К 40-летию реактора ИБР-2

Вспоминая историю, думая о будущем

(Продолжение темы)

На семинаре ЛНФ 22 июня 2022 года (см. №24 еженедельника от 30 июня 2022 г.) были представлены доклады В.Л.Аксёнова "О научной программе для реактора НЕПТУН" и Е.П.Шабалина "О динамике пульсирующих реакторов". Оба доклада имели вторые названия, соответственно: "Есть ли будущее у пульсирующих реакторов?" и "Диалектика познания истины на своих ошибках". Сегодня эти вторые названия стали еще более актуальными. Ниже мы публикуем дополнения докладчиков к своим предыдущим докладам.
 

Е.П.Шабалин. "Диалектика познания истины на своих ошибках"

Так мало пройдено дорог,
Так много сделано ошибок.

С.Есенин

Эпоха пульсирующих реакторов в действительности много длиннее этих 40 лет, прошедших с момента заседания Государственной комиссии по приемке реактора ИБР-2 в эксплуатацию 9 февраля 1984 года. Любопытно, что в день работы этой комиссии скончался генеральный секретарь коммунистической партии СССР Юрий Андропов. Автор этой статьи видит здесь руку судьбы, но об этом он расскажет в другой раз.

В.Л.Аксёнов и Е.П.Шабалин в ПИЯФ.

А история пульсирующих реакторов началась в 1955 году на одном из семинаров в обнинском Физико-энергетическом институте (ФЭИ), где Дмитрий Иванович Блохинцев (тогда директор ФЭИ) огласил свою идею о возможности создания периодически пульсирующего исследовательского реактора. Так что в 2025 году можно будет праздновать 70-летие эпохи пульсирующих реакторов. На этом длинном пути осваивались две "столбовые" дороги - собственно импульсные реакторы периодического действия ИБРы и подкритические системы с размножением источника нейтронов от мишени ускорителя электронов или протонов, так называемые бустеры. Выбор пути всегда был труден, как и у "женщины в окне" Окуджавы: тот прекрасен, но напрасен, этот, видимо, всерьез.

В.Д.Ананьев, Д.И.Блохинцев, Е.П.Шабалин.

Первый ИБР был спроектирован в Обнинске, а построен и запущен 23 июня 1960 года в ОИЯИ, где Блохинцев стал первым директором. Благодаря импульсному характеру испускания нейтронов (импульсы продолжительностью 40 мкс с частотой следования 8 раз в секунду), ИБР при совсем ничтожной мощности 1-6 кВт позволял проводить исследования ядерных свойств элементов и атомных структур веществ с точностью не хуже, чем на реакторах постоянного действия мегаваттной мощности. По мнению научного руководителя ЛНФ до 1973 года Федора Львовича Шапиро, совершенствовать импульсный источник нейтронов надо было по двум направлениям: повышение мощности (вплоть до мегаваттной) и сокращение длительности вспышки нейтронов. В 1964 году был освоен бустерный режим с ускорителем электронов типа "микротрон" - оригинальный компактный ускоритель, позволивший сократить длительность импульса быстрых нейтронов до нескольких микросекунд. Но предельный ток ускоренных электронов оказался недостаточным, чтобы увеличить поток нейтронов, и было решено заменить микротрон на резонансный ускоритель ЛУЭ-40 и модернизировать ИБР с повышением мощности до 25-30 кВт, что и было выполнено к 1969 году.

На "бустерной дороге" оказалось больше препятствий, чем на пути пульсирующего реактора. Из 60 календарных лет работы базовых источников нейтронов в ЛНФ ОИЯИ 29 рабочих лет приходится на ИБР-2 и ИБР-2М и только 17 лет - на долю бустерного режима, в основном это работа усовершенствованной версии первого ИБР - ИБР-30 с ЛУЭ-40 (1969-2001). Третий раз пытались выйти на бустерный путь, создавая линейный индукционный ускоритель электронов ЛИУ-30 длиной 200 метров, который в сочетании с реактором ИБР-2 обещал дать короткие импульсы нейтронов со средней мощностью 500 кВт, что было бы в 25 раз выше, чем на ИБР-30 с ЛУЭ-40.

Однако уже при монтаже первых нескольких индукторов выяснилось, что принципиально невозможно обеспечить устойчивость сильноточного пучка электронов. И ИБР-2 "пошел" по пути пульсирующего реактора с длительностью импульса 200 мкс и мощностью 2 МВт.

