Архив

Первый в мире пульсирующий реактор ИБР

ХХ век заслуженно называют ядерным веком. Все фундаментальные знания о ядерных свойствах вещества и основы их технического применения стали известны уже к середине века. Поэтому люди моего возраста оказались только свидетелями 50-летних юбилеев всех исторических фактов мирового значения в ядерной физике и технике, начиная с доказательства существование ядер Э.Резерфрдом в 1911 году (наступил уже и вековой юбилей!) и кончая вводом в действие первой в мире атомной (точнее сказать – ядерной) электростанции в г.Обнинске в России в 1954 г. Здесь уместно упомянуть и открытие нейтрона (Чэдвик, 1932), на праздновании 50-летия которого в Кембридже, в знаменитом Тринити Колледже, мне посчастливилось присутствовать и сделать доклад; и, конечно, открытие деления урана О. Ганом, Ф. Штрассманом, Л. Мейтнер и Отто Фришем. Последний имеет отношение и к юбилею, которому посвящена эта статья.

Помимо событий мирового значения, в истории ядерного века есть много значительных достижений, оказавших влияние на отдельные отрасли ядерной науки и техники. Одним из таких событий является пуск первого в мире пульсирующего реактора периодического действия (fast pulsed reactor) более 50 лет назад.

Итак, 23 июня 1960 года. В Объединенном институте ядерных исследований – международном научном центре в Дубне, в 130 км к северу от Москвы, идет пуск первого в мире пульсирующего реактора ИБР. Реактор состоит из трех активных зон – двух плутониевых, неподвижных, и одной подвижной, из урана. Подвижная часть зоны – цилиндрическая «лепешка» урана весом около 4 кг – запрессована в массивный стальной диск, вращающийся с частотой 50 Гц. Соответственно, 50 раз в секунду на короткое время порядка 200-300 мкс коэффициент размножения нейтронов возрастает на несколько процентов. Оператор, вводя медленно в активную зону регулирующий урановый блок, постепенно приближает реактор к состоянию надкритичности по мгновенным нейтронам в период совпадения подвижной и неподвижных зон.

На пульте – создатели этого нового типа реакторов, автор идеи и директор ОИЯИ Дмитрий Иванович Блохинцев (известный физическому миру больше как автор учебника по квантовой механике и монографии по нелинейной акустике и руководитель создания Первой Атомной), руководитель пуска Юрий Яковлевич Стависский (соавтор теории ИБРа вместе с И.И. Бондаренко), физики из Физико-энергетического института в Обнинске, где реактор проектировался, и молодые физики-реакторщики Дубны. Вот как описывает этот первый вывод реактора в критическое состояние Д.И. Блохинцев (1908-1979) в мемуарной брошюре «Рождение мирного атома»:

«Новое движение регулирующих стрежней, новый рост умножения нейтронов. Мы уже близки к цели. Все замирают... Кто-то говорит: «Сейчас пойдет». Другой взволнованно: «Осталась одна тысячная». Новое измерение. Стрелки приборов на пульте пошли. Медленно, ровно движется зайчик гальванометра. Кто-то пишет: «Период около минiуты», нарастает звук щелкуна; это уже не отдельные капли редкого дождя — это веселый, бойкий дождик, рассыпающийся звоном по крыше: реактор пошел!

Ожил тяжелый металл, и теперь рвется самое сердце атомов. Сотни, тысячи, миллиарды нейтронов рождаются и вновь захватываются в ничтожные доли секунды: началась цепная реакция…

Опыта управления таким реактором еще не было, и нужно было проявить большую осторожность, чтобы изучить все его «повадки».

Нас беспокоили флуктуации ядерной реакции, опасность перехода из микромира в макромир. Да и в самом деле, одно время казалось, что умопомрачительный хаос микромира вот-вот ворвется в мир порядка, в макромир, и разрушит наши планы, а может быть и нас самих. Беспокойно метались зеленые линии осциллографа: не было и следа закономерности.

