В Гатчине под Петербургом прошел первый этап энергетического пуска исследовательского нейтронного реактора ПИК, который строился с середины 1970-х годов. Реактор, предназначенный для изучения элементарных частиц, структуры биологических молекул и многих других задач, выведен на энергию 100 киловатт, но до проектной мощности в 100 мегаватт он доберется примерно через два года. Подробнее о том, как строился ПИК, как он устроен и какие задачи будет решать, читайте в нашем материале.


Научный долгострой

Физики-ядерщики в постсоветскую эпоху сформулировали грустную «теорему»: до запуска реактора ПИК остается девять лет. Всегда девять лет. В самом деле, реактор ПИК, принадлежащий Петербургскому институту ядерной физики (Гатчинa) — старейший долгострой среди российских научных проектов. Параметры процессов, которые будут протекать в реакторе, впервые рассчитали еще в середине 1960-х Юрий Петров и Алексей Ерыкалов, одновременно инженеры под руководством Кира Королева начали прорабатывать модель установки. В 1976 году ПИК начали строить.

В 1983 году заработал критический стенд — маломощный макет, строение и физические свойства которого воспроизводят «большой» реактор. Эксперименты с критической сборкой подтвердили, что расчеты ученых верны. В 1986 году ПИК был готов больше чем наполовину — строители возвели технические здания, ученые начали налаживать оборудование. А потом произошла авария на Чернобыльской АЭС.

После катастрофы требования к ядерной безопасности сильно ужесточились, проект реактора пришлось заморозить и полностью переработать, а затем заново пройти экспертизу. В 1988 году эти работы удалось завершить, и к 1991 году реактор практически достроили. К сожалению, после распада СССР финансирование проекта резко снизилось, и его пришлось законсервировать.

Впрочем, в каком-то смысле длительная задержка в строительстве реактора даже оказалась удачной — за это время вычислительная мощность компьютеров сильно выросла, и теоретические расчеты удалось перепроверить с помощью численного моделирования.

Полноценные работы на реакторе возобновили только в 2007 году, когда правительство РФ выделило на строительство ПИК около шести миллиардов рублей. Еще несколько лет ушло на восстановление после консервации. В 2009 году был сдан в эксплуатацию первый пусковой комплекс, после чего ученые пообещали запустить реактор. Но задержки финансирования и проверки Ростехнадзора оттягивали этот момент на неопределенный срок.

Наконец, в феврале 2011 года состоялся физический пуск реактора на мощности порядка 100 ватт (мощность электрической лампочки). Физический пуск — это еще не полноценное начало работы, это скорее проверка реактора. При физическом пуске в установку загружают топливо и выводят реактор на минимальный контролируемый уровень мощности, а затем смотрят, насколько сильно поведение установки отличается от ожидаемого.

Такие проверки проводят потому, что при сооружении реактора допускаются технические отклонения от расчетных параметров, а также возникают небольшие отличия в химическом и нуклидном составе частей реактора (например, поглотителей и твэлов). Из-за этого характеристики активной зоны могут немного отличаться от расчетных. В то же время, чтобы обеспечить безопасную работу с реактором, необходимо знать эти параметры с высокой степенью точности.

В том же году гатчинский реактор вошел в программу «Мегасайенс», которая поддерживает проекты с международным участием и предполагает финансирование в масштабах десяти миллиардов долларов. Подробнее прочитать про другие проекты-участники этой программы — синхротронные ускорители в Москве и Новосибирске — можно в нашем материале «Больше синхротронов». Кроме того, ученым удалось договориться о сотрудничестве с Юлихским центром по нейтронным исследованиям (Германия), который передал ПИКу научное оборудование, оставшееся после реактора FRG-1, закрытого в 2010 году. В обмен немецкие исследователи получили 15 процентов времени работы реактора.

После физического пуска следует уже настоящий, энергетический пуск, при котором реактор выводят на проектную мощность. В 2011 году руководство НИЦ «Курчатовский институт», поглотившего к тому времени ПИЯФ, обещало, что энергетический пуск состоится в ближайшие несколько лет, однако по неизвестным причинам этот процесс задержался.

В ноябре прошлого года президент НИЦ «Курчатовский институт» Михаил Ковальчук сообщил, что разрешение «Ростехнадзора» на энергетический пуск реактора на мощности 100 киловатт (примерно в тысячу раз меньше проектной мощности) уже получено, причем пуск состоится в начале февраля. По информации N + 1, реактор был выведен на эту мощность уже в январе 2019 года. При этом приборы, работающие на реакторе, предназначены только для измерения его параметров, а независимые эксперименты с нейтронными пучками пока еще не готовы. Поэтому назвать этот пуск по-настоящему полноценным нельзя. Тем не менее, он подтверждает, что реактор готов наращивать мощность.


