Дубна, осень 2011: пуск «прирученной атомной бомбы» – импульсного реактора на быстрых нейтронах
Ольга Баклицкая-Каменева.
В декабре 2006 года в Дубне был остановлен реактор ИБР-2. Но не потому, что он вышел из строя или наша страна сворачивает разработки в атомной энергетике, как некоторые европейские страны после страшной трагедии на Фукусиме. «Наш реактор был запущен в середине 1980-х. Сейчас его оборудование заменили в соответствии с новыми российскими стандартами, которые полностью соответствуют стандартам МАГАТЭ», – сообщил директор Лаборатории нейтронной физики Александр Белушкин. На заключительном этапе энергетического пуска 12 октября 2011 года в 14.34 реактор ИБР-2 достиг номинальной мощности 2 МВт. В ОИЯИ заработал обновленный исследовательский реактор, для проведения экспериментов на котором уже собралась завидная очередь из ученых разных стран.
Немного истории
Сотрудникам ОИЯИ потребовалось около пяти лет, чтобы воплотить идеи Дмитрия Ивановича Блохинцева и полвека назад запустить первый реактор на быстрых нейтронах ИБР-1, открыв тем самым новую страницу научных исследований в знаменитом институте ядерных исследований. Накопленный опыт строительства и эксплуатации таких реакторов, а в институте их было три – ИБР, ИБР-30 и ИБР-2, помог за такой же небольшой срок подготовить и реализовать принципиальные технические решения по модернизации реактора ИБР-2, существенно улучшающие его эксплуатационные характеристики.
Реактор предназначен для изучения взаимодействия нейтронов с атомными ядрами. С помощью пучка нейтронов можно изучать возникающие ядерные реакции, возбуждение ядер, их структуру, то есть свойства самых разных веществ, решая при этом не только сугубо научные, но и некоторые прикладные задачи. Посмотрим, на каких принципах основана его работа.
Как рассказывал сам академик Д. И. Блохинцев в своей книге [Рождение мирного атома. М., Атомиздат, 1977], в разработке теории реактора ИБР приняли участие исследователи Физико-энергетического института им. А. И. Лейпунского (ГНЦ РФ-ФЭИ). Они придумали устройство небольшой мощности, в котором короткими импульсами «зажигается» управляемая цепная реакция, или маленькие «ядерные взрывы» с выбросом нейтронов, во время которых можно проводить измерения. Блохинцев предложил конструкцию реактора с двумя активными зонами – неподвижной на статоре и быстро вращающейся на роторе. Реактор переходит в сверхкритическое состояние, вызывающее цепную реакцию деления, когда ротор быстро проскакивает мимо статора, и в нём на мгновение развивается мощная цепная реакция, затухающая с удалением ротора. Такую «атомную минибомбу» и удалось приручить в Дубне (рис. 1).
Из реактора вылетают нейтроны разных энергий, от медленных тепловых до быстрых, рождающихся сразу после процесса деления. Выполняя растянутые во времени (метод измерений по времени пролета) измерения с определенной порцией нейтронов, можно отличать ядерные события, происшедшие первыми (с быстрыми нейтронами) и последними (с медленными). Для превращения нейтронов в удобный инструмент для исследований, исследователи провели огромную работу по созданию импульсного реактора.
«Наш реактор ИБР-2 начал работу в 1984 году. В 2006 году, без всяких замечаний к работе, мы его остановили – таковы эксплуатационные правила. Когда заканчивается некий установленный проектом ресурс, независимо от состояния оборудования и наличия или отсутствия признаков деградации, мы обязаны его менять или продлить его работу, применяя установленные процедуры. В частности, достигли установленных пределов выгорание топлива и накопленный конструкциями активной зоны флюенс* нейтронов», рассказывает главный инженер Лаборатории нейтронной физики Александр Виноградов. – Такие пределы на этапе проектирования закладывают главный конструктор и генеральный проектировщик реактора. В данном случае это Научно-исследовательский и конструкторской институт энерготехники им. Н. А. Доллежаля (ОАО «НИКИЭТ») и специализированный проектный институт «ГСПИ». Помимо этого в программе модернизации, которая продолжалась около десяти лет, приняли участие ОИЯИ, Всероссийский научно- исследовательский институт неорганических материалов им. А. А. Бочвара (ФГУП ВНИИНМ), ПО «Маяк» и другие предприятия и организации атомной отрасли». Обновлённый реактор станет работать до 2035 года. Предполагается, что ученые из более чем 30 стран будут ежегодно проводить на нём более 100 экспериментально-исследовательских работ.
