Сверхмощный «Савелий Моисеевич»: димитровградскому исследовательскому реактору 65

65 лет назад, 10 февраля 1961 года, в Научно-исследовательском институте атомных реакторов (НИИАР) в Мелекессе, ныне Димитровграде, заработал реактор СМ‑1. С первым ковшом грунта, извлеченного из котлована под этот реакторно-экспериментальный комплекс в 1958 году, началась и история института.

Союз Курчатова и Фейнберга

СМ‑1 построили быстро — всего за три года. Он входил в первую сотню стратегически важных для СССР проектов. Руководили разработкой академик Игорь Курчатов и доктор физико-математических наук Савелий Фейнберг.

Курчатов принял Фейнберга в Лабораторию № 2 АН СССР в 1942 году. Тот был сотрудником Института химической физики, а до этого проектировал морские нефтяные платформы для Каспия. Под крылом Курчатова Фейнберг, высококвалифицированный инженер-математик, освоил ядерную физику очень быстро, причем досконально. И занялся реакторами. Первую в мире АЭС, Обнинскую, знал до винтика.

Высокопоточный корпусной водо-водяной исследовательский реактор типа СМ на нейтронах промежуточных энергий (между тепловыми и быстрыми) с нейтронной ловушкой предназначался для наработки изотопов широкого спектра и исследований в области реакторного материаловедения. Это единственная экспериментальная установка, на которой возможно получение далеких трансурановых и транскюриевых элементов, например калифорния‑252 (стоимость — порядка 27 млн долларов за грамм).

Аббревиатуру «СМ» придумал Курчатов. Фейнберг как-то спросил: «Уж не в мою ли честь назвали?» Курчатов Савелия Моисеевича разочаровал, объяснив, что «СМ» — это «самый мощный».

В октябре 1961 года реактор достиг проектных 50 МВт. Мощность его новейшей модификации, СМ‑3, заработавшей в 2020 году, в два раза больше. Это самый высокопоточный реактор в мире.

Твэлы особого назначения

Конструктивно СМ позволяет проводить облучение материалов в отражателе реактора и в активной зоне. Модернизацию реактора проводили путем размещения дополнительных каналов экспериментального объема (с большим диаметром) без существенных изменений конструкции. Однако пришлось удалить из активной зоны большое количество твэлов. Удаление компенсировали, повысив содержание урана в топливной композиции и применив в твэлах материалы с малым сечением захвата нейтронов.

Активная зона с центральной нейтронной ловушкой и бериллиевым отражателем размещается в стальном корпусе диаметром почти 1,5 м и высотой более 7 м. В активной зоне — 28 топливных сборок с высокой концентрацией урана‑235 (двуокиси). Концентрация ядер замедлителя нейтронов (это легкая вода) относительно небольшая.

В СМ‑3 тепловыделяющие сборки двух типов — с 0,94 и 0,8 кг урана‑235. Специально для СМ создавались твэлы, устойчивые к тепловым нагрузкам сверхвысокой интенсивности. В СМ‑1 с 1961 года использовали пластинчатые твэлы, отличавшиеся значительным соотношением площади теплопередающей поверхности и объема. Они продемонстрировали неважную гидравлическую устойчивость и в 1964 году были заменены твэлами с дисперсионной топливной композицией на основе двуокиси урана, заключенной в медно-бериллиевую матрицу в стальной оболочке. В 1972–1973 годах ученые и инженеры НИИАР испытали эти твэлы при повышенной тепловой нагрузке 12–15 МВт/м² (что соответствовало мощности реактора 100 МВт) против первоначальных 6 МВт/м².

Испытывались и другие перспективные виды твэлов — с сердечником из двуокиси урана и порошка электролитического никеля в никелевой оболочке, с алюминиевой, циркониевой матрицей, характеризующейся упорядоченным размещением в ней гетерогенного топлива.

Жизнь продолжается

Реактор СМ — совершенно замечательный инструмент для фундаментальных исследований материалов и элементарных частиц. Благодаря высокой интенсивности нейтронных потоков еще в СМ‑2 был осуществлен ряд крайне важных экспериментов с ультрахолодными нейтронами (нейтронами малых энергий, 10⁻⁷ эВ и меньше), используемыми при изучении динамики тепловых колебаний поверхностных атомов, гравитационных изысканиях и т. д. С помощью СМ‑2 в сотрудничестве с Объединенным институтом ядерных исследований в Дубне были разработаны методы накопления большого количества ультрахолодных нейтронов в ловушках — до 2 тыс. нейтронов в секунду.

СМ‑3, к названию которого сейчас прибавляют УНУ (уникальная научная установка), позволяет проводить ускоренные радиационные испытания конструкционных и топливных материалов, исследования радиационного распухания и формоизменения различных сплавов, радиационно-стимулированной ползучести конструкционных материалов и топлива, исследования вязкости разрушения циркониевых сплавов при низкотемпературном облучении и трещиностойкости материалов и т. д. Плюс, конечно, наработка радионуклидной продукции, в частности изотопов кюрия, берклия, эйнштейния, америция, калифорния, гадолиния, иридия, кобальта, лютеция. Они имеют как промышленное, так и медицинское назначение.

В состав УНУ СМ‑3 входят: низкотемпературная водяная петлевая установка (1,2 МВт), высокотемпературная водяная петлевая установка (100 кВт), установки внутриреакторных исследований механических свойств материалов, стенд для исследования выхода продуктов деления из ядерного топлива, ампулы для массовых испытаний конструкционных материалов и наработки радионуклидов, центр нейтронных измерений, участок аттестации радионуклидных препаратов и физическая экспериментальная модель.

Сегодня реакторы на промежуточных нейтронах не применяются в атомной энергетике, но, по мнению ученых, перспективы для этого есть.

У СМ приоритет в мировой ядерной науке и технике. Американцы создали подобные реакторы (тяжеловодный HFBR и легководный HFIR) позже, причем HFBR уже выведен из эксплуатации. СМ‑3 же благодаря реконструкции и модернизациям, в первую очередь в отношении надежности и безопасности, будет служить до 2040 года, а то и дольше.