Устройство и характеристики ПИК

Проектная мощность ПИК составляет сто мегаватт, максимальная плотность потока тепловых нейтронов — около пяти квадриллионов (5 × 1015) частиц на квадратный сантиметр в секунду. В отражателе плотность падает до 1,3 × 1015 нейтронов на квадратный сантиметр в секунду. Это рекордное значение для реакторов непрерывного действия.

На первый взгляд кажется, что мощность реактора ПИК сравнительно невелика. В самом деле, реакторы РБМК-1000 или ВВЭР-1000, установленные на большинстве российских АЭС, генерируют около 1000 мегаватт, а самый мощный реактор в мире, заработавший в прошлом году в Китае, производит 1750 мегаватт энергии. Это на порядок выше мощности ПИК.

Объясняется эта разница тем, что ПИК — исследовательский реактор и для него на первом месте стоит производство нейтронов, а не тепла. С одной стороны, чтобы повысить мощность реактора, надо организовать хорошее охлаждение рабочей зоны, а для этого необходимо увеличить ее размер. С другой стороны, чем больше размер рабочей зоны, тем меньше нейтронов успевает ее покинуть. При нынешнем уровне развития техники мощность реактора ПИК, выделяющаяся в 50 литрах его рабочей зоны, позволяет получить максимальный поток нейтронов.

В рабочей зоне реактора находится 27 килограмм обогащенного до 90 процентов урана, который охлаждается «легкой» (обычной) водой. Это означает, что 90 процентов составляет изотоп уран-235. Следует иметь в виду, что в обычных энергетических реакторах уровень обогащения по этому изотопу не превышает 3-5 процентов, для быстрых реакторов он составляет около 15–25 процентов, а уровень выше 85 процентов соответствует оружейному урану.

Рабочая зона окружена тяжеловодным отражателем толщиной около двух метров, который поглощает бóльшую часть быстрых нейтронов и гамма-квантов, обеспечивает максимальное отношение потока нейтронов к мощности и позволяет заменять экспериментальные каналы после пуска реактора. По каналам нейтроны отводятся из реактора к экспериментальным установкам.

Всего экспериментальных каналов у ПИКа 22 — десять горизонтальных, шесть наклонных и шесть вертикальных. Это позволяет подключить к установке до 50 экспериментальных станций, работающих одновременно. В зависимости от того, из какой области реактора забираются нейтроны и какую обработку проходят, их энергия может меняться от 0,2 электронвольт (горячие нейтроны) до 2 × 10−7 электронвольт (ультрахолодные нейтроны).


Научные задачи

Около половины каналов-нейтроноводов ученые отдадут экспериментам из области ядерной физики и физики частиц.

Во-первых, исследователи измерят электрический заряд и дипольный момент нейтрона. Во-вторых, ученые в подробностях исследуют β-распад нейтрона — уточнят его период, измерят корреляционные константы процесса и проверят закон сохранения T-четности. Возможно, эти эксперименты объяснят загадку времени жизни нейтрона и укажут на физику за пределами Стандартной модели. В-третьих, часть экспериментов будет посвящена осцилляциям нейтрино и поиску стерильных нейтрино.

Кроме того, на установке будут проводиться нейтронно-оптические и нейтронно-интерферометрические эксперименты, а также исследования слабого нуклон-нуклонного взаимодействия. Все эти темы в настоящее время активно обсуждаются в научном сообществе (чтобы убедиться в этом, достаточно почитать новости), поэтому результатов ПИК ждут не только экспериментаторы, но и теоретики.

На второй половине каналов будут располагаться эксперименты по физике конденсированного состояния. Проще говоря, в этих экспериментах ученые будут определять кристаллическое строение веществ с помощью нейтронных дифрактометров, спектрометров и рефлектометров различных конструкций. Более того, с помощью нейтронов можно наблюдать за динамикой атомов — «снимать кино», а не статичные картинки. Такие измерения широко используются в современном материаловедении, геологии, химии, биологии, медицине и даже археологии.

Попробуем разобраться, почему нейтроны так удобно использовать для исследования внутренней структуры вещества. Характерное расстояние между атомами кристаллической решетки, как правило, составляет несколько ангстрем (10−8 сантиметров), поэтому разглядеть их можно только с помощью частиц со сравнимой длиной волны — рентгеновских или гамма-лучей, электронов, протонов и нейтронов. Тем не менее, по сравнению с остальными кандидатами, нейтроны имеют ряд важных преимуществ.

