n of the Sky".
Polskie środowisko fizyki neutrin i astrofizyki cząstek dyskutuje o stworzeniu wysokiej klasy podziemnego laboratorium badawczego w kopalni miedzi w Sieroszowicach koło Lubina. Panują tam szczególne, unikatowe na skalę europejską warunki do takich badań - szczególnie niskie tło naturalne i osłona od promieniowania kosmicznego. Projekt ten mógłby nadać dużą rangę tym badaniom w Polsce. Budowa laboratorium w Sieroszowicach powinna być rozważona w kontekście umiędzynarodowienia tej inicjatywy i zapewnienia istotnego wkładu finansowego z Unii Europejskiej i innych zainteresowanych krajów. Inicjatywa ta jest koordynowana ze środowiskiem fizyki jądrowej.

Przedstawione wyżej kierunki priorytetowe nie wyczerpują całości polskich badań w FOE. Polskie zespoły uczestniczą w kilku eksperymentach w CERN - COMPASS, NA49, które związane są z programem naukowym SPS. Eksperymenty te mogą być kontynuowane po roku 2010; decyzje o dalszym udziale zespołów polskich w programie SPS będą musiały być podjęte w okresie 2008-2010.

Zespół polski uczestniczy też w eksperymencie BELLE przy fabryce KEKB w Japonii. W latach 2009-2011 rozważany jest projekt rozbudowy akceleratora do SuperKEKB i odpowiednia rozbudowa układu detekcyjnego. W okresie 2008-2010 powinna zostać podjęta w Japonii decyzja o realizacji tego projektu; należy oczekiwać również podjęcia decyzji dotyczącej udziału Polski w tym projekcie.

Obecnie znacząca grupa fizyków polskich uczestniczy w programie naukowym akceleratora HERA w ośrodku DESY k/Hamburga. Akcelerator HERA nie będzie już zbierał danych w latach 2008-2016, ale część fizyków będzie zapewne kontynuowała analizę danych. Udział polskich zespołów w programie naukowym zderzeń relatywistycznych ciężkich jonów przy akceleratorze RHIC w Brookhaven (USA) już zaowocował wieloma ciekawymi wynikami naukowymi, przy czym zbieranie danych będzie kontynuowane po roku 2009.

Dla efektywnego udziału w przygotowaniach, konstrukcji i analizie danych ww. eksperymentów potrzebna jest wspólna lokalna infrastruktura, zwłaszcza komputerowa - jej systematyczne odnawianie powinno zostać uwzględnione w wieloletnim programie strategicznym FOE. Ponadto powinno się przewidywać odnowę bazy pomiarowej i narzędziowej polskich laboratoriów (stanowisk pomiarowych szybkiej elektroniki, narzędzi programowania i symulacji). Dysponowanie nowoczesną, ciągle uaktualnianą infrastrukturą w laboratoriach polskich jest nie tylko istotne dla realizacji badań z FOE i możliwości włączania się w badania światowe, ale także ma ogromne znaczenie edukacyjne (wykształcenie studentów i doktorantów).

Potrzeby w zakresie kształcenia i rozwoju kadry
Przyszłość FOE zależy od dobrze wyszkolonej kadry doktorantów i najmłodszych pracowników naukowych. Kształcenie doktorantów odbywa się głównie na Studiach Doktoranckich przy szkołach wyższych i instytutach badawczych. Obecny poziom ich finansowania powoduje, że są one atrakcyjne tylko dla nielicznych absolwentów fizyki. Trzeba zmienić sposób i poziom ich finansowania. Należałoby tu uwzględnić oferty edukacyjne CERN dla studentów i doktorantów zarówno z fizyki jak i z dziedzin technicznych. Studia w CERN dają możliwość bezpośredniego dostępu do wiodącej fizyki i technologii, bez zrywania łączności z krajem. Obecnie kilka krajów członkowskich CERN finansuje dodatkowe stypendia dla swoich studentów i doktorantów. Takie dodatkowe finansowanie należy również zapewnić w Polsce (finansowanie programów FOE omówiono w rozdziale 10. PODSUMOWANIE).

3. FIZYKA JĄDROWA^1
1 Ze względu na specyfikę zagadnień fizyki plazmy przedstawiono je oddzielnie w drugiej części tego rozdziału.

Stan obecny
Polscy fizycy jądrowi prowadzą badania podstawowe, których rozwój jest ważny zarówno ze względów poznawczych, jak i z uwagi na późniejsze zastosowania oraz rozwój kadry naukowej, mogącej stanowić krajowe zaplecze konsultacyjno-wdrożeniowe technik jądrowych. Instytucje naukowe, realizujące badania naukowe z fizyki jądrowej, to:

• Instytut Fizyki Jądrowej im. Henryka Niewodniczańskiego Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN),
• Instytut Problemów Jądrowych im. Andrzeja Sołtana,
• Uniwersytet Jagielloński - Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej,
• Uniwersytet Warszawski
•      •  Wydział Fizyki,
•      •  Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów,
• Uniwersytet Marii Curie-Skłodowskiej - Wydział Matematyki, Fizyki i Informatyki,
• Politechnika Warszawska - Wydział Fizyki,
• Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica - Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej,
• Uniwersytet Śląski - Wydział Fizyki,
• Uniwersytet Łódzki - Wydział Fizyki,
• Uniwersytet Zielonogórski - Wydział Fizyki i Astronomii,
• Akademia Świętokrzyska - Wydział Matematyczno-Przyrodniczy,
• Uniwersytet Wrocławski - Wydział Fizyki i Astronomii.
• Problematyka badawcza (prace teoretyczne i doświadczalne) w zakresie badań podstawowych dotyczy następujących obszarów:
• struktura jąder atomowych i oddziaływania międzynukleonowe (jądra egzotyczne, jądra w warunkach ekstremalnych, struktura stanów wzbudzonych i procesy słabe),
• materia jądrowa (plazma kwarkowo-gluonowa), materia hadronowa.

Eksperymentalne prace badawcze prowadzone są na akceleratorach SIS w GSI Darmstadt i COSY w FZJ w Julich w Niemczech, GANIL w Caen, Francja, AL-PI w Legano, Włochy oraz JYFL w Jyvaskyala, Finlandia, jak i na akceleratorach Zjednoczonego Instytutu Badań Jądrowych w Dubnej. Krajowe projekty eksperymentalne oparte są na akceleratorze w Środowiskowym Laboratorium Ciężkich Jonów Uniwersytetu Warszawskiego. Jednoczenie polscy fizycy biorą udział w pracach przygotowawczych projektu FAIR w Darmstadt i SPIRAL 2 w Caen. Badania w zakresie teoretycznej fizyki jądrowej mają charakter rozproszony. Na uwagę zasługują zwłaszcza prace teoretyczne dotyczące jąder egzotycznych, w tym jąder super-ciężkich. Polscy fizycy-teoretycy odgrywają istotną rolę w pracach centrum teoretycznych badań jądrowych ECT w Trento.
Liczba pracowników naukowych zaangażowanych w poszczególnych projektach fizyki jądrowej wynosi ok. 150 osób.


Planowane główne tematy badawcze
Największe zainteresowanie polskich fizyków jądrowych budzi projekt FAIR
-    Facility for Antiproton and lon Research - w GSI w Darmstadt. 80% kosztów programu (wynoszących 950 mln €) pokrywa rząd niemiecki. Badania naukowe obejmą pięć dyscyplin fizyki, stanowiących filary FAIR:
1) fizyka struktury i astrofizyka jądrowa z użyciem wiązek radioaktywnych,
2) fizyka hadronów z wiązkami antyprotonów,
3) materia hadronowa o bardzo wysokiej gęstości,
4) fizyka plazmy przy bardzo wysokich ciśnieniach i wysokiej temperaturze,
5) fizyka atomowa i zastosowania. W FAIR wykorzystane zostaną najnowocześniejsze rozwiązania techniczne, co pozwoli na jednoczesne prowadzenie szeregu eksperymentów i programów badawczych przez różne zespoły. Dzięki swojej wszechstronności, FAIR stanowić będzie kluczowy ośrodek badawczy europejskiej fizyki jądrowej następnej dekady XXI wieku.

