воскресенье, 26 февраля 2012 г.

Такой, “как надо”, атомный реактор

После вывоза в Россию ядерных боезарядов у Украины еще оставалось небольшое количество делящихся материалов – высокообогащенного урана -235 – в хранилище ННЦ ХФТИ. Несколько лет назад Украина заявила о готовности расстаться и с ними. Встречные шаги состояли в расширении сотрудничества с Украиной и помощи ей в проведении ядерно-физических исследований.

В частности, ННЦ ХФТИ за 3 года сотрудничества с Аргоннской национальной лабораторией (США) разработал концептуальный проект ядерной установки «Источник нейтронов, основанный на подкритическй сборке, управляемой ускорителем электронов». Министерство энергетики США предложило построить ее за 4 года в ННЦ ХФТИ и выделило для этой цели более $25 млн. К настоящему моменту подписаны все международно-правовые документы, определяющие как объемы и источники финансирования проекта, так и обязанности сторон, и проект, фигурально выражаясь, принял “положение низкого старта”. Сигналом к старту будет намеченный на март вывоз обогащенного урана.

Немного о сути проекта и достигаемых в нем целей. Атомный реактор, – в сущности, довольно простая вещь: это объем, в котором находится делящееся ядерное топливо с массой, чуть-чуть превышающей критическую, и управляющие элементы из нейтронпоглощающих материалов. Манипулируя этими последними, в объеме можно поддерживать режим ядерного “недовзрыва” – медленного деления ядер топлива с выделением энергии в виде тепла. Тем не менее, масса топлива в реакторе – сверхкритическая, т.е. всегда есть некоторая вероятность ядерного взрыва. Допустимым уровнем безопасности ядерного реактора многие эксперты считают ядерную аварию раз в миллион лет. В ХХ веке на протяжении 50 лет их случилось 2. Т.е., до “допустимого уровня” современной атомной энергетике очень далеко. Это первый порок атомного реактора.

Второй порок состоит в том, что продукты деления, выгружаемые из объема реактора раз в несколько лет (по истечении, как говорят, времени кампании) в своем составе имеют большие количества долгоживущих радиоактивных  изотопов, накапливающихся в окружающей среде и представляющих собой большую и непрерывно возрастающую опасность на многие тысячи (сотни тысяч) лет. Речь идет о серьезных больших количествах: загрузка реактора – это несколько тонн, а реакторов в мире сейчас более 400.

Третий порок: атомная энергетика (в нынешнем ее виде) так же исчерпаема, как и углеводородная, делящихся материалов на Земле совсем не так много и перспектива их исчерпания – не за горами. Поэтому не за горами и ее закономерный конец, так что ее “зеленые” противники ломятся в открытые двери.

В то же время так называемые “альтернативные источники” не в состоянии обеспечить большие плотности энерговыделения, требуемые во многих технологических процессах, таких, например, как выплавка алюминия. Поэтому тепловой энергетике (а атомная – ее часть) альтернативы во многих случаях действительно нет.

Точнее – она есть, но это опять-таки  ядерная энергетика, но только другая, я бы даже сказал, принципиально другая. В ней реактор содержит топливную массу меньшую, чем критическая, а в принципе возможны и такие варианты, когда топливом является вообще безопасное с точки зрения ядерной взрывотехники вещество. То есть, такой реактор с точки зрения взрыва абсолютно, принципиально безопасен! И топливный голод ему не грозит.

Дело в том, что, начиная с ядер достаточно большой массы, их деление вообще становится энергетически выгодным (т.е. сопровождается выделением энергии), а как мы их разделим, не имеет никакого значения – хоть молотком разобьем!

Атомный реактор будущего (такой, “как надо”) представляет собой объем, занятый, возможно, даже и неделящимся (спонтанно!) ядерным топливом, к которому пристыковано устройство, заставляющее делиться ядра. Да, для деления ядер требуется затратить энергию, но выделившаяся с лихвой покрывает этот расход. Кстати сказать, такой реактор можно применить и для переработки уже имеющихся ядерных отходов в материал, не содержащий опасных долгоживущих радиоактивных изотопов.

Почему же атомная энергетика сразу, еще 60 лет тому назад, не пошла по этому безопасному пути? Понимающий “что к чему” человек, прочитав чуть выше про молоток, мог бы сказать автору: “Ты по голове себя постучи, может искру высечешь”. Разбить ядро – это проблема! Ее к тому времени уже научились решать с помощью ускорителей, но отнюдь не с легкостью. В энергетический рай “въехать на палочке” не получается. Обуздать цепную реакцию оказалось легче.

Предлагалось использовать для деления ядер в электроядерных реакторах (такое они получили название) ускорители протонов и более тяжелых частиц – многозарядных ионов, но для того, чтобы выделившаяся при делении энергия превосходила затраченную на создание пучка, пучок должен иметь недостижимые по тем временам параметры. Недостижимы они и сегодня. Но ускорительщики все эти годы изобретали ухищрения, увеличивающие ток пучка, а реакторщики снижали предъявляемые к пучку требования. И это встречное движение в конце концов закончится “стыковкой”. А исследование физических процессов в электроядерных установках не требует, чтобы они вырабатывали энергию, и оно продолжалось все эти годы.

Что же будет сооружено в Харькове? Как объяснил автору ответственный исполнитель проекта начальник лаборатории нейтронной физики и подкритичечких систем ННЦ ХФТИ Александр Николаевич Водин, харьковчане предложили использовать в схеме генерации нейтронов электронный ускоритель, а не ускоритель тяжелых частиц.

Пучок электронов с энергией частиц 100 МэВ и средней мощностью 100 кВт, попадая в мишень из вольфрама или урана, вследствие быстрого торможения испускает мощный поток жесткого гамма-излучения, которое поглощается ядрами атомов мишени, реагирующих на это облучение испусканием фотонейтронов. Далее фотонейтроны поступают в активную зону (подкритическую сборку) и здесь поглощаются ядрами урана-235, вызывая их вынужденное деление с образованием 2-3 вторичных нейтронов. То есть, на этой стадии процесса идет размножение нейтронов, однако параметры активной зоны подобраны так, чтобы коэффициент размножения при любых исходных событиях не превышал 0,98. Такое решение гарантирует ядерную безопасность харьковской установки, и в этом состоит ее принципиальное отличие от исследовательских реакторов, работающих в режиме самоподдерживающейся цепной реакции деления ядер актинидов.

Хотя главная задача проекта – создание в Украине современной экспериментальной базы для проведения исследований на нейтронах в различных областях фундаментальной науки, а также для решения широкого круга прикладных проблем, в качестве попутного продукта предусмотрена наработка всех медицинских изотопов, применяемых для диагностики болезней, а также начало исследований бор-нейтроно-захватной терапии – самого безопасного метода лечения онкозаболеваний. На этой же базе будет организован институт подготовки кадров высшей квалификации специалистов в области ядерной энергетики и атомной промышленности.

Комментариев нет:

Rambler's Top100 Полный анализ сайта Всё для Blogger(а) на Blogspot(е)! Закладки Google Закладки Google Закладки Google Delicious Memori БобрДобр Мистер Вонг Мое место 100 Закладок