Во-первых, при одинаковой длине волны кинетическая энергия тяжелых нейтронов гораздо меньше, чем у легких фотонов или электронов (электрон почти в две тысячи раз легче нейтрона, фотон вообще не имеет массы). Вдобавок к этому, нейтроны электрически нейтральны. Следовательно, они слабо взаимодействуют с образцом и с их помощью можно «заснять» низкоэнергетические процессы — например, тепловые колебания атомов.

Во-вторых, нейтроны имеют ненулевой магнитный момент (спин), а потому чувствительны к магнитным свойствам вещества. Например, они могут ухватить возбуждения в высокотемпературных сверхпроводниках.

В-третьих, нейтроны взаимодействуют с ядрами атомов, а не с электронными оболочками, а потому гораздо лучше «чувствуют» изотопический состав вещества. В частности, с помощью нейтронов можно разглядеть легкие атомы водорода и кислорода в соединениях тяжелых элементов, что практически недоступно для других методов. Поэтому нейтронные «микроскопы» играют важную роль при исследовании биологических соединений и разработке материалов для водородной энергетики.

Экспериментальные установки на ПИК планируют вводить постепенно. Буклет ПИЯФа сообщает, что к 2019 году на реакторе будут работать только 12 научных станций: три из них посвящены ядерной физике и физике элементарных частиц, еще девять — физике конденсированного состояния. К 2021 году число установок доведут до 19.

Часть экспериментов будут ставить зарубежные ученые — руководители проекта утверждают, что им уже поступили заявки от нескольких крупных европейских институтов. Учитывая, какие исследования можно провести на ПИК, в это можно легко поверить.


Аналоги установки в мире

Несмотря на то, что проект реактора ПИК был предложен еще в 1960-х годах прошлого века, он до сих пор остается актуальным. Как утверждают эксперты ПИЯФ, разработанная тогда схема реактора — охлаждаемая «легкой» водой активная зона и отражатель из тяжелой воды — до сих пор считается самой эффективной. Практически все современные реакторы-источники нейтронов построены по той же схеме.

В настоящее время в мире работает около ста реакторов с выведенными нейтронными пучками, предназначенных для физических исследований. Около двадцати из них создают потоки порядка 1014 нейтронов в секунду на квадратный сантиметр, и всего два генерируют мощности, сравнимые с заявленной мощностью ПИК.

Первый — это реактор HFR (High Flux Reactor) в институте Лауэ-Ланжевена в Гренобле (Франция), мощность которого составляет примерно 58 мегаватт, а поток — около 1,5 × 1015 нейтронов на квадратный сантиметр в секунду. Благодаря такому потоку на установке могут одновременно работать около сорока групп ученых.

Вторая установка — HFIR (High Flux Isotope Reactor) Окриджской национальной лаборатории (США) — обеспечивает поток порядка 1015 нейтронов на квадратный сантиметр в секунду при тепловой мощности около 85 мегаватт. Раньше в США также работал реактор HFBR, имевший сравнимую мощность и поток нейтронов, однако в 1999 году его окончательно закрыли.

Еще один реактор, совсем чуть-чуть «не дотягивающий» до рекордных значений, — немецкий FRM II с мощностью 20 мегаватт и потоком около 8 × 1014 нейтронов на квадратный сантиметр в секунду.

Более того, «реакторы-рекордсмены» были построены примерно в то же время, в которое был разработан проект ПИК — в 1960-1970 годах. Реактор HFIR в Ок-Ридже вышел на максимальную мощность в 1966 году, HFR в Гренобле — в 1971-м. Со временем такие реакторы «выгорают» под действием мощного потока нейтронов, и работать с ними становится опасно. Именно по этой причине остановили реактор HFBR, на котором произошла утечка тяжелой воды, а HFR и HFIR в 1990-х годах реконструировали — в том числе, чтобы соответствовать новым требованиям ядерной безопасности, ужесточенным после Чернобыльской аварии.

Впрочем, даже с учетом реконструкции реактору в Гренобле осталось работать около десяти лет. HFIR, который работает в более щадящем режиме (161 день в год против 200), «протянет» чуть дольше, до 2040-х годов. Реактор FRM II к этому времени тоже уже закроется.

При этом замену «выгоревшим» реакторам ученые строить не собираются, надеясь заменить их ускорителями, на которых нейтроны рождаются за счет столкновений протонов и мишени. В Ок-Ридже такой ускоритель работает с 2006 года, в Европе его планируют достроить уже в этом году.

Впрочем, несмотря на то, что пиковый поток на таких установках в десятки раз превышает поток реакторов, их интегральный поток (усредненный за долгое время) все-таки меньше 1015 нейтронов на квадратный сантиметр в секунду. Таким образом, в ближайшие 15–20 лет аналогов ПИК в мире практически не останется.


Дмитрий Трунин

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.