Интересно, что цифра 2, которая появилась в названии реактора ИБР-2 как второго после ИБР, оказалась "заколдованной": по иронии судьбы мощность 2 МВт, определенная административно приемной комиссией 9 февраля 1984 г., вследствие технических причин стала реальным пределом для нового реактора, хотя проектная мощность ИБР-2 была установлена в 4 МВт. Персонал на сей раз был адекватен и знал, где надо остановиться. А вот в начальный период работы ИБР-30 (пущен в 1969-м) ошибок было сделано немало. Тут и непродуманная конструкция мишени пучка электронов, и халатность в обеспечении ядерной безопасности, и недостаточный уровень квалификации персонала, делавшего проект. К работам по проекту ИБР-2 (начавшимся почти одновременно с проектом ИБР-30) в 1966 году (а тогда планировалось создать пульсирующий реактор на мощность 10 МВт, то есть сразу сделать скачок более чем в 1000 раз - еще работал ИБР на трех киловаттах) были привлечены наиболее подготовленные инженеры и научные работники, что и сказалось на качестве проекта ИБР-30. И вполне вероятной можно считать аварию 11 июля 1972 года при работе ИБР-30 в режиме редких импульсов (1 импульс каждые 2 секунды) с неисправной системой управления. Тогда произошло плавление металлического плутония в твэлах реактора и разгерметизация одного твэла - того, что в течение долгого времени подвергался бомбардировке электронами, отраженными от мишени. К счастью, весь плутоний сконденсировался в виде окислов на стенках вентиляционной системы и не попал во внешнюю среду. При сооружении и при эксплуатации ИБР-2 и его модернизированной версии (с 2011 года) ничего подобного не происходило - урок 1972 года.

После трех десятков лет в общем-то успешной работы ИБР-2 и с 2011 года - модернизированного реактора (мощностью 1,5-2 МВт, с повышенным потоком нейтронов на выведенных пучках и с холодными замедлителями оригинальной конструкции) встал вопрос о дальнейшей эволюции ИБРов.

Во-первых, близился установленный ресурс здания реактора (2030-е годы), а во-вторых, опыт эксплуатации показал, что есть принципиальный физический запрет на работу выше ~2-3 МВт для пульсирующих реакторов на плутонии типа ИБР-2. Дело в том, что долгое время оставалась неясной причина положительного эффекта реактивности при снижении расхода натрия, влияющего на устойчивость работы реактора ИБР-2М. И только при глубоком анализе динамики пульсирующих реакторов большой мощности группе физиков, занимающихся проектом будущего реактора ЛНФ ОИЯИ, удалось сформулировать особенности пульсирующих реакторов и показать неизбежность колебательной неустойчивости в реакторах типа ИБР-2 с плутониевой загрузкой.

И.М.Франк и Ф.Л.Шапиро.

В 2015-2016 гг. было показано, что эволюция ИБРов на пути увеличения потока нейтронов может продолжаться только с активной зоной на порогово-делящемся изотопе (таком как нептуний-237), что позволяет избавиться от колебательной неустойчивости и достичь предельно возможного потока нейтронов 10¹⁴ н/см²·с во внешних замедлителях исследовательского реактора на быстрых нейтронах. Такие потоки сейчас стремятся получить крупные центры нейтронных исследований с помощью сильноточных протонных ускорителей. Для этого нужно существенно увеличить мощность, вплоть до 10-15 МВт - именно таким был обозначенный Ф.Л.Шапиро рубеж в мощности реакторов типа ИБР. Другого выбора нет, кроме бустера с низким размножением (не более 100) на протонном ускорителе средней мощности. Однако сооружение бустера обошлось бы примерно в три раза дороже, чем исследовательского пульсирующего реактора мощностью 10-12 МВт с активной зоной на основе нитрида нептуния. По всем параметрам, важным для экспериментов на пучках (длительность импульса, фон, длительность топливной кампании без догрузки-перегрузки), НЕПТУН будет превосходить реактор на плутонии, а по потоку нейтронов - и вовсе почти на порядок. Реактор может быть построен с соблюдением всех действующих правил ядерной и общей безопасности. Концептуальный проект такого реактора с очевидным названием НЕПТУН, разработанный совместно ЛНФ ОИЯИ и НИКИЭТ, был одобрен в 2019 году в ГК "Росатом". И с тех пор этот проект буксует; в 2024 году всё еще стоит вопрос о выборе пути. Есть альтернативное НЕПТУНУ и, безусловно на мой взгляд, ошибочное мнение, апологеты которого не опираются на технические оценки и на научно-общественную составляющую ценности нейтронного источника. Они ратуют за продолжение линии плутониевых реакторов (аналог ИБР-2), без какой-либо надежды остаться в лидерах нейтронных исследований с потоком 10¹³ н/см²·с. Немалый мировой опыт говорит, что фундаментальные исследования - это необходимое условие для международных научных центров. Вряд ли дальновидно отказываться от проложенной дороги пульсирующих реакторов, по которой ОИЯИ шагал более 60 лет, непрерывно повышая интенсивность нейтронов и уровень научных исследований. Отказаться - и превратиться только в учебный центр. Решать нужно, и скоро, в современных условиях создание нового реактора любого типа - это 15-20 лет, даже при благоприятной финансовой и технической погоде. "Либо рост, либо погост" - гласит австралийская поговорка. Не скажут про нас добрых слов будущие молодые коллеги, если через десяток лет нейтронная физика ОИЯИ окажется "у разбитого корыта".