Drugim programem, w którym zaanga ż owana jest spora cz ęść spo ł eczno ś ci fizyków polskich, jest projekt SPIRAL 2 (Systeme de Production dlons Radioactifs Acceleres en Ligne 2) w GANIL w Caen. SPIRAL 2 jest projektem francuskim (finansuje go rząd francuski w wysokości 135 mln €), ale o wymiarze europejskim. Do wytwarzania wiązek radioaktywnych wykorzystany zostanie akcelerator liniowy niskich energii. SPIRAL 2 rozpocznie pracę w 2011 roku i będzie dostarczał wiązki radioaktywne w oparciu o metodę ISOL (Isotope Separation On-Line) do badań struktury jądrowej i astrofizyki jądrowej, a także w badaniach (nowych) symetrii. Projekt ten jest prekursorem dużego europejskiego projektu EURISOL, który przewidziany jest około roku 2016.
Możliwości oferowane fizyce jądrowej w niedalekiej przyszłości przez akcelerator LHC w CERN będą wykorzystywane przez zastosowanie detektorów ALICE, CMS i ATLAS. Tematyka badań będzie dotyczyć badań plazmy kwarkowo-gluonowej powstającej w zderzeniach relatywistycznych (TeV) ciężkich jonów. Obecnie podobne prace prowadzone są na akceleratorze RHIC w USA, lecz w zakresie energii znacznie niższych od planowanych dla LHC.
Wśród nieakceleratorowych eksperymentów fizyki jądrowej należy wymienić poszukiwania podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta. Eksperymenty tego typu, wymagające podziemnych laboratoriów z bardzo niskim poziomem naturalnego tła, mogą udzielić odpowiedzi na temat podstawowych własności neutrin. Zainteresowanie polskich fizyków jądrowych koncentruje się obecnie na planach udziału w budowie detektorów SuperNEMO (Frejus, Francja) i GERDA (Gran Sasso, Włochy); eksperymenty takie będzie można również prowadzić w przyszłym polskim laboratorium niskotłowym w Sieroszowicach koło Lubina (wspomnianym w rozdziale poprzednim).

Możliwości aplikacyjne
W zakresie praktycznych zastosowań fizyki jądrowej przewiduje się:

• zastosowanie wiązek protonów w terapii hadronowej schorzeń nowotworowych,
• produkcję „akceleratorowych" izotopów promieniotwórczych,
• inne biologiczne zastosowania wiązek cząstek przyspieszanych w akceleratorach.

W powyższym wyliczeniu pominięto prace w zakresie energetyki jądrowej i syntezy jądrowej, omówione w rozdziale 4.
W Instytucie Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie zaawansowane są prace nad radioterapią protonową nowotworów oka, z wykorzystaniem protonów o energii 58 MeV z istniejącego akceleratora AIC-144. Ośrodek ten planuje jednocześnie rozszerzenie medycznych zastosowań fizyki jądrowej z wykorzystaniem nowych cyklotronów, o energii protonów 30 MeV dla produkcji medycznych izotopów „cyklotronowych" oraz 250 MeV dla produkcji izotopów i rozbudowanej terapii protonowej. W Ministerstwie Nauki i Szkolnictwa Wyższego złożono wnioski utworzenia w Krakowie ośrodków Infrastruktury Badawczej IB z planowanym dofinansowaniem z Funduszy Strukturalnych UE, o nazwie IBRON (produkcja radiofarmaceutyków i metody diagnostyczne PET i SPECT) oraz BROTON (dla radioterapii protonowej).
Fizycy krakowscy oraz fizycy i medycy warszawscy wystąpili jednocześnie z podobnym wnioskiem o utworzenie ośrodka NCRH (Narodowe Centrum Terapii Hadronowej), opartego na nowym cyklotronie 200-300 MeV (protonów) dla terapii protonami i jądrami ciężkimi (¹²C). Ponadto Ośrodek Badawczo-Rozwojowy Izotopów POLATOM, we współpracy z pozostałymi jednostkami badawczo-rozwojowymi w Świerku, wystąpił z wnioskiem o utworzenie nowego ośrodka Infrastruktury Badawczej IB o nazwie CeRad (Centrum Badawczo-Produkcyjne Radionuklidów), przewidującym między innymi również zainstalowanie cyklotronu o energii protonów 30 MeV do produkcji izotopów.
Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów kontynuuje prace zmierzające do utworzenia w Warszawie Ośrodka Tomografii Pozytonowej - zarówno dla rozwoju diagnostyki medycznej, jak i prac badawczych w szeroko pojętych „naukach życia" (life sciences). Prace te wspierane są przez Międzynarodową Agencję Energii Atomowej w Wiedniu.

Potrzeby w zakresie kształcenia i rozwoju kadry zależą od rozwoju nie tylko jądrowych projektów badawczych, ale również wdrożeń i inwestycji w zakresie technologii jądrowych - energetyka jądrowa, terapia hadronowa, źródła promieniowania synchrotronowego, nowy reaktor badawczy, badania w zakresie nowych cykli paliwowych i wykorzystania reaktorów wysokotemperaturowych itp. Można wyrazić nadzieję, że podjęcie decyzji kierunkowych w zakresie badan i - przede wszystkim -dużych programów inwestycyjnych spowoduje znaczny wzrost liczby kandydatów do jądrowych studiów specjalistycznych, a tym samym wzrost liczby absolwentów i doktorantów. Konieczne w tym kontekście wydaje się zasadnicze wzbogacenie programów nauczania w szkolnictwie średnim i wyższym o tematykę jądrową. Ocenia się, że dla utrzymania badan i wdrożeń na obecnym poziomie minimalna liczba absolwentów studiów jądrowych winna wynosić około 20 osób rocznie.


FIZYKA PLAZMY

Stan obecny
Fizyka plazmy zajmuje się badaniami własności quasi-neutralnej mieszaniny swobodnych elektronów i jonów o różnych stopniach jonizacji. W gorącej plazmie mogą zachodzić reakcje syntezy (fuzji) jądrowej, w których wydzielają się ogromne ilości energii, np. we wnętrzach wielu gwiazd lub w wybuchach bomb termojądrowych. Badania nad syntezą jądrową stanowią w rzeczywistości tylko jeden z działów fizyki i technologii plazmy. We wszechświecie większość widocznej materii znajduje się właśnie w stanie plazmowym. W warunkach ziemskich plazma występuje w płomieniach, zorzach polarnych i wyładowaniach elektrycznych, np. jarzeniowych, łukowych i mikrofalowych. Parametry takiej plazmy różnią się zasadniczo. Dlatego badania plazmowe potrzebne są ze względów poznawczych i aplikacyjnych.
Ze względu na omówione wyżej fakty, badania z dziedziny fizyki i technologii plazmy obejmują wiele kierunków:

• badania procesów elementarnych (np. wzbudzania, jonizacji, zderzeń) oraz zjawisk nieliniowych w plazmie, np. solitonów, różnych rodzajów fal elektromagnetycznych itd.;
• badania gorącej plazmy w pułapkach magnetycznych typu Tokamak lub Stellarator;
• badania gęstej i gorącej plazmy wytwarzanej przez silnoprądowe wyładowania impulsowe typu Plasma-Focus lub Z-Pinch;
• badania supergęstej plazmy wytwarzanej przez silne wiązki laserowe lub elektronowe;
• badania plazmy wytwarzanej w wyładowaniach mikrofalowych i jarzeniowych;
• badania plazmy wytwarzanej przez wyładowania iskrowe i łukowe;
• badania plazmy w kosmosie (w jonosferze, heliosferze oraz w przestrzeni kosmicznej);
• opracowanie nowych metod pomiarowych i urządzeń do badań plazmy;
• zastosowania plazmy quasi-stacjonarnej lub impulsowej do celów badawczych i technologicznych, np. do modyfikacji różnych materiałów (stopów, półprzewodników, ceramik).

W Polsce badania z dziedziny fizyki plazmy, zainicjowane na szerszą skalę w latach 50-tych ub. wieku, prowadzi obecnie:

• Instytut Problemów Jądrowych im. Andrzeja Sołtana w Świerku,
• Instytut Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy w Warszawie,
• Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN w Warszawie,
• Centrum Badań Kosmicznych PAN w Warszawie,
• Instytut Maszyn Przepływowych PAN w Gdańsku,
• Instytut Fizyki UJ w Krakowie,
• Instytut Fizyki UMCS w Lublinie,
• Instytut Fizyki Uniwersytetu Opolskiego w Opolu,
• Instytut Technologii Materiałowych Politechniki Warszawskiej,

oraz niewielkie, inne zespoły z Politechniki Warszawskiej, Poznańskiej i Wrocławskiej.

Opis stanu prac i planów związanych z energetyką opartą na wykorzystaniu syntezy jądrowej (głównie w drugim z ww. kierunków) przedstawiony jest oddzielnie w rozdziale „Energetyka jądrowa" części II. Dlatego w bieżącym rozdziale omówione są tylko prace realizowane w ramach pozostałych kierunków. Ocenia się, że w badaniami plazmy (poza badaniami nad syntezą jądrową) zaangażowanych jest ok. 100 osób.

Ze względu na wiele kierunków badań i stosunkowo nieliczne zespoły badawcze, wymiana informacji i współpraca w skali krajowej jest utrudniona, co jest częściowo rekompensowane przez regularne Środowiskowe Seminaria Plazmowe, organizowane przez członków Sekcji Fizyki Plazmy Komitetu Fizyki PAN. W odstępach dwuletnich organizowane są również konferencje międzynarodowe PLASMA-XXXX, które umożliwiają dokonanie przeglądu stanu badań plazmowych w Polsce. Materiały z konferencji PLASMA-2005 zostały opublikowane jako monografia American Institu-te of Physics CP Vol. 812 (2006).