Модернизированный реактор
После остановки ИБР-2 сотрудники Лаборатории нейтронной физики и других подразделений ОИЯИ занялись разработкой, проектированием, сборкой и отладкой всех важных узлов для модернизированного реактора. Корпус реактора, внутрикорпусные и околореакторные устройства, систему электропитания, электронную аппаратуру системы управления и защиты реактора и контроля технологических параметров изготовили заново согласно современным требованиям. В реконструкцию реактора было вложено 11 миллионов долларов.
В конце июня 2011 года в ОИЯИ состоялось заседание Государственной приёмочной комиссии по определению готовности к энергетическому пуску модернизированного реактора ИБР-2. Комиссия подписала акт о готовности к энергетическому пуску реактора, который последовал за физическим пуском реактора (подобных пусков исследовательских реакторов в России не было около двадцати лет). По результатам энергетического пуска Ростехнадзор выдает лицензию на использование реактора.
После модернизации реактора изменилось очень многое. Во-первых, у ИБР-2 стала компактней активная зона – шестигранная призма небольшого объёма, примерно на 22 литра. Она помещена в цилиндрический корпус реактора высотой около семи метров в двойной стальной оболочке. Максимальная плотность потока нейтронов в импульсе в центре активной зоны достигает огромного значения – 1017 на квадратный сантиметр в секунду. Поток уходящих из активной зоны нейтронов пространственно разделяется на 14 горизонтальных пучков для проведения научных экспериментов (рис. 2).
В модернизированном ИБР-2 в полтора раза увеличена глубина выгорания топливных элементов реактора, выполненных из таблеток двуокиси плутония (PuO2). Плутоний в качестве основы для ядерного топлива – весьма редкий материал, в исследовательских реакторах обычно используют урановые композиции. В случае ИБР-2 используется существенное преимущество плутония в сравнении с ураном: запаздывающая доля нейтронов – важная характеристика качества нейтронного источника – для плутония в три раза меньше, чем для урана, следовательно, радиационный фон между основными импульсами, меньше. Высокая плотность нейтронов в импульсе, длительная кампания активной зоны (за счет импульсного режима работы) позволяет отнести модернизированный ИБР-2 к лидирующей в мире группе нейтронных источников.
Отличительная особенность реактора ОИЯИ – способность генерировать импульсы нейтронов с частотой 5 герц, которую обеспечивает так называемый подвижный отражатель. Это сложная механическая система, смонтированная рядом с активной зоной, состоит из двух массивных роторов, изготовленных из стали с высоким содержанием никеля, вращающихся в кожухе, наполненном чистым газообразным гелием. В момент совмещения роторов у физического центра активной зоны реактора генерируется импульс. Роторы вращаются в противоположных направлениях с разными скоростями. Скорость основного ротора в усовершенствованном подвижном отражателе уменьшена в два с половиной раза по сравнению с предыдущим поколением подвижного отражателя - до 600 оборотов в минуту, благодаря чему значительно увеличился эксплуатационный ресурс реактора – с 20 до 55 тысяч часов, сохранив длительность нейтронного импульса.
Система охлаждения реактора состоит из трех контуров, в первом и втором используется жидкий натрий, который перекачивают электромагнитные насосы, в третьем – воздух. Такая схема обеспечивает безопасность реактора: если одна система сломается, её можно отсечь аварийными вентилями.