Тогда я подумал о том, что живи мы в микромире, наши нервы не выдержали бы подобного хаоса. Мы нуждаемся в некотором порядке: на Земле, в море, в атмосфере и в обществе. Ни одно живое существо не в состоянии выдержать слишком частых и резких перемен».

Флуктуации амплитуды импульсов мощности реактора действительно выглядели угрожающе – некоторые импульсы вообще не развивались. Однако это явление, связанное с малым числом начальных нейтронов – «родоначальников» всех нейтронов в импульсе (в начале – интенсивность изотопного «поджигающего» источника нейтронов, затем – интенсивность запаздывающих нейтронов), исчезало при увеличении мощности: «…с ростом средней мощности реактора закон больших чисел взял свое — случайные отклонения стали относительно меньше, реакции стали спокойнее. Атомный котел стал управляем… Обуздан неистовый атом плутония. Впервые в мире реактор заработал в сверх-критическом режиме — пунктирная линия маленьких атомных взрывов. Мы как бы дразнили прирученную атомную бомбу тысячи раз в минуту. …Распили шампанское. Пошли всей бригадой на Волгу купаться...».

Работы по созданию ИБРа, его пуску и в начальном периоде эксплуатации велись с энтузиазмом, характерном для социалистической России 50-60-х годов. Руководителю пуска Юрию Стависскому (1927-2010) накануне первого выхода в критику исполнилось только 33 года, почти все остальные участники были моложе. Дело шло споро, весело, много шутили, писали сценарий мультфильма о том, как «…какие-то люди прикатили большое колесо, и нам начали давать талоны на обед (спецпитание). Затем появился маленький лысый дядя (Стависский) и закрутил колесо – оказалось, что это реактор. И нас перестали кормить спецпитанием...»

ИБР посещали многие известные люди. Мне повезло присутствовать при посещении реактора П.Л. Капицей в его традиционной украинской косоворотке (кстати, его сын, Сергей Капица, был автором ускорителя-микротрона, который позднее был «состыкован» с ИБРом). Запомнилась фраза Нильса Бора, когда он находился в зале реактора ИБР: «Это простая и изящная машина». Были и одиозные посетители – В.М. Молотов, печально известный в истории соавтор Риббентропа по подписанию секретного протокола 1939 года, приезжал на ИБР перед отъездом в Вену в ранге представителя СССР в МАГАТЭ.

Здесь уместно вернуться к вопросу: какое отношение имел английский физик Отто Фриш к ИБРу? Вообще говоря, никакого, кроме того, что он в рамках Манхеттенского проекта в 1945 году «пощекотал хвост спящего дракона» - так назвал Фейнман придуманный Фришем опыт по измерению времени жизни поколения нейтронов в делящемся ансамбле. Опыт состоял в создании одиночных импульсов цепной реакции деления в плутониевой сборке при пролете вблизи нее сброшенного с высоты 6 метров куска урана. Это были первые в истории вспышки цепной реакции на быстрых нейтронах, т.е. в надкритическом реакторе. Однако принципиальное отличие ИБРа – это периодические, непрекращающиеся импульсы цепной реакции на мгновенных нейтронах при значительной средней мощности. Тем не менее Отто Фриш был назван «отцом» импульсных реакторов на международном (японо-американо-русском) симпозиуме 1976 года по импульсным реакторам. Там же американские и японские коллеги отдали дань ИБРу – Д.И. Блохинцев был признан «матерью» импульсных реакторов.

Главная забота создателей ИБРа состояла в достижении короткого импульса мощности. Здесь пришлось идти на компромисс – высокая скорость вращения ротора с урановой подвижной зоной, обеспечивавшая короткий импульс, была принесена в жертву безопасности. Однако сократить импульс все же удалось через четыре года: И.М. Франк и Ф.Л. Шапиро предложили дополнить его электронным ускорителем — микротроном. И реактор превратился в импульсный бустер – внутри активной зоны была установлена нейтронопроизводящая мишень, облучаемая импульсами быстрых (30 МэВ) электронов синхронно с вращением подвижного уранового вкладыша.

