"Нептун с трезубцем и без"

Взгляд в будущее

Демографы насчитывают три возраста человека, и каждому возрасту приписывают свое характерное направление взгляда на время. Кого-то манит будущее, обещая золотые горы, кто-то живет и радуется текущим мгновениям, остальные лелеют свое бесценное прошлое. Думаю, что философы от статистики ошибаются. Например, я сам грубо нарушаю такое правило: смотрю в сторону, предназначенную для возраста, на два номера ниже положенного. Демографы-ортодоксы скажут: "Или он живет в другом мире, или попросту выкаблучивается. Короче говоря, впал в детство". Прочитав этот опус, читатель вынесет свой вердикт, а заодно определит и свой истинный возраст по классификации демографов.

А в статье речь пойдет об известной в Дубне теме - импульсном источнике нейтронов. Их было несколько с момента возникновения ОИЯИ: первый в мире импульсный реактор ИБР Дмитрия Ивановича Блохинцева (1960 год), первый в мире импульсный бустер - гибрид реактора и ускорителя (Федор Шапиро, Илья Франк, Иван Матора и др.), реактор ИБР-30 и открытие на нем ультрахолодных нейтронов (Федор Шапиро, Александр Стрелков и др.), и наконец:

Мы тобой не устанем гордиться
И всегда повторяем слова:
Самый импульсный, самый быстрый,
Наш реактор, наш ИБР-2!

В начале проектирования импульсного исследовательского реактора ИБР-2 в 60-х годах ХХ века были изучены предельные возможности пульсирующего ядерного реактора для исследований по физике конденсированных сред. Было показано, что наилучшие параметры пучков тепловых нейтронов обеспечивает реактор на быстрых нейтронах с объемом активной зоны 15-20 литров при средней тепловой мощности не менее 10 МВт. В то время единственным действующим импульсным реактором был ИБР - маломощный (1-3 кВт), охлаждаемый воздухом реактор с металлическим плутонием, созданный в Дубне в 1960 году. Считалось рискованным идти на создание реактора с предельными нагрузками, превышающими ИБР в тысячи раз, и реактор ИБР-2 был спроектирован на 4 МВт. В итоге же пределом рабочего режима ИБР-2 стала мощность 2 МВт. Правильность дальновидного подхода к выбору параметров реактора подтверждена многолетней, более 30 лет (с 1984 года), и безаварийной работой. Модернизированный ИБР-2 был и пока еще остается самым высокопоточным в мире источником тепловых нейтронов для исследований на выведенных пучках, обеспечивая пиковую плотность потока нейтронов на поверхности внешнего замедлителя 6х10¹⁵ н/см²/с и среднюю плотность потока до 10¹³ н/см²/с.

Однако для решения научных задач XXI века требуются более интенсивные потоки нейтронов, особенно длинноволновых нейтронов. Прогресс техники сильноточных протонных ускорителей позволил во второй декаде XXI века осуществить за рубежом ряд проектов источников на основе реакции расщепления тяжелых ядер протонами с энергией порядка 1 ГэВ. Это так называемые spallation neutron sources, где пиковые потоки нейтронов приближаются к 10¹⁶ н/см²/с, а средние по времени - к 10¹⁴ н/см²/с. В прошлом году в работах сотрудников ЛНФ было показано, что импульсные источники медленных нейтронов на основе реакции деления (импульсные реакторы и импульсные бустеры) могут быть конкурентоспособными по отношению к spallation neutron sources и даже значительно, на порядок, превосходить их по пиковым потокам медленных нейтронов при использовании уже освоенных spallation neutron sources ядерных технологий. Средняя по времени векторная плотность потока тепловых нейтронов может достигать 2-3х10¹⁴ н/см²/с (в пересчете на угол 2 - так называемый 2-эквивалент) при мощности реактора 15-20 МВт. Так что заявленные в первоначальном проекте ИБР-2 предельные параметры импульсного реактора вполне реальны для будущего источника нейтронов Объединенного института ядерных исследований в Дубне. Такой источник должен будет сменить реактор ИБР-2, срок эксплуатации которого истекает в начале 2030-х годов.

"А при чем тут Нептун, древнеримский бог морей и океанов, заявленный в названии статьи?" - спросит читатель. Бог морей на самом деле ни при чем, скорее, здесь замешана седьмая планета Солнечной системы, вернее, ее имя. Планета Нептун была открыта в 1846 году, как принято говорить, на кончике пера: английский астроном Адамс и француз Леверье независимо вычислили положение неизвестной планеты, основываясь на видимых отклонениях орбиты планеты Уран от регулярной эллиптической. Направленный в указанную область неба телескоп Галла действительно обнаружил голубую планету, которую, следуя установившейся традиции присвоения планетам имен греческо-римских богов, назвали Нептуном. В дальнейшем астрономы узнали о существовании еще одной, девятой планеты - Плутон (которую в настоящее время относят к "планетоидам", то есть к малым небесным телам Солнечной системы). И тут мы приближаемся к разгадке тайны названия статьи. В середине ХХ века на реакторах и ускорителях были получены первые трансурановые элементы, по аналогии с иерархией планет названные нептунием и плутонием. Дальше плутония планет не нашли, и стали называть следующие сверхтяжелые элементы именами ученых и городов. Что пошло на пользу и славу России и нашей Дубне: дубний, московий, флеровий, оганессон. Плутоний всем известен - за ним будущее атомной энергетики. Нептуний же, элемент с числом протонов в ядре 93 - среднее между ураном и плутонием - был (и пока еще является) "золушкой" трансуранов. Его образуется немало в ядерных котлах среди продуктов цепной реакции - десятки килограммов в год на один блок атомной станции, но широкого применения нептуний пока не нашел (кроме как сырье для наработки плутония-238 - источника энергии на космических аппаратах). В то же время один из изотопов нептуния, нептуний-237, способен поддерживать цепную реакцию, то есть у него есть критическая масса (около 40 килограммов для металлической фазы без замедлителя нейтронов). Естественно, создав (или задумав) ядерный реактор на основе нептуния, назвать его НЕПТУН.

