Исследовательские реакторы: зачем они нужны и как устроены

• 5·10¹⁵тепловых нейтронов на квадратный сантиметр в секунду — максимум в центральной ловушке реактора СМ-3
• 1946пуск Ф-1 — первого реактора в Европе, по сути исследовательского
• < 20 %урана-235 в низкообогащённом топливе, на которое переводят исследовательские реакторы
• 150 МВтпроектная тепловая мощность быстрого исследовательского реактора МБИР

Нейтроны вместо тепла

Энергетический реактор по сути котёл: от него ждут тепла, которое станет паром и электричеством. Исследовательскому реактору тепло только мешает — его приходится отводить и сбрасывать. Нужны ему нейтроны: как можно больше нейтронов там, где стоят образцы и мишени или начинаются каналы, выводящие пучки наружу.

Поэтому главная характеристика такого реактора — не мощность, а плотность потока нейтронов: сколько нейтронов за секунду проходит через квадратный сантиметр. Чем она выше, тем быстрее образец наберёт нужную дозу, а мишень — активность. Зону делают маленькой и плотно нагруженной, окружают отражателем из бериллия, воды или тяжёлой воды и оставляют в ней и вокруг неё место для экспериментов.

Для сравнения: ВВЭР-1000 выделяет около 3000 МВт тепла, вода в его первом контуре находится под давлением около 16 МПа и нагревается примерно до 320 °C. Высокопоточный реактор СМ-3 в Димитровграде имеет тепловую мощность 100 МВт, давление в его первом контуре — до 4,9 МПа, а вода выходит из активной зоны с температурой не выше 90 °C. Зато плотность потока тепловых нейтронов в центре его зоны достигает 5·10¹⁵ на квадратный сантиметр в секунду — примерно на два порядка больше, чем в активной зоне энергетического реактора.

Энергетический и исследовательский реактор в цифрах

Первые реакторы и были исследовательскими. Американский CP-1, запущенный в 1942 году, и советский Ф-1, заработавший в Москве 25 декабря 1946 года, энергию не вырабатывали — на них изучали саму цепную реакцию. Об этом времени — в статье «История атомной отрасли».

Зачем они нужны

Задачи у исследовательских реакторов разные, и крупный реактор обычно решает сразу несколько из них.

• Испытания топлива. Новые твэлы и сборки до загрузки в энергетический реактор облучают в исследовательском и смотрят, как ведут себя таблетки и оболочки при выгорании, в переходных режимах и в условиях, имитирующих аварии.
• Испытания материалов. Стали, циркониевые сплавы, графит и поглотители облучают в потоке, во много раз более сильном, чем на станции, и за годы узнают, что с ними станет за десятилетия. Подробнее — в статье «Материалы атомной отрасли».
• Наработка изотопов. Облучая мишени, получают изотопы для медицины и промышленности — от молибдена-99 для генераторов технеция до кобальта-60 и иридия-192; о них — в статье «Изотопы в медицине и промышленности».
• Исследования на пучках. Нейтроны выводят из реактора к приборам, которые изучают строение вещества.
• Легирование кремния. Слитки кремния облучают, чтобы получить полупроводник с очень равномерными свойствами.
• Подготовка специалистов. На учебных реакторах студенты учатся управлять цепной реакцией и измерять её параметры.

Легирование кремния — самое «промышленное» из применений. В природном кремнии около 3 % изотопа кремний-30. Захватив нейтрон, он становится кремнием-31, а тот с периодом полураспада около 2,6 часа превращается в фосфор-31 — примесь, которая делает кремний полупроводником n-типа. Метод называют нейтронным трансмутационным легированием.

Нейтроны проходят слиток насквозь, поэтому атомы фосфора рождаются равномерно по всему объёму — равномернее, чем при введении примеси в расплав. Такой кремний нужен силовой электронике — тиристорам, диодам и транзисторам на большие токи и напряжения.

Как нейтроны превращают кремний в полупроводник

1. Кремний-30около 3 % природного кремния
2. Захват нейтронаядро становится кремнием-31
3. Распадс периодом полураспада около 2,6 часа кремний-31 превращается в фосфор-31
4. Фосфор-31примесь, которая делает кремний полупроводником n-типа
5. Равномерный слитокнейтроны проходят насквозь — фосфор по всему объёму

Пучки нейтронов дополняют рентген. Нейтроны рассеиваются не на электронах, а на ядрах, поэтому хорошо видят водород и литий, отличают изотопы и чувствуют магнитное строение вещества. Изучение строения вещества по рассеянию нейтронов называют нейтронографией.