Najważniejsze osiągnięcia w ostatnich latach (z wyłączeniem drugiego z ww. kierunków) obejmują:

• nowe analizy teoretyczne procesów elementarnych w plazmie oraz komputerowe symulacje procesów plazmowych w różnych warunkach;
• nowe dane o dynamice wyładowań plazmowych typu Plasma-Focus (PF) i Z-Pinch, także dotyczące charakterystyk emisyjnych takich wyładowań oraz korelacji różnych rodzajów promieniowania elektromagnetycznego i korpuskularne-go plazmy;
• nowe dane eksperymentalne o oddziaływaniu wiązek laserowych z materią, m.in. zbadanie emisji szybkich jonów wielo-ładunkowych, które mogą być wykorzystane do akceleratorów, oraz ultra-szybkich protonów, które można wykorzystać do badań nad laserową syntezą inercyjną jako alternatywą syntezy z utrzymaniem magnetycznym w układach typu Tokamak;
• nowe dane o wyładowaniach mikrofalowych lub jarzeniowych, a także o różnych możliwościach ich wykorzystania m.in. w nowoczesnych technologiach;
• nowe informacje o wyładowaniach iskrowych i łukowych realizowanych w różnych warunkach oraz ich wykorzystaniu w technologii;
• nowe dane z analizy eksperymentów kosmicznych i liczne publikacje nt. zachowania plazmy w jonosferze, heliosferze, astrosferach i przestrzeni kosmicznej;
• opracowanie nowych lub udoskonalenie znanych metod diagnostycznych oraz opracowanie i zbudowanie wielu urządzeń badawczych, w tym w technologii satelitarnej;
• praktyczne wykorzystanie wyładowań quasi-stacjonarnych (np. do oczyszczenia spalin) oraz impulsowych (np. do wytwarzania strumieni plazmowo-jonowych służących do modyfikacji różnych materiałów).

Możliwości aplikacyjne zależą silnie od właściwości wytwarzanej plazmy. Stosując różne konfiguracje elektrod i dobierając warunki eksperymentalne można zoptymalizować parametry wytwarzanych strumieni plazmowych.
Wielkie nadzieje wiąże się obecnie z wykorzystaniem impulsów plazmowych do zmian struktury powierzchni metali, stopów, półprzewodników, ceramik, a także materiałów nadprzewodzących. W ostatnich latach wiele uwagi poświęcono wykorzystaniu wyładowań typu łukowego realizowanych w warunkach ultrawysokiej próżni. Wyładowania takie mogą służyć do nakładania bardzo czystych i cienkich pokryć, np. warstw Nb na powierzchnie wnęk akceleratorów RF, co pozwoli zmniejszyć znacznie koszty budowy takich urządzeń.
Szerokie zastosowania mogą mieć także wyładowania mikrofalowe lub jarzeniowe, np. do efektywnego oczyszczania spalin i gazów wylotowych z substancji toksycznych dla otoczenia. Techniki laserowe maja także zastosowania w technologiach materiałowych (źródła jonów promieniowania X dla modyfikacji materiałów, ablacyjne modyfikowanie powierzchni i inne). Z kolei miniaturowe układy PF mają zastosowanie jako intensywne źródła neutronowe do detekcji materiałów niebezpiecznych.
Oddzielny problem stanowi praktyczne wykorzystanie wyników badań plazmy realizowanych w kosmosie, np. do projektowania dobrych konstrukcji rakiet i satelitów, do przewidywania skutków zmian zachodzących w jonosferze itd.

Planowane główne kierunku badawcze odpowiadają kierunkom omówionym wyżej. Zachodzi konieczność stopniowego włączania różnych zespołów badawczych w duże programy międzynarodowe, które są organizowane i prowadzone pod auspicjami Unii Europejskiej lub w skali światowej. Należy tu wymienić na przykład program CARE, dotyczący badań związanych z projektowaniem i budową nowych akceleratorów cząstek naładowanych, programy międzynarodowe Europejskiej Agencji Kosmicznej, a także program SEMINANO (w ramach 6. Programu Ramowego UE), w którym polski zespół uczestniczy stosując laser impulsowy do implantacji jonów produkowanych laserem do implantacji w materiałach półprzewodnikowych celem wytwarzania nanokryształów półprzewodnikowych. Bardzo istotna jest możliwość udziału polskich specjalistów w projektach planowanych w ramach 7. Programu Ramowego. Wart podkreślenia jest fakt, że zbudowany w IFPiLM układ PF-1000 został włączony do europejskiej struktury badawczej (Structuring the European Research Area Research Infrastructure).
Aparatura pomiarowa używana w ww. ośrodkach badawczych i akademickich jest w znacznym stopniu przestarzała i wyeksploatowana. Można oceniać, że na wymianę i modernizację tej aparatury należałoby przeznaczyć przynajmniej ok. 20 milionów zł rocznie.

Potrzeby w zakresie kształcenia i rozwoju kadry - w Polsce nie prowadzono dotychczas regularnych studiów uniwersyteckich w dziedzinie fizyki plazmy. Sporadycznie organizowane seminaria i wykłady monograficzne nie gwarantują dopływu potrzebnej kadry. W rezultacie pracę zawodową rozpoczynają fizycy o innych specjalnościach, co miedzy innymi wydłuża cykl szkolenia doktorantów. Biorąc pod uwagę szeroki zakres i specyfikę badań plazmowych i występujące potrzeby kadrowe celowe jest zorganizowanie regularnych studiów w dziedzinie fizyki plazmy na wydziałach fizyki kilku uniwersytetów. Jednocześnie studia politechniczne winny dostarczyć absolwentów przygotowanych do rozwiązywania, we współpracy z fizykami, problemów konstrukcyjnych i technologicznych. Pewne dodatkowe możliwości szkolenia fizyków plazmowych stwarzają organizowane obecnie studia w zagranicznych ośrodkach badawczych i akademickich. Można ocenić, że w skali krajowej rozwój badań z dziedziny fizyki i technologii plazmy wymaga dopływu 10-15 fizyków rocznie.

4. METODY JĄDROWE W FIZYCE FAZY SKONDENSOWANEJ


Stan obecny
W Polsce w badaniach fazy skondensowanej wykorzystywane są głównie na-stępujące metody jądrowe:

• rozpraszanie neutronów termicznych (19 ośrodków, ok. 130 osób),
• rozpraszanie i pochłanianie promieniowania synchrotronowego (25 ośrodków, ponad 300 osób),
• spektrometria móssbauerowska (18 ośrodków, ok. 80 osób),
• anihilacja pozytonów (10 ośrodków, 27 osób),
• wykorzystanie wiązek jonowych i plazmowych do modyfikacji własności ciał stałych (5 ośrodków, ok. 20 osób),
• spektrometria komptonowska (5 ośrodków - 10 osób).

Ponadto istnieją niewielkie zespoły wykorzystujące technikę rotacji spinów mionowych, zaburzonych korelacji kątowych promieniowania gamma oraz metody mikroanalizy jądrowej (RBS/C, NRA, PIXE itd.) Podana wyżej liczba pracowników obejmuje jedynie pracowników naukowych lub naukowo-dydaktycznych. Liczba ośrodków, w których wymienionymi technikami posługuje się co najmniej 5 osób, wynosi 42.Największe osiągnięcia naukowe dotyczą krystalografii, badań struktury i dynamiki sieci kryształów molekularnych, metali i stopów oraz badań własności magnetycznych materii, w tym subtelnych efektów kwantowych. Prace, w których przebadano struktury krystaliczne i magnetyczne, w szczególności związków metali przejściowych, ziem rzadkich i aktynowców, są bardzo często cytowane w piśmiennictwie światowym i stanowią kanon literaturowy. W badaniach własności aktynowców Polska jest swoistym zagłębiem naukowym, podobnie jak w wytwarzaniu i badaniach własności półprzewodników półmagnetycznych, w tym o obniżonej wymiarowości, co ma istotne znaczenie dla rozwijającej się obecnie spinotroniki. Techniki móssbauerowska i anihilacji pozytonów są tradycyjnie stosowane do badania własności mikroskopowych materiałów o znaczeniu podstawowym i aplikacyjnym, jak kobaltyty i manganity. Ostatnim, znaczącym osiągnięciem było wykorzystanie techniki móssbauerowskiej do obrazowania holograficznego o atomowej rozdzielczości. Podobnie polską specjalnością stała się polarymetria móssbauerowska z wiązką spolaryzowaną kołowo, a także wyjaśnienie techniką móssbauerowska roli żelaza hemowego i niehemowego w procesie fotosyntezy w obrębie fotosystemu II c, czy opracowanie metody lokalizacji żelaza w ferrytynie. W zakresie badań techniką anihilacji pozytonów znaczącym osiągnięciem były pierwsze obserwacje tzw. hiperboli procesu anihilacji pozytonów w locie i stwierdzenie, że proces ten słabo zależy od liczby atomowej. Polską specjalnością stały się badania trybologiczne z wykorzystaniem technik pozytonowych. Teoretyczne i doświadczalne badania zjawiska transportu neutronów termicznych w niejednorodnych ośrodkach zaowocowały zaproponowaniem nowych metod oznaczania makroskopowego przekroju czynnego absorpcji neutronów termicznych, co ma istotne znaczenie dla określania np. zawartości wodoru/wody w ośrodkach skalnych. Uruchomienie w Świerku przy reaktorze MARIA stanowiska do radiografii neutronowej umożliwiło zbadanie zjawiska dyfuzji wody w materiałach porowatych i opracowanie modelowego opisu tego procesu. Warte odnotowania są też wyniki osiągnięte w badaniach strukturalnych białek i związków o znaczeniu biologicznym.

