Реактор без АЭС, или зачем нужны нейтроны
Боливийский Эль-Альто на четыре километра ближе Москвы к небу. Это один из самых высокогорных мегаполисов мира, и главный общественный транспорт здесь — канатные подъемники.
Эль-Альто славится воскресным рынком, где можно купить все на свете, и памятником Че Геваре. Кроме них в объективы туристов попадают национальные костюмы, которые местные жители носят наравне с европейской одеждой — и, пожалуй, все. В таком месте не ожидаешь обнаружить стройплощадку ядерного реактора. Но она там есть, и через несколько лет в Эль-Альто заработает первая в Боливии ядерная установка. Однако ни электричества, ни тепла боливийцы от нее не получат. Главным продуктом реактора станут нейтроны.
Фабрика нейтронов
Нейтроны — лишенные электрического заряда частицы, вместе с протонами составляющие ядро атома — выделяются во всех ядерных реакторах. Они и продукт, и двигатель реакции деления атомных ядер. В зависимости от состава топлива и среды, созданной в реакторе, поток нейтронов может быть более или менее плотным, а нейтроны могут иметь разную скорость.
В тридцатые годы изучение способности нейтронов заставлять ядра урана раскалываться на части привели физиков к мысли о возможности самоподдерживающейся цепной реакции ядерного распада. Поначалу эта мысль многих шокировала, потому что ученые представили себе такую реакцию «без тормозов» — другими словами, атомную бомбу. Однако вскоре стало понятно, что реакцией можно управлять, меняяч характеристики нейтронного потока. В 1942 году в Чикаго команда Энрико Ферми запустила первую в истории управляемую самоподдерживающуюся реакцию.
За прошедшие с тех пор десятилетия технология ядерных реакторов разделились на две основных ветви. Первая — энергетическая: это реакторы для атомных станций, предназначенные для генерации тепла, которое используется для генерации электроэнергии и реже — для отопления. Вторая — исследовательская. Исследовательские реакторы помогают отвечать на вопросы фундаментальной физики, но не только. Они проектируются так, чтобы давать поток нейтронов с характеристиками, которые позволяют выполнять множество прикладных задач, от наработки полезных изотопов до поиска токсичных элементов в воде и еде.
Кузница изотопов
Первый в мире ядерный реактор — тот, что построил Ферми и его коллеги — был исследовательским. С его помощью ученые доказали, что теоретические расчеты верны и управляемая самоподдерживающаяся реакция возможна, и установили несколько важных физических констант. Но в разгар Второй мировой войны важнее было другое: возможность нарабатывать в реакторе плутоний. Этот элемент почти не встречается в природе, но используя уран как сырье, а поток нейтронов как инструмент, его начали получать в заметных количествах.
С тех пор ядерные реакторы помогли освоить получение десятков несуществующих в природе элементов. Погружая в гущу нейтронного потока вещество-мишень, физики получают, например, самый дорогой в мире металл — калифорний-252, стоимость грамма которого доходит до десятков миллионов долларов в зависимости от способа производства. Он используется в приборах для анализа химического состава веществ и в медицинских установках. Кроме калифорния-252 в реакторах нарабатывается еще несколько десятков полезных изотопов.
Исследовательский реактор — не единственный инструмент наработки изотопов. Их производят и на энергетических реакторах, и на ускорителях частиц. Однако специальные реакторные установки составляют основную часть мировых производителей изотопов, уступая ускорителям только отдельные позиции. Будет давать изотопы — преимущественно медицинского применения — и будущий боливийский реактор.
Из наработанных на боливийском реакторе радионуклидов там же, в Эль-Альто будут синтезировать радиофармпрепараты. И там же, в Центре ядерных исследований и технологий будет расположен предклинический циклотронно-радиофармакологический комплекс и многоцелевой центр облучения. Каждый год Центр будет выпускать радиофармпрепараты для 5000 процедур по диагностике и лечению рака. Все объекты этого проекта реализует госкорпорация «Росатом» при поддержке боливийского правительства.