И в заключение хочу еще раз отметить, что именно разработка проекта НЕПТУН открыла ранее не известные особенности пульсирующих реакторов и позволила понять и объяснить причины "капризов" ИБР-2М.

В.Л.Аксёнов. "Есть ли будущее у пульсирующих реакторов?"

Одним из крупных достижений ОИЯИ, несомненно, является серия пульсирующих реакторов, не имеющих аналогов в мире. В середине 90-х годов прошлого столетия была реальная угроза, что реактор ИБР-2 окажется последним в этой серии. Не было средств на его эксплуатацию и, тем более, на дальнейшее развитие. Нам удалось преодолеть эти трудности и сегодня у нас есть ИБР-2М. Но опять есть опасность, что он будет последним. Нам представляется полезным вспомнить историю того периода с проекцией на наши дни. У меня нет цели писать летопись лаборатории, поэтому заранее прошу прощения у многих участников тех событий, кто не будет упомянут. Далее сформулированы схематически (прошу не упрекать за не всегда удачные формулировки) ключевые моменты, необходимые для создания нового реактора. Чтобы рассуждения не были абстрактными, они подкреплены конкретными примерами.

Н.Н.Боголюбов и В.Л.Аксёнов

Амбициозная научная программа - основа для любых продвижений нового проекта. Нам, конечно, повезло. В 1986 году была открыта высокотемпературная сверхпроводимость, весь научный мир был увлечен этой темой. В ОИЯИ были все условия для исследований с использованием ядерно-физических методов. Реактор ИБР-2, принятый в эксплуатацию двумя годами раньше, стал главной базовой установкой для общеинститутской темы. Директор ОИЯИ академик Н.Н.Боголюбов, классик современной квантовой физики и создатель теоретических основ явления сверхпроводимости, активно поддержал теоретические и экспериментальные работы в этом направлении, что создало хорошую основу для развития физики конденсированного состояния в Институте. Можно сказать, что я, как директор лаборатории, получил от Николая Николаевича "научный флаг", с которым можно было смело идти вперед.

В наши дни физика по-прежнему богата перспективными для нейтронов направлениями. Не буду здесь повторять все, что было многократно сказано и написано. Отмечу только для примера возможность создания на реакторе НЕПТУН фабрики нейтрон-избыточных нуклидов для ядерной физики и астрофизики. Это научное направление пересекается с исследованиями ЛЯР имени Г.Н.Флёрова. Важно, чтобы научная программа ЛНФ была в составе общеинститутской научной программы.

Первый семинар в ЛНФ с идеей реактора НЕПТУН Е.П.Шабалин провел в мае 2015 года. Первый официальный доклад управляющим научным органам ОИЯИ о научной программе для реактора НЕПТУН был представлен в январе 2017 года на ПКК по физике конденсированного состояния. Разработка научного обоснования проекта была начата, но, к сожалению, окончательного документа, который можно было бы представить в государственные органы, до сих пор нет.

Яркие технические решения для экспериментальных комплексов. В 1990-1992 гг. совместно с физиками ПИЯФ РАН (Гатчина) и Центра технических исследований Финляндии был создан первый на импульсном источнике нейтронов фурье-дифрактометр высокого разрешения. Этот дифрактометр, позволяющий проводить измерения с практически предельным для нейтронной кристаллографии разрешением, разрушил существовавшее в научном сообществе предубеждение относительно ограниченности возможностей ИБР-2 и вывел его в число передовых импульсных источников нейтронов в мире.

В определенном смысле аналогом в наши дни мог бы стать комплекс очень холодных и ультрахолодных нейтронов на реакторе НЕПТУН.