Z badań typowo aplikacyjnych na pierwsze miejsce wysuwają się prace przy użyciu wiązek jonowych i plazmowych. Ciągłe i impulsowe wiązki jonów znajdują szerokie zastosowanie w przemyśle i pozwalają na modyfikację własności powierzchniowych materiałów, jakości części trących maszyn i narzędzi używanych w przemyśle. Implantacja azotu i węgla do stali powoduje zmniejszenie współczynnika tarcia, zmniejszenie zużycia oraz wzrost mikrotwardości warstwy powierzchniowej. Do najważniejszych osiągnięć w tej dziedzinie można zaliczyć zademonstrowanie możliwości wykonania paneli krzemowych ogniw fotowoltaicznych wykonanych całkowicie techniką impulsowych wiązek plazmowych, poprawę zwilżalności składników złącz ceramika-metal oraz zademonstrowanie nadprzewodzących warstw dwu-borku magnezu otrzymanych metodą implantacji jonów i impulsowego przetopienia wiązką plazmy. Do znaczących osiągnięć należy zaliczyć też skonstruowanie monochromatycznego źródła promieniowania spolaryzowanego kołowo i uruchomienie stanowiska do badań metodą elektronów konwersji wewnętrznej z użyciem takiego źródła, opracowanie metody holografii promieniowania gamma z atomową rozdzielczością oraz opracowanie nieniszczącej metody badania zdefektowania warstwy wierzchniej wykorzystującej profile implantacji pozytonów.

Planowane główne tematy badawcze
W dziedzinie rozpraszania neutronów zamierzenia związane są wykorzystaniem naszego członkostwa (od 1 października 2006 r.) w Instytucie M. von Lau-ego - P. Langevina (ILL) w Grenoble (Francja). Równolegle utrzymywane będą starania o przydział czasu na wiązkach neutronowych w RAL w Anglii (źródło spalacyjne ISIS), Laboratorium Leona Brillouina w Saclay (Francja) oraz w Instytucie Hahn-Meitner w Berlinie (Niemcy). Ze względu na planowany remont reaktora IBR-2 czasowo wstrzymane zostaną eksperymenty neutronowe w ZIBJ w Dubnej. Planowana tematyka, to między innymi:

• wyznaczenie struktury krystalicznej i magnetycznej nowych związków międzymetalicznych na bazie pierwiastków d- i f-elektronowych oraz parametrów pola krystalicznego dla związków z cerem,
• określenie struktury krystalicznej i magnetycznej w polikrystalicznych oraz nano-krystalicznych materiałach tlenkowych wykazujących sprzężenie magnetoelektryczne. jak również badanie tych struktur w funkcji temperatury dla potrójnych związków międzymetalicznych na bazie pierwiastków grupy 3d wykazujących własności magnetokaloryczne oraz złożonych tlenków metali grupy 3d nadstruktur perowskitów,
• badanie struktury krystalicznej i magnetycznej w polikrystalicznych oraz nanokrystalicznych materiałach tlenkowych wykazujacych sprzężenie magnetoelektryczne,
• uzyskanie informacji o magnetycznym stanie podstawowym w niskich temperaturach, wzbudzeniach elementarnych oraz zmianie stanu podstawowego pod wpływem temperatury i zewnętrznego ciśnienia w związkach z silnie skorelowanymi elektronami,
• badanie reorientacji molekuł i ich fragmentów w powiązaniu z sytuacją fazową w kryształach molekularnych i ciekłych kryształach oraz badanie korelacji bliskiego zasięgu i własności polimerów (jonomerów) i ich blend,
• badanie struktury nanorurek węglowych domieszkowanych borem i azotem, jednościennych nanorurek węglowych, nanoproszków, substancji z wiązaniem wodorowym oraz badania neutronowe magnetyków molekularnych.

Promieniowanie synchrotronowe będzie wykorzystywane do badania gazów, cieczy, materiałów amorficznych i krystalicznych oraz do próbek biologicznych. Badania te dostarczą między innymi informacji o:

• lokalnej strukturze atomowej, strukturze krystalicznej i stopniu jej zdefektowania,
• walencyjnych, nie zapełnionych orbitach w wybranym atomie,
• procentowym udziale poszczególnych faz w materiałach wielofazowych, w tym kompozytach i ceramikach,
• anizotropii wiązań chemicznych wynikającej z anizotropii struktury krystalicznej, rozłożenia defektów czy intencjonalnie wprowadzonych domieszek, bądź z magnetycznych przemian fazowych,
• uporządkowaniu magnetycznym materiału oraz wielkości spinowego i orbitalnego momentu magnetycznego.

Realizacja powyższych tematów wymaga dostępu do ośrodków synchrotronowych, jak ESRF w Grenoble (w tym celu konieczny jest udział Polski w międzynarodowym Konsorcjum) czy w Europejskim Centrum Lasera na Swobodnych Elektronach (XFEL) w Hamburgu. Dyskutuje się również budowę Narodowego Centrum Synchrotronowego w Polsce (Kraków).

W dziedzinie badań móssbauerowskich planuje się następujące badania i współprace międzynarodowe:

• badanie właściwości fizycznych materiałów magnetycznych silnie anizotropowych typu R2Fe14B (R - pierwiastek ziem rzadkich),
• badanie wpływu wysokiego ciśnienia na parametry oddziaływań nadsubtelnych w związkach międzymetalicznych typu Ral2, w których atomy ziem rzadkich wykazują mieszaną wartościowość - wspólnie z Instytutem Wysokich Ciśnień RAN w Troicku (Rosja) oraz Zjednoczonym Instytutem Badań Jądrowych w Dubnej,
• badanie oddziaływań magnetycznych w materiałach nanoporowatych (nanodruty),
• badania cienkich warstw i materiałów masywnych przy użyciu spektroskopii elektronów konwersji CEMS (współpraca z Uniwersytetem w Koszycach na Słowacji oraz z Uniwersytetem w Sheffield w Wielkiej Brytanii),
• badania półprzewodników półmagnetycznych stwarzających perspektywy zastosowań w spinotronice, kontynuacja badań nad nowoczesnymi materiałami nano-krystalicznymi i stapianymi mechanicznie (współpraca z Uniwersytetem w Koszycach na Słowacji),
• badanie mikrostruktury masywnych stopów amorficznych i nanokrystalicznych, stali amorficznych, badania składu fazowego materiałów z magnetyczną pamięcią kształtu (udział w programie koordynowanym przez UNESCO, we współpracy z Białorusią),
• badania struktury atomowej i elektronowej związków Heuslera zawierających Fe i Sn, badania struktury atomowej i defektowej związków międzymetalicznych Fe-Al-X oraz badania właściwości proszków związków międzymetalicznych - współpraca z Uniwersytetem w Ołomuńcu (Czechy), z Uniwersytetem we Lwowie (Ukraina), z Uniwersytetem na Balearach (Hiszpania) i z Politechniką w Marsylii (Francja),
• badania związków międzymetalicznych ziemia rzadka - metal przejściowy,
• badania perowskitów typu (LaSr)n+1FenO3n+1 podstawianych metalami alkalicznymi, ziemiami rzadkimi oraz lantanowcami (współpraca z Instytutem Badań Jądrowych i Energetyki Jądrowej Bułgarskiej Akademii Nauk),
• badania nad materiałami szklistymi dla immobilizacji odpadów radioaktywnych i toksycznych,
• badania nanostruktury pokryć implantów biomedycznych (współpraca z Uniwersytetem w Kuopio, Finlandia oraz z Uniwersytetem w Mittelwerdzie, Niemcy),
• kontynuacja badań układów międzymetalicznych ziemia rzadka - metale przejściowe grupy d, tlenków metali przejściowych i cienkich warstw tlenków (nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe i materiały z dużym magnetooporem),
• badania rozkładów przestrzennych momentów magnetycznych w litych materiałach nieuporządkowanych,
• rozwinięcie technologii wytwarzania nanocząstek z powłokami powierzchniowo czynnymi,
• badania orientacji momentów magnetycznych w procesach magnesowania i przemagnesowywania w cienkich warstwach, wielowarstwach i nanocząstkach,
• wykorzystanie komplementarnych technik spektroskopii móssbauerowskiej, spektroskopii neutronowej, EXAFS, XANES, XMCD, |j-SR do badań niekolinearnych struktur magnetycznych.
• Planowana jest budowa laboratorium środowiskowego spektrometrii i polarymetrii móssbauerowskiej (pomiary polarymetryczne CEMS, pomiary polarymetryczne transmisyjne, cewki nadprzewodzące, monochromatyczne źródło promieniowania o polaryzacji kołowej lub liniowej) .