Машиностроению особенно полезна нейтронная дифракция: нейтроны проникают в сталь на сантиметры и позволяют измерить остаточные напряжения в глубине сварного шва или поковки, не разрезая деталь. А нейтронная радиография показывает воду, масло и пластик за стальной стенкой.

Какие бывают исследовательские реакторы

Исследовательские реакторы строят под задачи, но несколько основных типов выделить можно.

Бассейновые

Самый распространённый тип — бассейновый реактор. Активная зона стоит на дне бассейна глубиной в несколько метров, и вода замедляет нейтроны, охлаждает топливо и защищает людей наверху. Бассейн открыт сверху: сборки и образцы переставляют сквозь толщу воды, в которой вокруг зоны видно голубое черенковское свечение.

Топливо бассейновых реакторов не похоже на энергетическое: это сборки из тонких пластин или вложенных друг в друга трубок, где сердечник из урана или его соединения в алюминиевой матрице заключён в алюминиевую оболочку. Обогащение у него выше, чем у энергетического топлива, — в маленькой зоне должно хватать делящихся ядер. С конца 1970-х годов по международным программам такие реакторы переводят на низкообогащённый уран — меньше 20 % урана-235, — чтобы снизить риск распространения ядерных материалов.

Корпусные высокопоточные

Когда нужен самый высокий поток, зону делают совсем компактной, а воду прокачивают под давлением, чтобы снять больше тепла, — для этого нужен прочный корпус. В центре зоны СМ-3 оставлена полость с замедлителем — нейтронная ловушка. Быстрые нейтроны из окружающего топлива замедляются в ней, и поток тепловых нейтронов там наибольший — туда и ставят мишени и образцы.

Импульсные

Импульсный реактор работает вспышками: на доли секунды он выходит на огромную мощность, а средняя мощность остаётся небольшой. На таких реакторах проверяют поведение топлива при резком скачке мощности и ведут исследования на пучках. В Объединённом институте ядерных исследований в Дубне построен импульсный реактор ИБР-2: подвижный отражатель несколько раз в секунду ненадолго делает его надкритичным.

Критические стенды

Критический стенд — реактор почти нулевой мощности, на котором собирают модели активных зон новых реакторов и проверяют расчёты: критическую загрузку, распределение потока, эффективность стержней. Для быстрых реакторов это делают на больших физических стендах БФС в Физико-энергетическом институте в Обнинске. Подкритическая сборка цепную реакцию не поддерживает и лишь размножает нейтроны внешнего источника — на ней учат студентов.

Облучательные устройства и каналы

Сам реактор — источник нейтронов, а эксперимент ставят в облучательных устройствах, которые проектируют под каждую задачу.

• Вертикальные каналы. Трубы в зоне и отражателе, куда сверху опускают образцы и мишени; чем ближе к центру зоны, тем сильнее поток.
• Ампулы и капсулы. Герметичные контейнеры с образцами или мишенями; в сложных поддерживают заданные температуру и среду, а датчики передают данные во время облучения.
• Петлевые установки. Каналы в зоне с собственным контуром теплоносителя, где испытывают топливо.
• Горизонтальные каналы. Трубы от активной зоны сквозь стенку бассейна и бетонную защиту в экспериментальный зал: по ним пучки нейтронов идут к приборам.

Температуру образцов задают не только местом в зоне. Металл образцов и ампулы разогревают гамма-излучение и нейтроны, а тепло уходит к стенке канала через газовый зазор. Меняя его ширину и состав газа — гелий проводит тепло намного лучше неона и аргона, — конструктор получает нужную температуру. Поэтому зазор шириной в доли миллиметра — размер расчётный, и выдерживать его нужно точно.

Петлевая установка — маленькая энергетическая установка внутри исследовательской. В реакторе МИР петли с водой, кипящей водой, паром или газом позволяют испытывать экспериментальные твэлы и сборки ВВЭР и РБМК в стационарных и переходных режимах и в некоторых проектных авариях. Канал петли держит давление прямо в активной зоне, а снаружи к нему подходят трубопроводы, насосы, теплообменники и системы очистки.

Облучённые образцы и твэлы радиоактивны, поэтому их исследуют в горячих камерах — защищённых помещениях с манипуляторами. Там же испытывают и образцы-свидетели корпусов энергетических реакторов.