Почему используют именно жидкий натрий? Если во всех контурах будет вода, которая сильно замедляет нейтроны, энергетические характеристики нейтронного излучения активной зоны будут хуже. В первом контуре, трубы которого имеют двойную защитную оболочку, циркулирует радиоактивный натрий, во втором – натрий, необлученный нейтронами. При аварийном отключении электричества разогрев контура, а значит и охлаждение реактора, надежно обеспечит газовый нагрев.
Безопасность (и защита «от дураков»)
Географически город Дубна – это остров, который хорошо контролируется по границам. Кроме того, ОИЯИ, как организация, функционирует на охраняемой производственной площадке, на которой ИБР имеет собственный внутренний периметр физической защиты. Концепция охраняемого «ядерного острова» позволяет гарантировано защитить реактор от внешней угрозы. Если же во время работы реактора гипотетически что-то идёт не так из-за действий персонала, должна срабатывать так называемая защита «от дурака» (fool proof system). Реактор надежно защищен по «человеческому фактору», если ни один человек, ни сознательно, ни бессознательно не может причинить ущерб реактору.
Разные системы, в том числе сложная электроника, останавливает работу реактора на мощности. Знание законов физики помогает предсказать процессы, происходящие при нештатных ситуациях. Например, если вдруг очередной импульс отличается от заложенных параметров, срабатывает быстрая аварийная защита без вмешательства оператора. Такой контроль идет по всем параметрам реактора, зарезервированы и продублированы все системы защиты.
В последние годы, рассказывает Виноградов, было несколько ложных срабатываний системы защиты, как правило, – в связи с перебоями во внешнем электроснабжении. В этом случае реактор гасится, проводится полный анализ происшедшего при каждом срабатывании аварийной защиты. В интересах безопасности на реакторе используется три источника электропитания: штатное электропитание по высоковольтной линии 110 кВ с п/п «Темпы», 10 кВ от Иваньковской ГЭС на Волге и от мощного дизельного генератора, для которого всегда есть запас топлива, необходимый для длительной работы. Главная задача для любого реактора, подчеркивает Виноградов, – это обеспечение стабильного охлаждения активной зоны при любой аварии, чтобы избежать развития событий по японскому варианту (АЭС «Фукусима»), когда при нарушении охлаждения активной зоны произошла разгерметизация топливных элементов и частичное плавление топлива, выход продуктов деления в окружающую среду. На нашем реакторе негативные сценарии возможных аварий и их последствий достаточно хорошо продуманы, добавляет учёный, и нам не пришлось наши расчеты пересматривать после японской трагедии. Это печальное событие, повлекшее за собой многочисленные жертвы, показало, насколько устарели некоторые принципы безопасности, заложенные в проект АЭС «Фукусима». Надо делать выводы из таких уроков, но не запугивать людей атомной энергетикой. В наше время при строительстве атомных станций закладываются современные принципы безопасности, учтены многие события прошлого, и сегодня, например, никто не поставит АЭС на берегу океана в высокосейсмичной зоне. Любая современная электроника может оказаться беззащитной перед большой волной. Что касается реактора ОИЯИ, то он выдержит землетрясение до 7 баллов, хотя землетрясение магнитудой 6 баллов в этой области может произойти с вероятностью один раз в тысячу лет, а магнитудой 5 баллов – раз в сто лет.
Исследования на реакторе
Реактор ОИЯИ работает в режиме центра коллективного пользования. Это означает, что любые исследователи из других организаций могут проводить на нём эксперименты. Время для работы на реакторе ИБР-2М чётко распределено: внутренние пользователи получают 35% времени, для исследователей из других организаций 55% приходится на обычные заявки, 10% – на срочные.
«Специальная международная экспертная комиссия рассмотрит предложение и если он получит одобрение и высокую оценку научного потенциала, выделит проекту время на проведение эксперимента. Я, как ответственный экспериментатор, также просматриваю запросы и даю заключение, можно ли на наших установках провести такого рода исследования. Ведь эксперименты очень дорогие, и их экспертиза – это обычная международная практика», – рассказывает начальник группы малоуглового рассеивания лаборатории Александр Иванович Куклин.
