Разнообразные, универсальные, уникальные – всё это про исследовательские реакторы
Год назад, начиная новую рубрику «Атомная летопись» к юбилею атомной отрасли страны, мы, конечно, понимали, что охватить все аспекты этой интереснейшей и многогранной темы за один год не получится. Но и тёплые отклики, которые мы получили от вас, дорогие наши читатели, оказались неожиданностью – их было очень много! Учитывая оба этих фактора, мы приняли решение продолжить рассказывать о самых интересных и не всегда самых известных аспектах атомной науки и промышленности.
Все ядерные реакторы, которые работали ранее и эксплуатируются в настоящее время, если отвлечься от их конструктивных особенностей, можно разделить на два вида – энергетические и исследовательские. Энергетические предназначены в первую очередь для выработки электроэнергии и тепла. Они трудятся на электростанциях, кораблях, подводных лодках и так далее. Исследовательские реакторы называют «нейтронными заводами», потому что их главная задача – выработка именно нейтронов, реже – других видов излучения. При этом выработка электричества и тепла на них сведена к минимуму.
Исторически самыми первыми действующими реакторами были именно исследовательские: в 1942 году первым в мире устройством, способным поддерживать цепную реакцию деления, стал реактор СР-1 в США. В 1946 году в лаборатории №2 (сейчас это Курчатовский институт) ввели в эксплуатацию первый в СССР, а также во всей Евразии исследовательский реактор Ф-1.
С того времени во всём мире было запущено более 800 таких реакторов. Пик их развития пришёлся на 1970-80 годы, а затем число реакторов постепенно снижалось. По данным на март 2024 года в строю остаётся около 220 исследовательских реакторов в 54 странах мира. Один из них работает в Заречном – в Институте реакторных материалов. Ещё 25 находились в стадии проектирования или строительства – это около трети всех действующих реакторных установок.
С самого начала атомной эры развитие исследовательских реакторов шло активнее и шире энергетических. И это неудивительно: прежде чем построить атомную электростанцию, нужно подобрать материалы и протестировать разные варианты топлива и конструкций – для таких экспериментов и создаются исследовательские реакторы. Однако считать, что они нужны только для научных изысканий в атомной отрасли, ошибочно. По сравнению с энергетическими, исследовательские реакторы обладают более простой конструкцией, работают при более низких температурах, требуют гораздо меньше топлива и поэтому производят гораздо меньше отходов, что позволяет устанавливать их в стенах учебных и научно-исследовательских институтов.
Что интересно, ни одна из функций или направлений использования исследовательских реакторов не уникальна: источниками нейтронов и других видов излучения служат также некоторые энергетические и промышленные реакторные установки, ускорители и радионуклидные источники ионизирующего и нейтронного излучения. Причём параметры излучения в некоторых из них выше, чем у большинства исследовательских реакторов. Тем не менее, в силу ряда технических особенностей и традиции именно они стали «фабриками нейтронов», а также других видов излучения для многих научных и прикладных задач.
Школа атомной мысли
Может показаться удивительным, но чаще всего в мире исследовательские реакторы используются для подготовки кадров: обучения студентов, повышения квалификации специалистов. Первым таким реактором, построенным в вузе, стал советский ИРТ‑2000, запущенный в 1967 году в МИФИ. Не только вузы, но и многие специализированные научно-исследовательские центры выделяют время для подготовки собственных и сторонних кадров на своих исследовательских реакторах.
Практически любой исследовательский реактор подходит для обучения. По данным МАГАТЭ для этой цели используется свыше 60% действующих реакторов в более чем 50 странах мира. Обычно их мощность не превышает 1 МВт, что делает их безопасными и доступными для учебных задач. Эти установки не только демонстрируют основные принципы работы реакторов, но и позволяют проводить калибровку приборов, нейтронную радиографию и прикладные эксперименты.
В широком спектре использования исследовательских реакторов вне атомной отрасли стоит отметить применение нейтронов для исследования различных материалов и их разработки. Такие технологии используются в самых разных областях от электроники до медицины, с их помощью создаются материалы, способные выдержать экстремальные условия, в частности, для космического оборудования. А к примеру, кремний облучается нейтронами для изменения его проводимости, чтобы его можно было использовать в полупроводниках, предназначенных для работы на большой мощности.
Нейтроны помогают ученым определять характеристики объектов культурного наследия – картин и памятников. Нейтронные методы позволяют изучать материалы, которые использованы в художественных работах, определить их состав, возраст и подлинность. Эти методы называются «неразрушающими испытаниями», поскольку позволяют исследователям изучать объекты, не причиняя им вреда.
Другое распространенное предназначение исследовательских реакторов – наработка радиоизотопов, используемых в медицине, промышленности, сельском хозяйстве, геологии и иных сферах. Нарабатывать изотопы могут энергетические и промышленные реакторные установки, ускорители, но они нарабатывают лишь отдельные радионуклиды. А исследовательские реакторы производят десятки «ходовых» изотопов, которые чаще всего используются в медицине. Исходя из данных МАГАТЭ, для этой цели применяется около 1/3 глобального парка действующих исследовательских реакторов в 40 странах мира.