Первая в мире размножающая мишень действовала с 1959 г. в Харуэлле (Англия). Но там отсутствовал модулятор реактивности, и коэффициент усиления ее был равен 10. В ИБРе нейтроны мишени размножались в реакторе в 200 раз, а длительность импульса сократилась с 40 мкс до 3 мкс! Тем самым резко повысилась точность измерений ядерных сечений.

Проектом предусматривалось использование ИБРа только для измерения ядерных нейтронных сечений. Но уже вскоре после пуска польский физик Е.Яник и Ф.Л. Шапиро поняли огромную эффективность его для работ по исследованию структуры и динамики конденсированных сред. Длительность импульса как раз соответствовала времени жизни медленных нейтронов во внешнем замедлителе, и это обеспечивало высокое «качество» нейтронной спектроскопии по времени пролета для структурной нейтронографии и неупругого рассеяния медленных нейтронов. В реакторном режиме средняя мощность была вскоре поднята до 6 кВт. В отдельных импульсах мощность ИБРа достигала огромных значений — 700 МВт за счет уменьшения частоты импульсов (до одного импульса за 10 секунд) с сохранением средней мощности. Такой режим дал возможность провести в 1968 году пионерский эксперимент по наблюдению ультрахолодных нейтронов группой выдающегося физика Федора Львовича Шапиро (1915-1973) в составе В.И. Лущикова, А.В. Стрелкова и Ю.Н. Покотиловского. Это был последний сеанс работы первого в мире импульсного реактора периодического действия ИБР.

В течение восьми лет работы, первый в мире пульсирующий ИБР доказал свою управляемость и надежность. На нем было выполнено большое число физических исследований с активным участием ученых из стран-участниц ОИЯИ. Эти исследования позволили полнее представить структуру атомного ядра и изучить новые типы реакций. Были получены новые данные о структуре и динамике твердых и жидких тел; сотрудники ФЭИ уточнили важнейший фактор для ядерной энергетики — коэффициент воспроизводства ядерного топлива.

Успешная работа первого ИБРа дала импульс к продолжению линии импульсных исследовательских реакторов в Дубне. В 1969 году ИБР был заменен на реконстрированную версию со средней мощшостью 25 кВт – ИБР-30. С 1982 года в Дубне работает пульсирующий реактор со средней мощностью 2 МВт – ИБР-2. В нем в качестве модулятора реактивности выступают два вращающихся в противоположных направлениях ротора-отражателя решетчатой конфигурации.

К настоящему времени действует модернизированный вариант ИБР-2 – ИБР-2М. Одним из его отличий от предшественника является наличие «холодных» замедлителей нейтронов нового типа – pelletized moderators, в которых действующим веществом служат шарики из замороженных ароматических углеводородов – наиболее радиационно-стойких водородосодержащих веществ.

Почему, несмотря на явные достоинства импульсных периодических (или пульсирующих) реакторов как исследовательских аппаратов, Дубна остается в течение 50 лет единственным местом, где работают такие установки?

Это происходит по двум причинам. Первая – из-за опасения по поводу безопасной работы реактора в надкритическом состоянии. К этому есть некоторые основания. В 1972 году при работе в режиме редких импульсов, в реакторе ИБР-30 произошла разгерметизация одного из тепловыделяющих элементов. Радиация не вышла за пределы зала реактора, но произошедший эпизод заставил сотрудников реактора более глубоко подойти к анализу его безопасности (в те годы в России не существовало специального органа надзора за ядерной безопасностью исследовательских реакторов), и в результате появились дополнительные системы слежения и защиты против нештатных ситуаций. Позднее, в 80-е годы, была теоретически обоснована возможность возникновения в пульсирующем реакторе особого вида неустойчивости – «импульсной», которая ведет к сложному неуправляемому режиму – детерминированному хаосу. Однако этот режим может возникнуть только при значительной средней мощности пульсирующего реактора – около 6-7 МВт и выше. Интересно, что в разработанном в 60-е годы в США проекте импульсного быстрого реактора на мощность 30 МВт этот эффект не учитывался, и такой реактор мог бы работать только на мощности нескольких мегаватт.