Вопросы истории и не только
Нейтроны годятся не только для сбора «урожая» редких и полезных изотопов. Они — незаменимый инструмент сверхточного анализа химического состава вещества. Облучая исследуемый материал нейтронами и изучая спектр гамма-излучения, которое дает облученный образец, ученые определяют исчезающе малые примеси любых элементов, иногда до десятимиллиардных долей процента
С помощью этого метода французские физики установили элементный состав волос Наполеона — и доказали, что император не был отравлен на острове святой Елены. А их российские коллеги провели анализ элементного состава волос матери Ивана Грозного Елены Глинской и нашли в них ртуть, подкрепив версию об отравлении великой княгини.
Историки — далеко не единственные из тех, кто получают с помощью нейтронов ответы на свои вопросы. Нейтронно-активационный анализ используют экологи для определения примесей в воде, почве и живой материи, геологи — для поиска ценных элементов в бедных породах, а технологи с его помощью контролируют содержание нежелательных веществ в продуктах, от рыбы до вина.
Рентген наоборот
Если измерить не гамма-излучение облученного нейтронами образца, а то, сколько нейтронов проходит насквозь (и насколько нейтроны теряют при этом в скорости), можно создать 3D-изображение внутренней структуры образца. Этот метод называется нейтронной радиографией. Его результат похож на медицинскую рентгенограмму с той лишь разницей, что на рентгеновском снимке ярче выглядят участки, содержащие тяжелые элементы, а на нейтронной радиограмме — легкие.
На снимке руки с золотым кольцом мягкие ткани будут темными, а золото очень ярким. На нейтронной радиограмме же заметнее всего будут выглядеть участки, содержащие легкие элементы — водород, углерод, кислород, то есть живая ткань. Нейтронные радиограммы показывают внутреннее строение самых разных объектов: от костей динозавров до метеоритов и конструкционных сталей.
Исследовательские реакторы часто служат полигонами для испытания материалов и конструкции, которые будут работать в других ядерных установках. ИР позволяют на короткое время создавать условия, имитирующие разные режимы эксплуатации реакторов, в том числе аварийные. На ИР проверяют, как поведут себя материалы под плотным нейтронным потоком, тестируют новые виды ядерного топлива.Иначе говоря, исследовательские реакторы нужны, чтобы строить новые реакторы — в том числе энергетические. В 2026 году ГК «Росатом» планирует завершить строительство нового исследовательского реактора МБИР, одной из главных задач которого станет проведение исследований для нужд ядерной отрасли.
Реактор-алхимик
Поток нейтронов из реактора помогает не только изучать вещество, но и менять его химический состав — почти так, как мечтали средневековые алхимики. Мы уже говорили о том, что в реакторах нарабатывают редкие или не существующие в природе изотопы. Однако в некоторых случаях реактор используют не для того, чтобы получить и затем выделить чистый новый элемент, а для того, чтобы добавить в чистый материал нечто новое.
Подвергая точечной нейтронной бомбардировке чистый кремний, на выходе получают совсем другой материал, в котором часть атомов кремния в нужном количестве и в нужных местах заменена на атомы фосфора. Этот новый материал используется в специализированной полупроводниковой технике — в частности, в сверхчувствительных приборах.
Реактор — учебное пособие
На трети из порядка 220 действующих сегодня исследовательских реакторов ведется наработка полезных изотопов, на 22 выпускают легированный кремний, на 15 потоком нейтронов меняют цвет драгоценных камней. Но чаще всего реакторы используют для того, чтобы учить. На них работают студенты-физики, будущие инженеры, энергетики, химики и материаловеды. Прошедшие школу ИР специалисты работают везде, где требуется знание ядерной физики и технологии — в том числе клиниках, где используют методы ядерной медицины.
Для стран, не имеющих собственной истории ядерных исследований, такие реакторы — единственная возможность обучать специалистов, не отправляя их за рубеж. Поэтому будущий реактор в Эль-Альто — не только новая достопримечательность, но и гарантия того, что Боливия сможет пользоваться достижениями ядерной науки наравне со странами, в которых она зародилась.
Важнейшее в истории мирного атома
Пуск первого в Евразии ядерного реактора Ф-1
Успешный пуск реактора Ф-1 подтвердил возможность создания мощного промышленного реактора для получения плутония для атомной бомбы.
Первый токамак — установка для осуществления реакции термоядерного синтеза
В настоящее время токамак считается наиболее перспективным устройством для осуществления управляемого термоядерного синтеза.
