Специалисты МИФИ сделают ядерные реакторы ещё более безопасными

В рамках гранта Президента РФ по государственной поддержке молодых российских ученых – кандидатов наук на кафедре теоретической и экспериментальной физики ядерных реакторов выполняется проект «Свинец-208: новый теплоноситель, замедлитель и отражатель нейтронов для инновационных ядерных реакторов на быстрых нейтронах». Он направлен на решение одной из наиболее актуальных проблем ядерной энергетики – повышение безопасности ядерных реакторов.

Возможность управления реакторами, в том числе и быстрыми, обусловлена наличием запаздывающих нейтронов, которые испускаются продуктами деления через некоторое время (от нескольких миллисекунд до нескольких минут) после реакции деления. Цепная реакция деления на мгновенных нейтронах развивается чрезвычайно быстро и не поддается управлению. Однако доля запаздывающих нейтронов чрезвычайно мала и составляет около 0.5% от генерируемых нейтронов деления. Аварийный ввод положительной реактивности даже порядка доли запаздывающих нейтронов может привести к разрушению ядерного реактора.

Ядерные реакторы проектируются таким образом, чтобы избежать подобных ситуаций. Для этого к составу топлива, к материалам и конструкции активной зоны, а также ко всему оборудованию ядерной энергетической установки предъявляются жесткие требования. Однако это существенно сужает выбор топливных и конструкционных материалов, а также выбор конструктивных параметров активной зоны реактора и, в конечном счете, не решает проблему обеспечения безопасности быстрого реактора при аварийном возникновении в нем положительной реактивности больше эффективной доли запаздывающих нейтронов.

Новизна проекта состоит в том, что впервые в мире демонстрируется возможность замедления цепной реакции деления для повышения безопасности быстрых реакторов. Это достигается путем окружения активной зоны слабо поглощающим нейтроны отражателем, выполненным из свинца-208. Он формирует поток отраженных нейтронов с более длительным временем жизни, чем у мгновенных нейтронов активной зоны.

Изотоп свинец-208 характеризуется чрезвычайно низким сечением поглощения нейтронов (меньше, чем у графита и дейтерия) и наибольшим альбедо тепловых нейтронов. Использование в быстром реакторе отражателя на основе свинца-208 позволит радикально увеличить среднее время жизни нейтронов (примерно на 3 порядка!), что существенно улучшит его ядерную безопасность в случае аварийного ввода в него положительной реактивности порядка и более эффективной доли запаздывающих нейтронов. Действительно, переходные процессы в этом случае протекают намного медленнее и поддаются управлению. Это поможет избежать многих аварийных ситуаций.

Практическое применение результатов проекта позволит не только повысить безопасность быстрых реакторов, но и уменьшить их стоимость. На сегодняшний день их большая стоимость по сравнению с тепловыми реакторами является экономическим фактором, препятствующим их строительству. В свою очередь именно быстрые реакторы позволяют замкнуть топливный цикл ядерной энергетики и использовать весь ресурс добываемого урана, а не только делящийся изотоп уран-235, доля которого в уране составляет менее 1%. Это означает увеличение топливной базы более, чем в 100 раз.

Проект выполняется под руководством Куликова Евгения Геннадьевича, к.т.н., старшего преподавателя кафедры №5. Автор имеет более 70 публикаций, а также два патента по разделу «Ядерный реактор на быстрых нейтронах».

Соисполнитель проекта – аспирант второго курса Чубко Николай Владимирович, работающий над кандидатской диссертацией по теме «Моделирование нейтронно-физических характеристик ядерного реактора повышенной безопасности, охлаждаемого радиогенным свинцом».