Подготовка кадров - процесс непростой и длительный. О подготовке научных кадров для реализации стратегических планов развития нейтронных исследований в ОИЯИ подробно изложено в статье в "Сообщениях ОИЯИ" Р3-2021-14.

Поддержка научного сообщества абсолютно необходима, особенно в современной жизни. В 1990-е годы была сформирована Государственная программа РФ по нейтронным исследованиям вещества, в которой ЛНФ играла лидирующую роль, Россия стала членом Европейской ассоциации по рассеянию нейтронов и наконец, - страной-участницей Европейского центра нейтронных исследований - Института имени Лауэ и Ланжевена (Гренобль, Франция). В наши дни это все может иметь другие формы, но очевидно, что активное участие в национальных и международных проектах создает атмосферу взаимной поддержки на всех уровнях и над этим надо работать.

Взаимодействие с "Росатомом" . Отношения с ГК "Росатом" (ранее Министерство среднего машиностроения, Министерство по атомной энергии) имеют решающее значение при любых действиях с ядерными реакторами. Они основываются на всем выше сказанном. Мой опыт показывает, что ни один из этих пунктов исключить нельзя. Материал для реакторного топлива выделяется исходя из значимости научной программы и государственного интереса. Существует предубеждение, что "Росатом" интересуют только прикладные исследования. Это не так. Превращения нейтрона в антинейтрон или рассеяние нейтрона на нейтроне "Росатом" интересует точно так же, как и все научное сообщество. Еще раз хочу выразить благодарность министрам тех лет за постоянную поддержку. Л.Д.Рябев и В.Н.Михайлов помогали решать вопросы с материалом для топлива реакторов в Дубне и в Гренобле. Вопрос с модернизацией реактора ИБР-2 окончательно решил Е.О.Адамов, когда согласился оплатить за счет средств Минатома все работы предприятий министерства. Подчеркиваю, что эти решения принимались после многократных обсуждений на различных НТС и при мощной поддержке научного сообщества.

С проектом реактора НЕПТУН начало на этом пути было положено на совместном заседании президиума НТС "Росатома" и дирекции ОИЯИ 11 декабря 2019 года, где проект вызвал большой интерес и поддержку. Было подписано соглашение между "Росатомом" и ОИЯИ. К сожалению, эта деятельность не получила развития.

Есть еще одно условие - темп принятия решений и производства работ. Я бы еще добавил - условие решимости. Для начала надо было хотя бы определить площадку для будущего реакторного комплекса и возможности инженерно-технического обеспечения. Это необходимо даже с формальной точки зрения при разработке эскизного проекта. Например, проектные работы над реактором ИБР-2 еще не были закончены, а на выбранной площадке уже шли строительные работы. И не надо нам рассказывать, что были другие времена. Как сказал поэт, "времена не выбирают, в них живут и умирают".

Резюме. К сожалению, вышеизложенные условия реализации таких крупных проектов, как НЕПТУН, не выполняются. Заметим, эти условия необходимы для любого нового интенсивного источника нейтронов. Сегодня потерян темп и потеряна цель.

Мы заблудились в трех соснах: реакторы НЕПТУН, ИБР-4 ("улучшенный", по мнению авторов, проект реактора ИБР-2; по нашей же оценке это попытка идти вперед с головой, повернутой назад) и альтернативный вариант компактного источника нейтронов на базе ускорителя протонов или дейтронов. Классическая ситуация лебедя, рака и щуки. Очевидно, что мы зашли в тупик. В ситуации, когда нет возможностей двигаться по выбранному пути, надо выбирать другую траекторию.

Представляется логичным вступить в кооперацию с более опытным в строительстве импульсных реакторов партнером. У нас успешно развивается совместная работа с РФЯЦ ВНИИТФ имени академика Е.И.Забабахина (г. Снежинск) по изучению вопросов динамической устойчивости реактора НЕПТУН. Физики ЛНФ в начале 2000-х гг. проводили фундаментальные эксперименты по прямому измерению сечения рассеяния нейтрона на нейтроне с использованием одного из мощных импульсных реакторов ВНИИТФ. Ученые этого института неоднократно высказывали заинтересованность в продолжении работ. Нам представляется перспективным объединение усилий двух институтов и в создании реактора НЕПТУН. Возможно, на этом пути мы сможем реализовать новые идеи и новые технологии в продолжении серии уникальных пульсирующих реакторов и получить рекордные параметры для новых физических исследований.