Но не это главное – работа ИБРа, особенно в режиме размножающей мишени, абсолютно безопасна. Основную же роль сыграло бурное развитие сильноточных ускорителей протонов в 70-е годы. Производство нейтронов на протонной мишени при энергии протонов 1 ГэВ энергетически в сотню раз выгоднее, чем производство нейтронов на ускорителях электронов. И начиная с первого импульсного источника нейтронов ZING-P, созданного Джеком Карпентером в 1973 году на базе протонного 500 MeV ускорителя в Аргоннской Национальной Лаборатории, в мире началось строительство все более мощных spallation neutron sources – так назвали эти установки. Сейчас их мощность достигает 1-2 МВт, а в будущем европейском гиганте ESS она предполагается равной 5 МВт. Кстати, Джек Карпентер вместе с Юрием Стависским были отмечены золотой медалью имени Нобелевского лауреата И.М. Франка за пионерские работы в области создания импульсных периодических источников нейтронов.

Сравнение нейтронных характеристик ИБР-2 и современных spallation neutron sources – задача не простая: эффективность этих машин зависит от типа нейтронного спектрометра и физического эксперимента. Так, по средней интенсивности нейтронов ИБР-2 уступает самому мощному из действующих spalllation source в Оак-Ридже примерно в три раза. Однако, из-за низкой частоты пульсации, по числу холодных нейтронов, испускаемых с большой поверхности внешнего замедлителя за один импульс, ИБР-2 во столько же превосходит этот spalllation source. Работа с частотой импульсов 5 Гц позволяет более эффективно использовать длинноволновые нейтроны – очень привлекательные вследствие явной тенденции исследователей ХХI века к изучению более крупных, нанометровых структур – ранее изучались преимущественно структуры порядка межатомных расстояний. И еще – стоимость строительства гигантских SNS – до 2 млрд. евро. Построить установку типа ИБР-2 обойдется в десятки раз дешевле.

Я был не совсем прав, заявив выше об уникальности ИБРов. Реакторы ИБР и ИБР-З0 действительно были единственными в мире импульсными реакторами периодического действия до 1975 г., когда в Японии соорудили небольшой по мощности импульсный исследовательский реактор YAYOI (название примерно соответствует английскому PROSPERITY). В этом реакторе модуляцию реактивности и всплеск мощности осуществляли периодическим прострелом (в буквальном смысле – из армейского пулемета!) нейлоновой пули по каналу в активной зоне со скоростью 900 м/с. Реактор был предназначен для задач нейтронной спектроскопии и прикладных биологических и материаловедческих исследований. Однако YAYOI в пульсирующем режиме работал недолго – наверное, в Японии не хватило пуль… В Дубне же хватило и «пуль», и смелости, и умения, чтобы в течение полувека создавать импульсные источники на основе реакции деления в надкритическом режиме, находящиеся всегда среди мировых лидеров.

Е.П. Шабалин

Статья опубликована в сборнике «История древней и современной Дубны и Дубненского края» (Дубна, 2012), стр. 56-61.

01.12.2012

Главная
Символика и геральдика
Картография
О фонде
Археологический атлас
История
Новое время и современность
Федор Колоколов
Экспедиция
Издательская деятельность
Выставочная деятельность
Проект «Усадьба»
Ратминский камень
Проект «Сталкер»
Лаборатория гражданского общества
Помощь донецкому музею
Межрегиональный центр
Другая Дубна
Фотогалерея
Календарь
Кинохроника
О нас пишут
История и публицистика
Обратная связь

 


Партнеры и спонсоры



Historic.Ru: Всемирная история
Historic.Ru: Всемирная история




ИСТОРИЯ СПОРТА ДУБНЫ

© Дубненский общественный фонд историко-краеведческих инициатив "Наследие", 2004 г.
Дизайн и хостинг — «Компания Контакт», г. Дубна.


Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100