W dziedzinie anihilacji pozytonów planuje się prowadzenie między innymi następujących prac:

• badania zjawiska anihilacji pozytonów w locie, badania warstw wierzchnich powstałych w procesach zużycia, dla żelaza i tytanu i ich stopów, badania defektów powstałych podczas przepływu wysokich prądów,
• rozwój porozymetrii pozytonowej w badaniach materiałów nanoporowatych,
• zastosowanie metod anihilacji pozytonów do badań stanu zdefektowania odkształcanych metali, do badań polimerów, do ciśnieniowych i temperaturowych badań ośrodków molekularnych.
• Ośrodki wykonujące badania anihilacyjne współpracują z Uniwersytetem w Halle (Niemcy), z Uniwersytetem w Delft (Holandia), z KEK w Japonii oraz z ośrodkami belgijskimi, a także z ośrodkiem w Trento we Włoszech (wykorzystanie wiązki powolnych pozytonów).
• Planuje się także następujące duże inwestycje:
• dwa akceleratory powolnych pozytonów pozwalające implantować pozytony na głębokości ok. 1 mikrometra w celu badania stanu zdefektowania materiału na tych głębokościach, koincydencyjnego,
• dwa układy koincydencyjne spektrometrów poszerzenia dopplerowskiego linii ani-hilacyjnej,
• cyfrowy spektrometr czasów życia pozytonów,
• dwa spektrometry do pomiaru poszerzenia dopplerowskiego linii anihilacyjnej wy-korzystującego tylko jeden detektor.

W badaniach przy użyciu spektroskopii komptonowskiej planuje się:

• kontynuację dotychczasowych prac nad badaniem elementarnej struktury elektronowej i tworzenia się momentów magnetycznych w układach o interesujących własnościach transportowych (np. nadprzewodnikach) i magnetycznych,
• rozwijanie metod rekonstrukcji rozkładu gęstości pędów i topologii powierzchni Fermiego oraz rozwijanie teoretycznych metod wyznaczania struktury elektronowej.

Planuje się kontynuację współpracy z ośrodkami synchrotronowymi ESRF w Grenoble, Spring-8 w Japonii, Uniwersytetem w Warwick, Anglia, Northeastern University w Bostonie, USA oraz Uniwersytetem Paryż VI w Paryżu, Francja.
Do większych inwestycji należy zakup displeksu dostosowanego do badań komptonowskich oraz niezbędnej skraplarki azotowej pracującej w obiegu zamkniętym.

Prace z wykorzystaniem technik wiązek jonowych i plazmowych będą koncentrowały się wokół następujących zagadnień:

• innowacyjne metody modyfikacji warstwy wierzchniej materiałów do zastosowań konstrukcyjnych i biomedycznych,
• zbadanie procesów domieszkowania, wygrzewania defektów poimplantacyjnych, mechanizmów wytwarzania warstw izolacyjnych w półprzewodnikach szeroko-przerwowych,
• eksperymentalna weryfikacja modelu wielostopniowej akumulacji defektów radiacyjnych w materiałach; określenie mechanizmów prowadzących do kolejnych transformacji fazowych i struktury materiałów na kolejnych etapach transformacji,
• nieniszczące metody analizy własności strukturalnych materiałów,
• wykorzystanie wiązek jonowych i technologii impulsowego przetapiania wiązką plazmową do wytwarzania w materiałach warstw powierzchniowych zawierających nanowytrącenia oraz warstw nanokrystalicznych.
• Prace wykonywane są we współpracy z ZFR Rossendorf (Niemcy) oraz CSNSM Or-say, (Francja) i Uniwersytetem w Evry-Val d'Essonne (Francja).

Planowane są następujące większe inwestycje:

• dyfraktometr rentgenowski Brueker D8 Advance,
• implantator jonów o skupionej wiązce dla zastosowań w dziedzinie urządzeń elek-tronicznych i opto-elektronicznych,
• mikroskop sił atomowych.

Niezależnie od potrzeb poszczególnych grup, istnieje wyraźna potrzeba stworzenia bazy aparaturowej dla metod komplementarnych umożliwiających wytwarzanie nowych materiałów i określanie własności makroskopowych badanych związków. Jedną z takich inicjatyw jest stworzenie Ośrodka Spektroskopii Jądrowej Ciał Stałych na wschodniej ścianie Polski (UMCS i Politechnika w Lublinie, Uniwersytet w Białymstoku). Ośrodek taki prowadziłby prace technologiczne (wytwarzanie materiałów poli-i monokrystalicznych), charakteryzacyjne (własności magnetyczne, transportowe, cieplne, podstawowe dane strukturalne metodami neutronowymi i rentgenowskimi) oraz badawcze w zakresie struktury elektronowej materiałów (spektroskopia mós-sbauerowska, komptonowska, anihilacja pozytonów itp.). Planuje się także rozwinięcie badań móssbauerowskich o krótkożvciowe źródła wytwarzane w reaktorze. Istnieje także konieczność stworzenia laboratoriów, w których badania podstawowych własności magnetycznych, poprzedzające badania technikami jądrowymi, mogłyby być prowadzone w temperaturach milikelwinowych oraz pod wysokim ciśnieniem.

Możliwości aplikacyjne
Zastosowania rozpraszania neutronów - to badanie nanomateriałów, nowych materiałów na bazie pierwiastków d- i f-elektronowych, ciekłych kryształów (składniki mieszanin, z których produkuje się nowoczesne wyświetlacze i ekrany), polimerów i ich blend, transportu neutronów (zastosowania m.in. w geologii i przemyśle wydobywczym) oraz badania neutronowe w zastosowaniach do zagadnień przemysłowych, rolniczych, ekologii itp.
Badania prowadzone z wykorzystaniem promieniowania synchrotronowego również służą do charakteryzacji materiałów, zarówno stosowanych w przemyśle elektronicznym, jak i farmakologii oraz w diagnostyce medycznej. Na przykład w IF PAN prowadzone są badania zmierzające do opracowania technologii produkcji nowych materiałów stosowanych w diagnostyce i terapii raka (fotouczulacze na bazie porfiryny IX).

Badania móssbauerowskie mają szereg możliwości aplikacyjnych w dziedzinie spinotroniki, elektroniki i elektrotechniki, w przemyśle komputerowym (perowskity stosowane w głowicach magnetycznych), w badaniach warstw ochronnych, w medycynie (zastosowanie stopów z pamięcią kształtu, wykorzystanie wyników badań fe-porfiryn w technologii otrzymywania sztucznych zamienników krwi oraz w technologiach farmaceutycznych m.in. przy produkcji leków stosowanych w terapii chorób nowotworowych), w energetyce przyszłości (materiały magazynujące wodór), ekologii (perowskity służące jako membrany do separacji tlenu, unieruchamianie pierwiastków promieniotwórczych - problem przechowywania odpadów promieniotwórczych) i w monitoringu środowiska.

Technika anihilacji pozytonów i proponowane badania znajdują zastosowania w inżynierii powierzchni do oceny głębokościowego rozkładu defektów w skali atomowej powstałych np. w procesie produkcji materiału, odkształcenia plastycznego lub podczas ich tarcia i zużycia. Zastosowanie anihilacji pozytonów do badania półprzewodników jest szeroko stosowanie w identyfikacji strukturalnych defektów powstałych w procesie ich produkcji lub modyfikacji. Sukcesem techniki anihilacyjnej ostatnich lat jest stwierdzenie korelacji między czasem życia pozytonu a rozmiarem nanoporu, w którym następuje jego anihilacja. Tu anihilacja pozytonów, jako jedyna technika pozwala w prosty i nieniszczący sposób określić rozmiary nawet zamkniętych nano-porów lub tzw. objętości swobodnych w polimerach. Daje to możliwość przemysłowych zastosowań dla badań materiałów o niskiej przenikalności dielektrycznej.