Первая атомная электростанция, давшая ток в общую сеть
Первая в США АЭС Шиппингпорт с одним реактором мощностью 68 МВт заработала в 1958 году. А первой в мире АЭС, выдавшей ток в общую электросеть, стала в 1954 году советская Обнинская АЭС. Ее мощность составляла 5 МВт.
Первый завод центрифужного разделения изотопов урана
Начало новой эпохи в атомном проекте.
Первая советская атомная подводная лодка «Ленинский комсомол»
Проект был прорывом в кораблестроении. Эти корабли положили начало советского атомного подводного флота, который в лучшие времена имел в составе более 300 АПЛ.
Первый советский водо-водяной реактор ВВЭР-210
Первый в мире энергоблок с реактором на быстрых нейтронах БН-30
России принадлежит технологический приоритет в разработке и эксплуатации таких реакторов, что открывает практически неограниченные возможности для использования энергетического потенциала ядерного топлива, в том числе отходов АЭС и оружейного плутония.
Атомный ледокол «Арктика» — первое надводное судно, достигшее Северного полюса
Поход «Арктики» стал настоящей сенсацией и позволил еще больше продлить период навигации в Северном Ледовитом океане по кратчайшим маршрутам.
Первый промышленный реактор на быстрых нейтронах БН-600
С момента остановки реактора «Феникс» во Франции в 2009 году и до запуска также на Белоярской АЭС реактора БН-800 в 2015 году реактор БН-600 оставался единственным в мире действующим энергетическим реактором на быстрых нейтронах.
Российская АЭС в Китае
Заключен контракт на строительство Тяньваньской АЭС — самого крупного объекта экономического сотрудничества России и КНР.
Создание госкорпорации «Росатом»
Помимо обеспечения национальной безопасности (ядерное сдерживание), ядерной и радиационной безопасности, в задачи компании входит развитие прикладной и фундаментальной науки.
Первый Информационный центр по атомной энергии — в Томске
Центр рассказывает школьникам и взрослым томичам о природе атомной энергии и принципах работы АЭС. Объемное изображение и стереозвук, интерактивные блоки и викторины создают эффект непосредственного участия зрителя в программах.
Второй блок Ростовской АЭС
Энергоблок № 2 Ростовской АЭС стал первым российским энергоблоком, сданным в промышленную эксплуатацию после создания «Росатома».
Новые центрифуги — в 10 раз больше обогащенного урана
Завершились испытания центрифуги для разделения изотопов урана девятого поколения. Ее производительность на порядок выше, чем у центрифуг предыдущих нескольких поколений.
Первый российский атомоход
На воду спущен головной атомный ледокол «Арктика» проекта 22220. Ледоколы этого проекта пришли на Севморпути на смену судам советской постройки.
Первый реактор поколения 3+ — Нововоронежская АЭС
Стал первым в мире атомным энергоблоком нового поколения, введённым в эксплуатацию. За пять лет работы энергоблок выработал суммарно свыше 35 млрд кВтч - такого количества электроэнергии хватило бы, чтобы целый год обеспечивать работу всего железнодорожного транспорта одного из крупнейших потребителей электричества в стране – компании «РЖД».
Первая плавучая атомная станция «Академик Ломоносов»
Плавучая станция дает на берег электроэнергию и тепло, а еще опресняет морскую воду — от 40 до 240 тысяч тонн в сутки. ПАТЭС может с моря подходить к тем населенным пунктам, рядом с которыми нельзя построить наземную АЭС.
Атомный нацпроект
Утверждена программа «Развитие техники, технологий и научных исследований в области использования атомной энергии в Российской Федерации на период до 2024 года». В составе программы пять федеральных проектов: «Двухкомпонентная ядерная энергетика», «Экспериментально-стендовая база», «Термоядерные и плазменные технологии», «Новые материалы и технологии» и «Референтные энергоблоки атомных электростанций».
Начало строительства реактора БРЕСТ-300
Уникальный реактор строится в рамках проекта «Прорыв». Задача проекта — создать технологическую платформу с замкнутым ядерным топливным циклом, продемонстрировать решение проблем отработанного ядерного топлива и обеспечить лидерство российских технологий в мировой атомной энергетике.
Создано Главное управление Севморпути
Росатому передали функции управления Северным морским путем.