Так зачем и кто задумал строить реактор, который пока условно назовем НЕПТУН? Вернемся к началу статьи - "…такой источник должен будет сменить реактор ИБР-2, срок эксплуатации которого истекает в начале 2030-х годов". Задачи как практического плана, так и имеющие отношение к фундаментальным закономерностям в природе, для решения которых используются импульсные нейтронные пучки ИБР-2, к 2030-м годам текущего века еще заведомо не будут исчерпаны. Сейчас постоянно возникают новые и новые, требующие более интенсивных нейтронных потоков. Ф.Л.Шапиро еще в 60-х годах прошлого века требовал от инженеров создания источников нейтронов, "на три порядка превышающих существующие". Сейчас эти порядки пройдены, и движение вверх возможно лишь на один. И одолеть этот порядок не так просто и не так дешево, как это было полвека назад. Около двух лет в Лаборатории нейтронной физики рассчитывались и обсуждались десятки концепций будущего интенсивного источника медленных нейтронов, который смог бы соперничать с лучшими spallation neutron sources. Сравнение концепций проводилось по шести параметрам. В результате был выбран вариант "супербустера" - это нейтронопроизводящая размножающая мишень сильноточного протонного ускорителя с модуляцией реактивности. Принципиально супербустер - это то же, что работавшая в 1964-1967 годах установка "ИБР + микротрон", только в 10 тысяч раз более мощная за счет интенсивного "поджигающего" источника нейтронов от мишени протонов с энергией 1 ГэВ и высокой тепловой мощности активной зоны в 10-15 МВт. А в качестве ядерного топлива вместо плутония служит нептуний.

Не буду перечислять всех преимуществ использования нептуния - это увело бы нас глубоко в научно-технические дебри. Остановлюсь на двух. Во-первых, нептуний не относится к элементам, на основе которых можно изготовить атомную бомбу. Во-вторых, активная зона реактора с нептунием не нуждается в перегрузках ядерного топлива и может без перерывов работать два-три десятка лет. Для примера: перегрузка топлива в исследовательском реакторе ПИК должна происходить примерно раз в месяц, с соответствующими перерывами в работе и затратами ядерного топлива. Перегрузка реактора с плутонием такой же мощности должна производиться не менее одного раза в год с соответствующим расходом ценного ядерного топлива.

Почему нептуний такой волшебный элемент? Потому, что такие вот свойства ядер в нашем варианте Вселенной приготовила нам природа. На одно исчезнувшее ядро нептуния (которое разделилось и дало "жизнь" трем нейтронам) в реакторе появляется как минимум одно ядро плутония-238. Это - результат двух последовательных ядерных превращений: на одно деление нептуния приходится более одного захвата нейтрона с превращением нептуния-237 в нептуний-238, который быстро превращается в плутоний-238 вследствие бета-распада. А плутоний-238 - легко делящийся изотоп, с избытком компенсирующий исчезновение двух ядер нептуния.

Читатель не забыл, разумеется, трезубец Нептуна в заголовке статьи. Наш Нептун без трезубца, потому что его модулятор реактивности - необходимый узел любого импульсного реактора или супербустера - выполнен совсем не так, как в ИБР-2. Там подвижный отражатель имеет форму вилки и похож на трезубец бога морей. В супербустере ЛНФ ОИЯИ модулятор реактивности будет больше походить на колесо от телеги. "Колесо" будет одно и вращаться со скоростью 10 оборотов в секунду. На ободе - такое вещество, как гидрид титана. Не правда ли, хороша ядерная телега с Нептуном в упряжке?

О планах работ по проектированию и созданию будущего источника нейтронов в ЛНФ ОИЯИ на основе супербустера доложил на ПКК по физике конденсированных сред 19 июня технический руководитель проекта А.В.Виноградов. Он пока не озвучил названия и аббревиатуры будущего источника - надо подождать достойных вариантов. В докладе прозвучало главное: супербустер ОИЯИ с его пиковым потоком не менее 10 в 17-й степени нейтронов на кв. см в секунду на порядок превзойдет действующие и проектируемые spallation neutron sources. При этом стоимость сооружения и эксплуатации такой установки будет в несколько раз меньше, чем супергигантские протонные ускорители spallation neutron sources.

ОИЯИ вступает в гонку преследования со знаменем прошлых побед. Как тут не взглянуть в будущее?!

Евгений ШАБАЛИН, июнь 2017