И всё же важнейшая научная специализация таких реакторов – исследования в области физики, химии, материаловедения. В её основе – способность нейтронного потока изменять материю, отражать её структуру и состав за счёт анализа эффектов рассеяния и поглощения нейтронов веществом, а также магнитных свойств. В атомной энергетике исследовательские реакторы играют важнейшую роль в ядерно-физических и материаловедческих изысканиях. Они связаны с совершенствованием реакторных технологий, созданием новых и продлением сроков службы применяемых конструкционных материалов, разработкой более современных и безопасных видов топлива и так далее. Так реакторы служат, среди прочего, полигонами для исследований и испытаний, необходимых для создания серийных образцов ядерной техники, топлива и материалов.
Реакторы-полигоны
Учитывая, насколько расширился спектр возможного применения исследовательских реакторов с момента их создания, среди учёных звучат предложения называть их многоцелевыми. В то же время среди них можно выделить несколько обособленных категорий. Первая – это материаловедческие реакторы. Вторая – «классические» исследовательские реакторы, адаптированные для фундаментальных и других исследований, главным образом на нейтронных потоках.
Третью группу образуют установки – прототипы для некоторых реакторных технологий. На них проводятся в основном эксперименты и исследования, касающиеся определённых конструкций реакторов – как правило, «неисследовательского» назначения: энергетических, промышленных, корабельных. То есть нейтронное и другое излучение этих установок используется для исследований, связанных с конкретной технологией.
Особенно такие установки-прототипы были распространены в прошлом веке, когда и создавалось большинство типов технологических реакторных установок. Условно их причисляют к исследовательским реакторам, но по своей сути они являются опытными образцами. Нередко они применяются и как источники тепловой или электрической энергии, что для исследовательского реактора нехарактерно. Примером такого вида реактора служит российский корпусной кипящий реактор ВК‑50 в Димитровграде: он эксплуатируется с 1965 года, и в 2022 году после проведённой модернизации эксперты подтвердили возможность продления его работы до 2041 года.
Конструктивно категория реакторов-прототипов разнообразна, каждый её представитель уникален. Большинство таких реакторных технологий, созданных за всю историю, так и остались в единственном числе. Впрочем, некоторые из них были перепрофилированы в исследовательские реакторы для проведения различных испытаний. Ярким примером служит норвежский Halden, который создавался как демонстрационный кипящий энергетический реактор, а в итоге стал одним из наиболее востребованных исследовательских.
Сила в многообразии
Классифицировать исследовательские реакторы можно по различным критериям. По мощности их можно разделить на реакторы большой мощности (≥15 МВт) – высокопоточные установки для передовых исследований; реакторы средней мощности (1–15 МВт) – наиболее универсальный класс; реакторы малой мощности (<1 МВт) – чаще всего используются в образовательных целях.
С точки зрения конструкции самым распространенный вид исследовательского реактора – бассейновый. Он отличается простотой эксплуатации и лёгкостью доступа к активной зоне. К такому типу реактора относится ИВВ-2М, работающий в Институте реакторных материалов. К бассейновому типу относились и первые исследовательские реакторы. И интерес к ним не угасает до сих пор. Аналогичные реакторы сейчас строят за рубежом – к примеру, в Аргентине, Нидерландах, Южной Корее. Благодаря новым технологиям удалось увеличить их тепловые нагрузки и плотность потоков нейтронов и, соответственно, эффективность исследований.
Другие виды конструкций исследовательских реакторов имеют многие достоинства, но несколько сложнее в эксплуатации. Канальные реакторы (его активная зона – это набор отдельных каналов) удобны для петлевых испытаний (используются для экспериментов с реакторными материалами и топливными сборками), но менее подходят для фундаментальных исследований. Корпусные реакторы (в глухом корпусе) обеспечивают высочайшую плотность потоков нейтронов, однако дороги и сложны в эксплуатации.
К реакторам большой мощности относятся 47 установок в 26 странах, включая 16 реакторов мощностью свыше 50 МВт. Самый мощный действующий исследовательский реактор – ATR (США): его мощность – 250 МВт. После завершения строительства его конкурентом станет российский многоцелевой быстрый исследовательский реактор – МБИР, который строят в Димитровграде. Его экспериментальные и технологические возможности позволят расширить исследования в области двухкомпонентной ядерной энергетики и замыкания топливного цикла, а также проводить материаловедческие и другие испытания. Ввести в эксплуатацию новый реактор планируется в 2028 году.
Наиболее мощные реакторы обеспечивают сверхвысокую плотность потоков нейтронов, необходимую, например, для производства трансплутониевых радиоизотопов. Также они выполняют роль прототипов реакторов новых АЭС и служат платформой для тестирования технологий будущего, включая установки поколения IV, каким будет 5 блок БАЭС.
Реакторы средней мощности (также 47 установок в мире) часто относятся к бассейновому типу. Они универсальны, удобны для загрузки и выгрузки мишеней, применяемых в производстве радиоизотопов. Мощность реакторов позволяет достичь необходимых для поставленных задач плотностей потоков нейтронов при умеренных эксплуатационных затратах.
Реакторы малой мощности (62 действующие установки) широко распространены за рубежом и служат в основном для образовательных целей.
А ещё бывают реакторы, в которых происходит циклическое изменение реактивности с периодическим достижением критичности активной зоны – это так называемые пульсирующие исследовательские реакторы, которые способны не только в короткое время менять плотность нейтронного потока, но и в пике достигать мощности выше, чем у высокопоточных реакторов.
Многообразие исследовательских реакторов заслуживает отдельного внимания. И мы обязательно расскажем о них подробнее в следующих номерах нашей газеты.
Татьяна Козлова, по данным МАГАТЭ и Библиоатом
Отзывы
Мы в Телеграм