Бассейновый исследовательский реактор (схема). Активная зона стоит на дне глубокого бассейна, вода над ней охлаждает топливо и защищает людей от излучения, а свечение вокруг зоны — черенковское. В вертикальные каналы рядом с зоной опускают образцы для облучения и мишени для наработки изотопов, петлевой канал выводит теплоноситель к установке, где поддерживают нужные условия. Через стенку бассейна идут горизонтальные каналы: по ним пучки нейтронов выходят к приборам в экспериментальном зале.

Исследовательские реакторы России

В Научно-исследовательском институте атомных реакторов (НИИАР) в Димитровграде Ульяновской области сосредоточено несколько исследовательских реакторов. Первый из них, высокопоточный СМ, пустили в 1961 году, а в 1991–1992 годах внутрь его старого корпуса установили новый, и реактор стал называться СМ-3. Он предназначен для облучения материалов и наработки трансплутониевых элементов и других изотопов.

Пущенный там же в 1966 году МИР — канальный реактор в бассейне: замедлитель и отражатель у него из металлического бериллия, а сборки и петли стоят в циркониевых каналах. Его создавали для петлевых испытаний топлива, и на нём проверяли твэлы и сборки ВВЭР и РБМК.

Для испытаний топлива и материалов быстрых реакторов в 1969 году в НИИАР пустили БОР-60 с натриевым теплоносителем, а в 2015 году началось строительство его преемника — многоцелевого быстрого исследовательского реактора МБИР проектной тепловой мощностью 150 МВт.

Исследования на пучках — специализация бассейнового реактора ИР-8 в Курчатовском институте в Москве, выведенного на проектную мощность 8 МВт в 1981 году. На его горизонтальных каналах стоят установки для нейтронной дифракции, в том числе для измерения остаточных напряжений, для малоуглового рассеяния, радиографии и томографии.

Самый мощный пучковый реактор страны — ПИК в Петербургском институте ядерной физики в Гатчине. Его компактная зона окружена отражателем из тяжёлой воды, проектная мощность — 100 МВт, а плотность потока тепловых нейтронов — того же порядка, что у СМ-3. Физический пуск ПИК на малой мощности провели в 2011 году.

Учебные реакторы есть в вузах. В Томском политехническом университете в 1967 году пустили бассейновый реактор ИРТ-Т — «исследовательский реактор типовой»; после модернизации 1977 года его мощность выросла до 6 МВт. На нём учатся студенты ядерных специальностей.

Исследовательские реакторы России: от СМ до МБИР

• 1961пущен высокопоточный реактор СМ в Димитровграде
• 1966пущен МИР для петлевых испытаний топлива
• 1967пущен учебный реактор ИРТ-Т в Томске
• 1969пущен БОР-60 для испытаний топлива быстрых реакторов
• 1981ИР-8 выведен на проектную мощность 8 МВт
• 2011физический пуск реактора ПИК в Гатчине
• 2015начато строительство МБИР

Безопасность и регулирование

Исследовательский реактор меньше энергетического, но остаётся ядерной установкой со всеми требованиями к ней. В России его сооружение и эксплуатацию лицензирует Ростехнадзор, а общие требования задают федеральные нормы и правила НП-033-11 «Общие положения обеспечения безопасности исследовательских ядерных установок».

У бассейновых реакторов есть природные запасы безопасности: атмосферное давление, низкая температура, много воды над зоной. Но энерговыделение в компактной зоне плотное, а алюминиевые оболочки топлива плавятся около 660 °C, так что надёжное охлаждение важно и здесь.

Отдельно анализируют безопасность самих экспериментов: облучательное устройство меняет реактивность, а петля с высоким давлением и температурой сама может стать источником аварии. Поэтому каждое новое устройство обосновывают расчётами и проверяют до загрузки. Многие исследовательские реакторы стоят в городах, и к ним предъявляют строгие требования физической защиты и учёта ядерных материалов.

Что важно изготовителю

Исследовательский реактор — заказчик особый: изделия для него штучные или мелкосерийные, их делают по чертежам и техническим условиям научного института, и многие из них работают прямо в активной зоне.

• Облучательные устройства. Ампулы, капсулы, кассеты и подвески для образцов и мишеней, корпуса с выводами термопар и датчиков — тонкостенные точные детали, которые затем герметично заваривают.
• Детали петлевых каналов. Трубы каналов, переходники, фланцы, уплотнения, корпуса теплообменников и арматуры петель — всё, что держит давление теплоносителя.
• Внутриреакторные конструкции. Решётки и опорные плиты зоны, блоки отражателя, направляющие, детали горизонтальных каналов и их затворов.

