С новым импульсом: уникальный исследовательский реактор запустили после ремонта

17 февраля в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) стартовал первый, тестовый цикл работы импульсного исследовательского пучкового реактора на быстрых нейтронах ИБР‑2, остановленного в октябре 2021 года из-за неисправности теплообменников. После проверки характеристик реактора и настройки оборудования ученые возобновят эксперименты.

От митохондрии до горных пород

ИБР‑2 — единственный в мире реактор с подвижным отражателем. Этот элемент отвечает за механическую модуляцию реактивности и длительность нейтронного импульса. Области исследования — физика конденсированных сред, биология, химия, материаловедение.

На многочисленных экспериментальных установках ИБР‑2 — дифрактометрах, спектрометрах, рефлектометрах и сцинтилляционных детекторах — сотрудники ОИЯИ и других научных центров и институтов проводят нейтронный активационный анализ, изучают спин нейтрона, процессы деления атомных ядер, структуры нанообъектов. Так, с помощью фурье-­дифрактометра изучают строение вещества, структуру моно- и поликристаллов, новые типы материалов — например, геометрически фрустрированные магнитные для нового поколения устройств спинтроники, наноэлектроники, записи и хранения информации. Благодаря нейтронно-­активационному анализу на установке «Регата» было определено, что голова античной статуи, найденная в Керченском проливе, родом из Центральной Италии, а не из Греции, как предполагалось сначала.

Нейтронные исследования, помимо прочего, применяются в геофизике: картину протекавших в горных породах процессов можно восстановить по ориентации кристаллитов. Так, на ИБР‑2 исследовали керны из Кольской сверхглубокой скважины, поднятые с глубины 8–10 км. Эти данные позволили проверить и дополнить модели тектонических процессов, проходивших в регионе.

Три воплощения ИБР‑2

Реактор ввели в эксплуатацию в 1984 году в Лаборатории нейтронной физики (ЛНФ) им. Франка в ОИЯИ. За 22 года провели почти 200 сеансов экспериментов, длившихся суммарно более 47 тыс. часов. Период эксплуатации для реакторного оборудования достаточно длительный, и к 2006 году проектный ресурс некоторых важных систем подошел к концу.

В модернизации ИБР‑2 участвовали Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов им. Бочвара, «Маяк» и другие предприятия атомной отрасли. Был заменен корпус, внутренние и околореакторные устройства, система электропитания, аппаратура систем управления, защиты реактора и контроля технологических параметров. Увеличился поток тепловых нейтронов и ресурс подвижного отражателя.

В 2011 году реактор запустили. Через 10 лет, в 2021 году, потребовалась замена воздушных теплообменников. На длительную остановку никто не рассчитывал: поставка новых ожидалась осенью 2022 года. Однако их производство затянулось. Тем временем срок лицензии Ростехнадзора на эксплуатацию установки подошел к концу. Без действующей лицензии проводить ремонт нельзя.

Следующие два года ушли на получение разрешений и ремонт. Были глубоко модернизированы многие инженерные системы. «Последние три с половиной года реактор не работал, нужно было решить некоторые технические проблемы: мы меняли существенную часть оборудования, — рассказал директор ЛНФ Егор Лычагин на сессии программно-­консультативного комитета ОИЯИ по физике конденсированных сред. — Сейчас работа полностью завершена, мы получили дополнение к условиям действия лицензии и имеем возможность включать реактор на полную мощность. В середине февраля запустили тестовый цикл: будем изучать, как реактор себя ведет после длительной остановки, экспериментаторы настроят и проверят свое оборудование. Если тестовый цикл пройдет успешно, весной планируем организовать два цикла экспериментов для исследователей ОИЯИ и других экспериментаторов по системе быстрого доступа к пучкам».

ТВОРЕНИЕ БЛОХИНЦЕВА

История импульсных реакторов на быстрых нейтронах началась в Обнинске. В 1955 году физик Дмитрий Блохинцев изложил коллегам идею пульсирующего реактора. В мире ничего подобного не существовало.

В разработке теории импульсного реактора принимали участие сотрудники Физико-энергетического института им. Лейпунского. Они придумали устройство, в котором зажигается управляемая цепная реакция в виде коротких импульсов с выбросом нейтронов. А Дмитрий Блохинцев предложил конструкцию реактора с двумя активными зонами — неподвижной на статоре и быстро вращающейся на роторе. Реактор переходит в сверхкритическое состояние, когда ротор проскакивает мимо статора. Мощная цепная реакция развивается на доли секунды и затухает с удалением ротора. Из реактора вылетают нейтроны разных энергий: от тепловых до быстрых, возникающих в виде короткого импульса сразу после процесса деления.

Первым в мире пульсирующим реактором на быстрых нейтронах стал ИБР‑1, его запустили в 1960 году. От идеи Дмитрия Блохинцева до физпуска прошло меньше пяти лет.