По словам учёного, модернизированный ректор открывает невероятные возможности для исследований как фундаментальных, так и прикладных исследований; его даже называют «окном в наномир». Для этого предназначены уникальные установки, которые многие годы обкатывались и совершенствовались в стенах института. На каждом из четырнадцати каналов реактора находятся исследовательские установки с мишенями. Сейчас, в частности, ведутся работы по созданию концепции нового криогенного замедлителя для реактора, который позволит менять спектр нейтронов. На реакторе есть десять спектрометров, на подходе еще два.
«С помощью метода рассеяния нейтронов можно получать информацию о том, как устроено вещество на атомном и надатомном уровне, выяснить его свойства и структуру, причем это касается также биологических материалов», – объясняет Виноградов. – Такого рода фундаментальные исследования определенно станут основой для создания новых материалов и технологий».
С помощью Фурье-дифрактометра**, например, можно изучать строение вещества, структуру моно- и поликристаллов, исследовать новые типы материалов, например, композитов, керамик, градиентных систем, а также механические напряжения и деформации, возникающие в кристаллах и многофазных системах. Высокая проницающая способность нейтронов обуславливает их применение для неразрушающего контроля напряжений в объёмах материалах или изделиях под воздействием нагрузок, облучения или высокого давления. Обычные методы не позволяют обнаруживать скрытые дефекты внутри бруска в несколько сантиметров толщиной. Нейтронография дает возможность исследовать материал по объёму и найти места напряжений, которые в процессе эксплуатации станут критическими дефектами. Такие исследования очень важны для разработки будущих безопасных реакторов. Или, например, геофизические исследования: нейтроны можно использовать для изучения горных пород. По ориентации кристаллитов в них можно восстановить картину процессов там, откуда извлечены породы. На реакторе уже проводили интересные исследования образцов из Кольской сверхглубокой скважины, взятых с глубин от 8 до 10 километров. Полученные данные позволили проверить и дополнить модели тектонических процессов, проходивших в этом регионе.
Огромный интерес вызывают фундаментальные и прикладные исследования материалов, содержащих магнитные атомы, водород, литий, кислород. Такие функциональные материалы могут широко использоваться в технологиях записи и хранения информации, в энергетике и системах связи. На ИБР-2 уже проводили и проводят исследования сложных оксидных материалов с уникальными свойствами – колоссальным магнитным сопротивлением, сверхпроводимостью, магнитоэлектрическими эффектами, выяснили, какие механизмы лежат в основе их физических свойств на структурном уровне. Спектрометры и рефлектометры с поляризованными электронами позволяют изучать объёмные наноструктуры, в том числе многослойные; коллоидные растворы, ферромагнитные жидкости, определять свойства поверхности и тонких пленок толщиной до нескольких тысяч микрон, их ядерные и магнитные свойства.
Спектрометр малоуглового рассеяния нейтронов благодаря щадящему характеру излучения позволяет проводить эксперименты по исследованию биологических объектов размером от одного до нескольких сотен нанометров. «Мы можем изучать не только внутреннюю структуру, но и поверхность объекта. Это, в первую очередь, белки в растворе, мембраны или митохондрии, полимеры. Под действием различных факторов у мембраны изменяется структура, толщина, физические свойства, проницаемость, подвижность. Мы можем получить новые сведения о биологических объектах в разных условиях в процессе жизнедеятельности, которые невозможно получить другими способами», – рассказывает про работу своей группы Куклин.
У ИБР славная история, полная многих открытий. Сегодня помимо фундаментальных исследований много внимания уделяется и прикладным исследованиям свойств наноструктур, наноматериалов и живых тканей, всего того, что может оказаться важным и полезным для здоровья человека.
Комментарии к статье
* Флюенс – суммарное количество нейтронов, прошедших через удельную поверхность конструкции за весь срок службы реактора. Для каждого материала, использующихся в ядерных реакторах, установлена предельная величина флюенса, превышение которой вызывает радиационные повреждения.
** Фурье-дифрактометр – оптическое устройство, в котором после прохождения нейтронов через образец вначале получают распределение дифракционных максимумов, а затем путём его фурье-преобразования вычисляют спектральное распределение нейтронов.
Читайте в любое время
