Жолдыбаев Тимур Кадыржанович,
начальник отдела ядерной физики, РГП «Институт ядерной физики» МЭ РК

Мирное использование атомной энергии является неотъемлемой частью технологической платформы существования современного человечества и важным компонентом его устойчивого развития. Гамма-излучение, потоки нейтронов и заряженных частиц широко используются в качестве инструмента при решении задач автоматического управления производственными процессами, модификации материалов, уменьшения количества вредных промышленных выбросов, неразрушающего контроля ответственных изделий, поиска полезных ископаемых, диагностики и лечения различных заболеваний и т.д.

Особое место в ряду применений атомной энергии занимает ядерная энергетика. В настоящее время в мире остро стоит проблема производства энергии в масштабах, необходимых для обеспечения устойчивого экономического роста без нарушения экологического баланса. При этом следует учесть накопление в атмосфере в большом количестве углекислого газа в результате выработки энергии из органических материалов, приводящее к изменению климата на планете.

В настоящее время усилия ученых-атомщиков всего мира направлено на решение следующих основных задач дальнейшего развития атомной энергетики:

  1. Повышение безопасности атомных станций и увеличение срока эксплуатации реакторов нового типа;
  2. Расширение топливной базы атомной энергетики;
  3. Уменьшение наработки радиоактивных отходов и совершенствование технологии их утилизации;
  4. Повышение экономической конкурентоспособности ядерной энергии.

Однако, большое количество производимых радиоактивных отходов, существенно снижает возможность увеличения доли электроэнергии, производимой на атомных электростанциях. В этой ситуации, в мире идет поиск альтернативных путей развития ядерной энергетики, позволяющих решить такие задачи, как повышение уровня безопасности, снижение количества отработавшего ядерного топлива и исключение неконтролируемого распространения ядерного оружия.

В шестидесятых годах появилась идея использования так называемых гибридных систем, в которых процесс деления ядер в подкритических реакторах поддерживается за счет дополнительных нейтронов и легких заряженных частиц, получаемых при скалывании и делении ядер в реакциях с протонами, ускоренными до энергий 0,8-1 ГэВ. Согласно физическому сценарию работы АDS (рисунок 1), высокоэнергичные протоны при прохождении мишенной сборки порождают нейтронный поток, при этом на 1 протон производится 30-40 вторичных частиц, что вполне достаточно для надёжного управления режимом работы реактора.


Рисунок 1 – Принципиальная схема работы ADS

Такие установки имеют следующие преимущества перед ныне действующими реакторами на тепловых и быстрых нейтронах:

  • Повышенная безопасность, связанная с безинерционностью таких установок. Их реактивность в отсутствии внешнего источника может быть достаточно мала, и цепная реакция в этом случае будет затухать очень быстро;
  • Возможность использования в качестве топлива 232Th и 238U, тем самым достигается существенное расширение топливной базы атомной энергетики;
  • Пониженный уровень производства радиоактивных отходов и трансурановых элементов, и, одновременно, возможность осуществления трансмутации долгоживущих радионуклидов. Большие, по сравнению с традиционными реакторами, потоки нейтронов и использование ториевого цикла 232Th/233U должны привести, по оценкам специалистов, к установлению равновесия между накоплением и сжиганием долгоживущих радиоактивных изотопов в ближайшие 100 лет, если гибридные энергетические установки получат такое же распространение, как и традиционные реакторы;
  • Снижение затрат на утилизацию и хранение радиоактивных отходов, что приведет к повышению коммерческой конкурентоспособности таких установок, не говоря уже о снижении вредного техногенного влияния на окружающую среду.
  • Гибридные ядерные установки могут сыграть значительную роль в уничтожении оружейных делящихся материалов, накопленных в мире к настоящему моменту в количествах, угрожающих ядерной безопасности человечества (распространение ядерного оружия, риск ядерного шантажа, возможные утечки при хранении и т.п.).
  • Реализация вышеуказанных идей долгое время сдерживалась отсутствием ускорителей заряженных частиц, способных удовлетворять требованиям, возникающим при создании гибридных установок. Это большая величина тока (более 100 мА) при высоких энергиях протонов (0,8-1,0 ГэВ), стабильность параметров, надежность и т.п. С недавнего времени прогресс в области ускорительной техники уже позволяет реально ставить вопрос о создании ускорителей, пригодных для использования в гибридных системах.

Стоит отметить, что диапазон нуклонного состава и энергий возбуждения делящихся ядер в гибридных установках существенно шире соответствующих диапазонов в традиционных реакторах. Следовательно, это потребует нового константного обеспечения, что, в свою очередь, потребует систематической информации о реакциях протонов и легких заряженных частиц низких и средних энергий с различными ядрами, характеристиках осколков деления в широком диапазоне нуклонного состава и энергий возбуждения делящихся ядер, функциях возбуждения радиоактивных изотопов и т.д.

В настоящий момент исследования в области создания гибридных реакторов интенсивно ведутся во многих странах мира. Международная координация осуществляется Международным агентством по атомной энергии (МАГАТЭ) и Европейским ядерным агентством (NEA). Эти работы требуют консолидированных усилий специалистов в области ядерной физики, физики твердого тела, кинетики ядерных реакторов, ускорительной техники, атомной и радиационной безопасности, химии и многих других областях.