Metody oparte na wykorzystaniu wiązek jonów nie wymagają specjalnego przygotowanie detali do obróbki. Proces prowadzony jest w temperaturze zbliżonej do pokojowej i nie wprowadza zmian własności rdzenia materiału, nie pociąga za sobą żadnych zmian w technologii wytwarzania detali. Istniejące wyposażenie (zbudowany w IPJ w Świerku półprzemysłowy implantator jonów) pozwala na obróbkę elementów o wymiarach do 30x50 cm lub obiektów o długości do 1 metra i średnicy do 10 cm. W najbliższym czasie planowana jest dalsza rozbudowa tego urządzenia i dostosowanie go do modyfikacji polimerów. Zespół IPJ-ITME posiada wieloletnie doświadczenie w kontaktach przemysłowych, implantator w Świerku wykorzystywany jest do modyfikacji własności narzędzi (głównie narzędzi skrawających na potrzeby przemysłu łożyskowego). Z kolei w IF UMCS implantator o energii 300 keV wykorzystywany jest do zmian właściwości materiałów półprzewodnikowych, porowatego krzemu oraz poprawy właściwości trybologicznych stali i stopów. Techniki implanta-cyjne będą służyły również poprawie technologii złącz ceramika-metal, a także pokrywaniu endoprotez warstwami diamentopodobnymi.
Badania techniką spektroskopii komptonowskiej są typowymi badaniami pod-stawowymi, a ich ewentualne bezpośrednie przełożenie na zastosowania dotyczą pomocy w zrozumieniu głównie własności magnetycznych i transportowych fazy skondensowanej.

Potrzeby w zakresie kształcenia i rozwoju kadry
We wszystkich wymienionych wyżej dziedzinach potrzebne jest zachęcenie większej liczby studentów do podejmowania studiów magisterskich, a następnie doktoranckich. Zachęcanie to będzie skuteczne wtedy, gdy powstaną realne możliwości zatrudnienia ludzi kończących takie studia. Można ocenić, że w przypadku członkostwa Polski w obydwu organizacjach ILL i EDSRF, roczne zapotrzebowanie na nowych pracowników będzie wynosiło ok. 10 magistrów i 10 doktorów, przy czym liczba ta wzrośnie po uruchomieniu polskiego synchrotronu.

5. CHEMIA JĄDROWA I RADIACYJNA

Stan obecny
Chemia radiacyjna uprawiana jest obecnie głównie w dwóch ośrodkach (IChTJ - Instytut Chemii i Techniki Jądrowej w Warszawie i MITR - Międzyresortowy Instytut Techniki Radiacyjnej Politechniki Łódzkiej) przez łącznie 75 pracowników i 16 doktorantów. Największymi osiągnięciami tych zespołów było:

• zbudowanie dwóch systemów akceleratorowej analizy impulsowej,
• uruchomienie dwóch stacji sterylizacji sprzętu medycznego (jeden akcelerator 10 kW - 9/13 MeV i jeden akcelerator 10 kW - 10 MeV),
• uruchomienie stacji obróbki polimerów (akcelerator 20 kW, 2 MeV),
• uruchomienie stacji obróbki żywności (akceleratory 10 kW, 10 MeV i 1 kW, 10
• MeV),
• zbudowanie pilotowej instalacji usuwania SO2 i NOx z gazów spalinowych w Elektrociepłowni Kawęczyn (dwa akceleratory 50 kW, 700 keV) i udział w budowie instalacji przemysłowej (cztery akceleratory - 270 kW, 700 keV) w elektrociepłowni Pomorzany w Szczecinie,
• uruchomienie technologicznego źródła gamma małej mocy.

Wdrożone technologie, to:

• sterylizacja radiacyjna (IChTJ i MITR),
• wytwarzanie rur i taśm termokurczliwych z pamięcią kształtu (IChTJ),
• wytwarzanie opatrunków hydrożelowych (MITR),
• modyfikacje struktur półprzewodnikowych (IChTJ),
• radiacyjne utrwalanie żywności,
• usuwanie SO2 i NOx z gazów spalinowych elektrowni (IChTJ + przemysł i współpraca międzynarodowa).

Utworzono dwa laboratoria akredytowane dozymetrii przemysłowej oraz kontroli na-promieniowanej żywności (oba IChTJ).

Chemia jądrowa i radiochemia, w tym radioekologia, radiochemiczne metody rozdzielcze, chemia radiofarmaceutyczna oraz jądrowe metody analityczne uprawiane są w ok. 10 ośrodkach przez ok. 200 pracowników i 40 doktorantów, przy czym za najważniejsze osiągnięcia można uznać:

• zastosowanie metod NAA do analizy meteorytów i dzieł sztuki,
• opracowanie różnych technik XRF i PIXE w zastosowaniu do analizy materiałów geologicznych, biologicznych (w tym tkanek ludzkich) i przemysłowych (ultraczyste półprzewodniki, farmaceutyki itp.), w tym badania w mikroobszarze,
• opracowanie materiałów odniesienia do analizy śladowej próbek środowiskowych,
• opracowanie sorbentów nieorganicznych selektywnych względem radionuklidów cezu, strontu, sodu i radu,
• opracowanie metod oznaczania radionuklidów w próbkach środowiskowych i żywności - organizowanie porównań laboratoryjnych,
• opracowanie i wdrożenie instalacji membranowej do zatężania odpadów promieniotwórczych,
• opracowanie chemicznej metody dekontaminacji elementów stalowych reaktora jądrowego, wdrożonej w procesie likwidacji reaktora EWA w Świerku,
• opracowanie metod otrzymywania radionuklidów dla medycyny nuklearnej (np. 177Lu, generator 188W-188Re) i prekursorów nowych radiofarmaceutyków.

Planowane główne tematy badawcze
Chemia i technologie radiacyjne
Największym planowanym przedsięwzięciem, zgłoszonym przez MITR i IChTJ, jest budowa centrum obróbki radiacyjnej wyposażonego w akcelerator 150 kW, 10 MeV i źródło technologiczne 60Co (1 MCi). Ponadto planuje się:

• rozwijanie technologii produkcji materiałów polimerowych oraz oczyszczania gazów przemysłowych z VOC,
• określenie znaczenia procesów wolnorodnikowych w układach biologicznych, polimerowych oraz nano- i mezoporowatych, a w szczególności:
•      •    poznanie mechanizmów reakcji rodnikowych inicjowanych promieniowaniem jonizującym w układach związków o znaczeniu biologicznym z możliwością wykorzystania uzyskanych wyników przy opracowaniu określonych farmaceutyków, podniesienia jakości życia poprzez poznanie mechanizmów procesów starzenia, poznanie patologii wielu stanów chorobowych (choroba Alzheimera, Parkinsona),
•      •    ocena procesów z udziałem rodnikowych produktów przejściowych gene-rowanych radiacyjnie w fazie stałej ze szczególnym uwzględnieniem polimerów naturalnych i syntetycznych oraz w układach nano- i mezoporowa-tych z możliwością wykorzystania uzyskanych wyników do optymalizacji budowy i składu materiałów przewidzianych do stosowania jako impalnty medyczne w chirurgii rekonstrukcyjnej i zabiegowej, bankach tkanek oraz dozymetrii stosowanej w technologiach radiacyjnych,
• poznanie mechanizmów oddziaływania promieniowania jonizującego w materiałach jako podstawy opracowania metod ich radiacyjnej modyfikacji, a w szczególności:
•      •    wykorzystanie metod radiacyjnych do sieciowania i szczepiania polimerów praeznaczonych do celów medycznych, takich jak podłoża do hodowli tkanek oraz implantów medycznych,
•      •    zastosowanie modyfikacji radiacyjnej w procesie wytwarzania nanomate-riałów i kompozytów polimerowych w celu poprawy ich parametrów użytkowych poprzez optymalne kształtowanie ich składu domieszkowego i ko-polimerowego oraz uzyskanie nowych, unikalnych własności tych materiałów,
•      •    zastosowanie modyfikacji radiacyjnej materiałów półprzewodnikowych ze szczególnym uwzględnieniem węglika krzemu dla poprawy parametrów użytkowych nowej klasy wyrobów półprzewodnikowych opartych na węgliku krzemu,
•      •    badanie procesów radiacyjnej degradacji materiałów z rozpoznaniem roli wielkości gniazd jonizacyjnych ze szczególnym uwzględnieniem polimerów przeznaczonych do zastosowań w energetyce jądrowej oraz recyklingu materiałów.