Основные материалы — аустенитные нержавеющие стали вроде 08Х18Н10Т и 12Х18Н10Т и алюминиевые сплавы, для каналов в зоне — и циркониевые, для отражателей — бериллий. Алюминий и цирконий слабо поглощают нейтроны, а основная наведённая активность алюминия спадает за минуты. Бериллий токсичен в виде пыли, и обрабатывают его только на специально оборудованных участках.

Чистота металла важна вдвойне. Деталь, побывавшая в зоне, сама становится источником излучения, и сколько она будет «светить», зависит от примесей: кобальт, например, превращается в долгоживущий кобальт-60. А загрязнения на поверхности ампул и мишеней — масло, абразив, следы маркера — под облучением активируются и разлагаются, искажая условия опыта.

Точность — не формальность. Зазоры между образцами, ампулой и каналом задают температуру облучения, размеры мишени — наработанную активность, а устройство с выводами датчиков должно пройти по каналу без заеданий. Сварные швы ампул проверяют на герметичность, часто гелиевым течеискателем, и радиографией, а ампулы, работающие под давлением, рассчитывают и испытывают как сосуды.

Документы — как для атомного оборудования: сертификаты на металл с номерами плавок, маркировка и прослеживаемость каждой детали, протоколы контроля размеров, сварки и герметичности. Типичные ошибки — замена материала «аналогом» без согласования с институтом, клеймо или краска там, где чертёж их не допускает, хлорсодержащие смазочно-охлаждающие жидкости на нержавеющей стали, заусенцы и стружка в каналах.

Термины

• Исследовательский реакторЯдерный реактор, который служит источником нейтронов для испытаний, наработки изотопов, научных исследований и обучения, а не для выработки энергии.
• Плотность потока нейтроновЧисло нейтронов, проходящих за секунду через квадратный сантиметр; главная характеристика исследовательского реактора.
• Нейтронная ловушкаПолость с замедлителем в центре компактной активной зоны, где плотность потока тепловых нейтронов наибольшая.
• Бассейновый реакторРеактор, активная зона которого стоит на дне открытого бассейна; вода служит замедлителем, теплоносителем и защитой.
• Петлевая установкаКанал в активной зоне с собственным контуром теплоносителя, в котором испытывают топливо при параметрах энергетического реактора.
• Облучательное устройствоАмпула, капсула или иное устройство с образцами и мишенями для облучения в реакторе, часто с датчиками и регулированием температуры.
• Критический стендРеактор почти нулевой мощности для проверки нейтронно-физических расчётов новых активных зон.
• Нейтронное трансмутационное легированиеПревращение части ядер кремния-30 в фосфор-31 облучением нейтронами; даёт полупроводник с равномерными свойствами.

Частые вопросы

Чем исследовательский реактор отличается от энергетического?

Энергетический реактор строят ради тепла, которое превращают в электричество, а исследовательский — ради нейтронов: в их потоке облучают образцы и мишени, а пучки выводят к приборам. Поэтому у исследовательских реакторов компактная активная зона, высокая плотность потока нейтронов и намного более низкие температура и давление воды.

Что такое петлевые испытания топлива?

Испытываемые твэлы ставят в канал исследовательского реактора с собственным контуром, где теплоноситель прокачивают при давлении, температуре и химическом составе, как в энергетическом реакторе. Так проверяют поведение нового топлива в стационарных и переходных режимах и в некоторых проектных авариях до его загрузки на станции.

Зачем облучают кремний в реакторе?

Часть ядер кремния-30, захватив нейтрон, превращается через кремний-31 в фосфор-31 — донорную примесь. Нейтроны проходят слиток насквозь, поэтому фосфор распределяется очень равномерно, а такой кремний нужен силовой электронике.

Почему бассейн исследовательского реактора открыт сверху?

Слой воды над активной зоной защищает людей от излучения, поэтому крышка не нужна, а давление в бассейне атмосферное. Через открытую воду удобно переставлять сборки и облучательные устройства.

Какие детали делают для исследовательских реакторов?

Ампулы и капсулы для образцов и мишеней, детали петлевых каналов, решётки, блоки отражателя и детали экспериментальных каналов. Обычно это штучные изделия из нержавеющей стали и алюминиевых сплавов с высокими требованиями к точности, чистоте, герметичности и документам.