Chemia jądrowa i radiochemia, w tym radioekologia, radiochemiczne metody rozdzielcze, chemia radiofarmaceutyczna i jądrowe metody analityczne:
Największym przedsięwzięciem będzie budowa miniaturowego reaktora dla celów neutronowej analizy aktywacyjnej. Po uruchomieniu programu energetyki jądrowej szczególne znaczenie uzyskają tematy dotyczące chemicznych aspektów tej energetyki i radioekologii, ukierunkowane na zwiększenie bezpieczeństwa w elektrowniach jądrowych i składowiskach odpadów promieniotwórczych, których realizacja przewidywana jest juz w ramach rozpoczynającego się 7 Programu Ramowego UE w części Euratom. Tematy te obejmują między innymi:

• hydrometalurgiczne metody rozdzielania aktynowców i lantanowcowych produktów rozszczepienia,
• opracowanie nieorganicznych selektywnych sorbentów radionuklidów i ich za-stosowanie do dekontaminacji ciekłych odpadów promieniotwórczych,
• oczyszczanie ciekłych odpadów promieniotwórczych metodami hybrydowymi - ultrafiltracja sprzężona z kompleksowaniem i sorpcją radionuklidów,
• badanie mechanizmów reakcji chemicznych produktów radiolizy w zależności od ciśnienia i temperatury.
• Ponadto planuje się między innymi:
• dalszy rozwój prac mających na celu opracowanie i wdrożenie nowych radio-farmaceutyków ze szczególnym uwzględnieniem preparatów wykorzystywanych w diagnostyce PET,
• rozwój metod izotopów środowiskowych (stałych i promieniotwórczych) w badaniach cyklów pierwiastków i wpływu źródeł antropogenicznych na ich stężenie oraz obieg w przyrodzie,
• doskonalenie metod radiometrycznych w kierunku miniaturyzacji analizowanego materiału oraz zwiększenia czułości i precyzji oznaczeń.

Wszystkie powyższe tematy będą realizowane w ścisłej współpracy z wiodącymi ośrodkami zagranicznymi.

Możliwości aplikacyjne
Zastosowania praktyczne opracowywanych metod chemii jądrowej i radiacyjnej obejmują przede wszystkim:

• usługi radiacyjne Centrum Badań i Technologii Radiacyjnych (odbiorcy: przemysł materiałów medycznych, przemysł polimerowych materiałów instalacyjnych, przemysł rolniczy),
• opracowanie i wdrożenie do praktyki medycznej nowych generatorów radionuklidów oraz metod otrzymywania radionuklidów terapeutycznych i diagnostycznych (beznośnikowych),
• opracowanie i wdrożenie nowych hydrożeli i nanożeli (dla przemysłu materiałów medycznych i przemysłu spożywczego),
• opracowanie i wdrożenie nowych technik analitycznych dla izotopowego monitoringu środowiska i monitoringu skażeń radioaktywnych,
• opracowanie i wdrażanie nowoczesnych technologii przetwarzania odpadów niebezpiecznych, w tym radioaktywnych,
• opracowanie i wdrożenie nowych metod analizy.

Ocena potrzeb w zakresie kształcenia oraz rozwoju kadry.
Postuluje się następujące działania:

• wprowadzenie zajęć dydaktycznych z zakresu radiochemii i chemii jądrowej (obli-gatoryjnych w ramach standardów nauczania oraz fakultatywnych) na kierunkach studiów: chemia, medycyna nuklearna, ochrona środowiska, biologia i ekologia,
• wprowadzenie studiów podyplomowych z radiochemii i chemii jądrowej dla nauczycieli oraz pracowników jednostek i urzędów zajmujących się bezpieczeństwem jądrowym, ochroną radiologiczną i wdrażaniem energetyki jądrowej,
• stworzenie nowego, międzyuczelnianego kierunku studiów - Inżynieria Biomedyczna, jako wspólnej inicjatywy Politechniki Łódzkiej i Uniwersytetu Medycznego (nabór rozpocznie się w 2007 r.), przy czym jednym z głównych zadań nauczania będzie kształcenie wykwalifikowanej kadry dla potrzeb diagnostyki i radioterapii,
• utworzenie studiów w dziedzinie techniki radiacyjnej, regularnych lub indywidualnych, prowadzonych w języku angielskim, w oparciu głównie o kadrę MITR i dotychczasowe doświadczenia z podobnymi studiami prowadzonymi po polsku (Wydział Chemiczny PŁ),
• kontynuowanie studiów doktoranckich z chemii radiacyjnej i jądrowej w IChTJ i zorganizowanie podobnych studiów na UW, UG, MITR PŁ i in. Programy tych studiów winny być zgodne z przyjętymi kierunkami badań i strategią gospodarczego rozwoju kraju.

6. ENERGETYKA JĄDROWA

I. Energetyka oparta na reakcji rozszczepienia jądra atomowego

Stan obecny
Do końca roku 1990, przed przerwaniem programu energetyki jądrowej w Polsce, liczebność pracowników zajmujących się tą dziedziną, instytucje zaangażowane i programy edukacyjne w tym zakresie całkowicie odbiegały od stanu obecnego. Decyzja o zaniechaniu budowy elektrowni jądrowej w Żarnowcu (i następnych) spowodowała przede wszystkim zlikwidowanie podstaw finansowania programów, a więc zamieranie wielu programów badawczych, rozproszenie kadry i likwidację kierunków nauczania. Niektórzy polscy specjaliści znaleźli zatrudnienie w ośrodkach zagranicznych, ale raczej nie są zainteresowani podjęciem odpowiedniej tematyki w Polsce.
Obecnie kilka ośrodków badawczych deklaruje zainteresowanie tematyką energetyki jądrowej i technik reaktorowych. Są to:

• Instytut Energii Atomowej w Świerku,
• Instytut Chemii i Techniki Jądrowej w Warszawie,
• Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie,
• Uniwersytet Warszawski,
• Politechnika Warszawska,
• Politechnika Śląska,

przy czym liczba pracowników naukowych i naukowo-technicznych oraz doktorantów zajmujących się tą tematyką prawdopodobnie nie przekracza 50 osób (znaczna liczba pracowników wkrótce osiągnie wiek emerytalny).
Do największych osiągnięć w ostatnim czasie można zaliczyć:

•  realizowane w ramach szóstego Programu Ramowego Euratomu:
•      •    eksperyment MUSE do weryfikacji obliczeń transportu neutronów w układach podkrytycznych; (AGH),
•      •    wstępne studium projektowe eksperymentalnego prototypu systemów sterowanych akceleratorem XADS; (AGH),
• wdrożenie do bazy „NEA OECD Nuclear Data Bank" programu służącego do analizy cykli paliwowych i transmutacji - Monte Carlo Burnup Code - MCBC; (AGH),
• prace nad transportem neutronów w układach unieszkodliwiania odpadów jądrowych - Pu i aktynowców (w ramach funduszu Marii Curie, we współpracy z BNL);
• (AGH),
• prace nad unieszkodliwianiem wysokoaktywnych odpadów promieniotwórczych w układach z akceleratorowym źródłem neutronów; (AGH, IEA),
• badania modelowe wariantu energetyki jądrowej z cyklem torowo-uranowym;
• (AGH, IEA).

W tematyce energetyki jądrowej i fizyki reaktorów niesłychanie istotną rolę odgrywa współpraca międzynarodowa. Polskie ośrodki w takiej współpracy realizują następujące projekty w ramach VI PR EURATOM:

• EUROTRANS; zintegrowany projekt badań nad systemami ADS do transmutacji odpadów promieniotwórczych; (AGH),
• ELSY; projektowanie europejskiego reaktora krytycznego, chłodzonego ołowiem, do wypalania plutonu oraz aktynowców; (AGH),
• PUMA; projektowanie reaktora krytycznego chłodzonego helem do wypalania plutonu oraz aktynowców; (AGH),
• MYRRHA; (IEA),
• UROPART; (IChTJ),
• (dwa ostatnie programy, podobnie jak wymieniony poniżej program realizowany w ZIBJ, dotyczą reaktora podkrytycznego współpracującego z akceleratorem oraz problematyki transmutacji odpadów promieniotwórczych)

lub właśnie inicjują:
• RAPHAEL; projekt reaktora wysokotemperaturowego do produkcji wodoru; (Konsorcjum „Wysokotemperaturowy Reaktor Jądrowy w Polsce"),

oraz w ramach umów międzynarodowych:
• ELEKTROJAD; (ZIBJ w Dubnej).

Współpraca prowadzona jest z takimi instytucjami zagranicznymi, jak JRC w Petten (Holandia), AREVA (Francja), ANSALDO, CIEMAT i ENEA (Włochy), FZJ, FZK i SIEMENS (Niemcy) i innymi.

Planowane główne tematy badawcze
Planowane badania zostały zdominowane przez trzy zagadnienia:

• rozwój energetyki jądrowej w Polsce, przy czym elektrownie jądrowe (generacji III) mają być istotnym czynnikiem w polskim bilansie elektroenergetycznym,
• przygotowanie infrastruktury badawczo-technicznej i edukacyjnej dla polskiej energetyki jądrowej,
• reaktory jądrowe jako źródło ciepła wysokotemperaturowego dla chemicznej przeróbki węgla i ewentualnie dla bezemisyjnej produkcji wodoru (i tlenu).

Zakres i tematyka prac objętych dwoma pierwszymi zagadnieniami zależy przede wszystkim od decyzji polityków polskich wobec rozwoju krajowej energetyki jądrowej, aczkolwiek niektóre tematy badawcze i ich praktyczne wdrożenia są raczej związane z energetyką jądrową w naszym regionie (zagadnienia bezpieczeństwa reaktorów i rozprzestrzeniania się izotopów promieniotwórczych w środowisku). Planuje się podjęcie w najbliższym czasie następujących tematów, w tym we współpracy międzynarodowej (niektóre zagadnienia są kontynuacją prowadzonych obecnie badań):

• udział w programach dotyczących:
•      •    projektów niektórych reaktorów nowych generacji,
•      •    możliwości wykorzystania cyklu torowo-uranowego w reaktorach,
•      •    uzupełniania i poprawy jakości danych jądrowych,
•      •    technologii reaktorów wysokotemperaturowych w zastosowaniu do produkcji energii elektrycznej, chemicznej przeróbki węgla i produkcji wodoru, a w tym między innymi wytwarzania i testowania materiałów konstrukcyjnych i paliw do reaktorów wysokotemperaturowych,
•      •    zastosowania podkrytycznych układów sterowanych akceleratorem do transmutacji wypalonego paliwa jądrowego,
•      •    hydrometalurgicznych metod rozdzielania aktynowców i lantanowcowych produktów rozszczepienia w procesie przerobu wypalonego paliwa jądrowego,
• metody obliczeniowe do symulacji fizyki reaktorów i projektowania systemów jądrowych,
• selektywne nieorganiczne sorbenty radionuklidów i ich zastosowanie do dekontaminacji ciekłych czynników technologicznych i odpadów promieniotwórczych w elektrowniach jądrowych.
• W razie podjęcia decyzji o uruchomieniu w Polsce programu energetyki jądrowej, niezależnie od programów przygotowania i kształcenia kadry, będzie trzeba podjąć programy umożliwiające:
• uruchomienie programów badawczo-rozwojowych ukierunkowanych na rozwiązywanie praktycznych problemów związanych z polskimi elektrowniami jądrowymi, w tym z gospodarką odpadami promieniotwórczymi i wypalonym paliwem jądrowym,
• dalszy i pełniejszy (tematycznie) udział polskich zespołów badawczych (fizyków, chemików, metaloznawców, elektroenergetyków i innych) w międzynarodowych programach badawczych.
• Przed podjęciem decyzji o polskim programie energetyki jądrowej celowym wydaje się podjęcie tematów (żaden z obecnie zaangażowanych w problematykę jądrową zespołów badawczych nie deklarował takich planów) związanych z:
• ekspertyzą w sprawie wyboru typu pierwszych elektrowni jądrowych w Polsce oraz ich lokalizacji („siting"), z uwzględnieniem również czynników bezpieczeństwa jądrowego i ochrony radiologicznej,
• kompleksowym planem zagospodarowania odpadów promieniotwórczych i wypalonego paliwa z polskich elektrowni jądrowych.

Szereg ośrodków w Polsce planuje podjęcie programów szkolenia kadr dla przyszłej polskiej energetyki jądrowej. W szczególności Instytut Energii Atomowej w Świerku zamierza, we współpracy (głównie) z Uniwersytetem Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie, uruchomić Centrum Szkolenia i Treningu, wyposażone między innymi w symulatory reaktora badawczego MARIA i reaktora energetycznego, jak również w pełny zestaw stosownej aparatury dozymetrycznej. Inne ośrodki badawcze planują uruchomienie studiów doktoranckich i kursów o tematyce w nich uprawianej, natomiast szereg ośrodków akademickich planuje uruchomienie, w niektórych przypadkach we współpracy z ośrodkami badawczymi (np. porozumienie AGH - IFJ PAN w Krakowie) lub odtworzenie niegdyś tam istniejących kierunków studiów, studiów podyplomowych i studiów doktoranckich. Wydaje się, że przed podjęciem przez różne ośrodki programu szkolenia kadr dla przyszłej energetyki jądrowej należałoby przeprowadzić studium określające ilościowe zapotrzebowanie na wyspecjalizowane kadry, potrzebne specjalności, a także określające optymalną organizację szkolenia.

W środowisku atomistyki powstały ostatnio bardziej lub mniej formalne struktury badawcze, w tym tak zwane Konsorcja, jak również propozycje utworzenia nowych ośrodków „Infrastruktury Badawczej z planowanym dofinansowaniem z Funduszy Strukturalnych UE", w ramach programu „Innowacyjna Gospodarka". W szczególności, w związku z tematyką dotyczącą wykorzystania jądrowego reaktora wysokoenergetycznego dla produkcji energii elektrycznej, chemicznej przeróbki węgla i produkcji wodoru, powstało konsorcjum (i projekt ośrodka Infrastruktury Badawczej) pod nazwą „Wysokotemperaturowy Reaktor Jądrowy w Polsce". Na podkreślenie zasługuje fakt, że w programy te zamierzają zaangażować się, poza ośrodkami jądrowymi, również ośrodki związane z klasyczną karbochemią.
Niezależnie od dyskusji na temat problematyki budowy i wykorzystania jądrowych reaktorów wysokotemperaturowych w Polsce, ostatnio pojawiły się głosy dotyczące podjęcia na szerszą skalę tematu reaktora opartego na cyklu torowo-uranowym. Należy przy tym podkreślić, że zarówno tematyka reaktorów wysokotemperaturowych, jak i wspomniana koncepcja reaktorów z wykorzystaniem cyklu toro-wo-uranowego, nie stanowi konkurencji dla programu budowy elektrowni jądrowych w Polsce, istotnego z punktu widzenia znaczącego uzupełnienia bilansu elektroenergetycznego kraju. Przeciwnie - trudno wyobrazić sobie realne (finansowo, kadrowo) zaangażowanie naszych ośrodków naukowych i przemysłowych w takie badania bez istniejącego w kraju sektora energetyki jądrowej.

Uruchomienie w Polsce projektu badawczego związanego z wysokotemperaturowym reaktorem jądrowym lub z reaktorami bazującymi na cyklu torowo-uranowym powinno oznaczać również budowę reaktora badawczego małej mocy opartego na badanej technologii, choć można sobie również wyobrazić wykorzystanie na etapie badań doświadczeń nabytych uprzednio (dawna współpraca Polski z FZJ w Julich) lub współpracy z ośrodkami zagranicznymi i rozpoczęcie prac polskich od budowy instalacji przemysłowych (których koszty winny być liczone w miliardach euro). Jednocześnie jedyny pracujący w Polsce reaktor badawczy MARIA będzie ostatecznie wyłączony z eksploatacji w latach 2020-2025, co oznacza konieczność wybudowania i uruchomienia w tym czasie nowego reaktora badawczego. Jego istnienie wydaje się bezwzględnie konieczne dla produkcji radioizotopów, dla szkolenia i dla eksperymentów badawczych, przy czym trudno sobie wyobrazić kraj uruchamiający ambitny program energetyki jądrowej bez posiadania reaktora badawczego. Reaktor taki, wykorzystywany dla szerokich celów, mógłby być reaktorem opartym na wspomnianych wyżej nowych technologiach.

Potrzeby w zakresie kształcenia i rozwoju kadry
Potrzeby kadrowe w przypadku uruchomienia polskiego programu jądrowego zostały wstępnie scharakteryzowane powyżej, przy czym zagadnienie to będzie wymagało podjęcia stosownych decyzji na najwyższym szczeblu. Zaniechanie programu energetyki jądrowej w Polsce i obserwowane w Europie w latach 80. i 90. odchodzenie od tej opcji energetycznej spowodowały nie tylko rozproszenie specjalistów, ale również likwidację kierunków kształcenia, kierunków dyplomowania i tematów zajęć dydaktycznych związanych z energetyką jądrową (również likwidację specjalistycznego szkolnictwa średniego). Dla utrzymania odpowiedniego poziomu kompetencji społeczeństwa polskiego w tym zakresie niezbędne wydaje się:

• wprowadzenie (przywrócenie) tematyki jądrowej w programach fizyki, chemii i przedmiotów inżynierskich,
• uruchomienie (przywrócenie) na wyższych uczelniach kierunków (specjalności) nauczania związanych z energetyką jądrową,
• uruchomienie studiów podyplomowych i doktoranckich w tej tematyce, w tym również dla kandydatów reprezentujących specjalności inżynierskie (metalurgowie, ciepłownicy, elektrycy, mechanicy i inni),
• uruchomienie odpowiednich programów stypendiów i staży zagranicznych,
• uruchomienie szerokiego programu edukacji i informacji społecznej w zakresie podstaw, wykorzystywania i zagrożeń pochodzących od technologii jądrowych.

Należy również opracować mechanizmy stwarzające zachętę dla kandydatów do podejmowania wybranych kierunków kształcenia (stypendia fundowane?).
Przystąpienie Polski do programu energetyki jądrowej oznaczać będzie ko-