Защита от катастрофы. Российские физики взяли под контроль ядерные реакторы

МОСКВА, 8 июн — РИА Новости, Владислав Стрекопытов. На Калининской АЭС завершили первую фазу испытаний нейтринного детектора РЭД-100. Уникальный прибор, разработанный в НИЯУ МИФИ, позволяет дистанционно следить за процессами в реакторе атомных электростанций, что, по мнению ученых, поможет предотвратить катастрофы, подобные Фукусиме или Чернобылю. Кроме того, это обеспечит контроль за обращением отработавшего топлива, исключив его несанкционированное использование для изготовления ядерного оружия. Подобной технологии пока нет ни в одной стране мира.

В погоне за нейтрино

Главное на любой атомной электростанции — реактор, в котором происходит цепная ядерная реакция, сопровождающаяся выделением энергии. Для надежной и безопасной работы АЭС в нем необходимо контролировать температуру, скорость распада ядер, равномерность сгорания топлива и так далее.

Но продукты деления очень радиоактивны, а температура в активной зоне такая, что ее не выдерживают никакие датчики. Имеющаяся аппаратура измерения нейтронного потока дает информацию лишь об общей мощности реактора.

Для дистанционных наблюдений за тем, что происходит в нем, лучше всего подходят нейтрино — элементарные частицы, не взаимодействующие с веществом и поэтому легко проникающие сквозь любую защиту. Во Вселенной нейтрино очень много. Они образуются при взрывах сверхновых, в ядерных реакциях в недрах Солнца и Земли, а также в реакторах АЭС.

Но нейтринные потоки от реакторов чрезвычайно слабые, а у самих частиц, в отличие от космических нейтрино, очень низкая энергия. Детекторы, установленные на многих АЭС мира, регистрируют лишь единичные события, по которым невозможно отслеживать ситуацию в реакторах. При этом они очень громоздкие и весят десятки тонн.

Ученые МИФИ применили принципиально новый подход и создали уникальный по чувствительности и одновременно компактный, помещающийся в кузове грузовика прибор, который назвали РЭД-100 — российский эмиссионный детектор на сто условных литров рабочего вещества.

© Фото : НИЯУ МИФИ

Детектор РЭД-100 в лаборатории МИФИ

Российский двухфазный

Детекторы нейтрино обычно представляют собой емкости с жидким ксеноном. Каждое столкновение этой элементарной частицы с ядром атома ксенона порождает электроны — один-два. Это очень мало.

В 1973-м американский физик Дэвид Фридман теоретически предсказал квантово-механический эффект упругого когерентного рассеяния нейтрино (УКРН) на атомных ядрах. Низкоэнергетические нейтрино, подобные тем, что рождаются в ядерных реакторах, обладают свойствами волны, длина которой сравнима с размерами тяжелых атомных ядер, и поэтому могут взаимодействовать одновременно со всеми их нуклонами (протонами и нейтронами). При этом вероятность обнаружения неуловимых частиц возрастает на несколько порядков.

В 2017-м эффект УКРН подтвердили на протонном ускорителе SNS в Окриджской национальной лаборатории США ученые из коллаборации COHERENT. Россию в проекте представляли сотрудники межкафедральной лаборатории экспериментальной ядерной физики (мЛЭЯФ) МИФИ, где и создали РЭД-100.

© Инфографика

Схема нейтринного детектора РЭД-100

За основу они взяли разработки, выполненные в 1970-1980-х в Московском инженерно-физическом институте под руководством профессора Бориса Анатольевича Долгошеина. Идея заключалась в том, чтобы с помощью электрического поля "вытягивать" образовавшиеся электроны из жидкой фракции ксенона в газообразную, где они, дрейфуя в сильном электрическом поле, вызывают свечение газа. В процессе электролюминесценции каждый рождает тысячи фотонов, зарегистрировать которые гораздо проще, чем сам электрон. Так как ксенон в РЭД-100 находится в двух агрегатных состояниях, жидком и газообразном, в названии прибора появилось слово "двухфазный".

"При регистрации реакторных нейтрино возникают большие проблемы, — рассказывает заведующий мЛЭЯФ и один из создателей детектора, доктор физико-математических наук Александр Болоздыня. — У них очень маленькая энергия, а сигналы, которые возникают, чрезвычайно слабые, состоящие из отдельных электронов. Преимущество двухфазного эмиссионного метода — возможность детектирования предельно малой ионизации. Другие известные в настоящее время методы не позволяют этого сделать".

© Фото : НИЯУ МИФИ

Заведующий лабораторией экспериментальной ядерной физики МИФИ Александр Болоздыня

До сих пор технологию УКРН использовали в основном в экспериментах по поиску темной материи. Физики из МИФИ первыми применили этот метод для наблюдения за потоком нейтрино из реакторов.

"С точки зрения нейтрино реактор АЭС — это маленькое солнце на Земле, — отмечает ученый. — Взаимодействуя с ядром, нейтрино передает ему энергию. Это ядро толкает соседние, возникают ионизация и электрический заряд. Измерить его — большая проблема. Но мы с помощью нашего двухфазного детектора это делаем".

Создание прибора было непростым и с технической точки зрения. Достаточно сказать, что титановый корпус сваривали на судостроительном предприятии "Севмаш" в Северодвинске, где делают корпуса атомных подводных лодок. Установку проверили в лабораторных условиях, а с 2020-го приступили к рабочим испытаниям на Калининской АЭС.

© РИА Новости

Перейти в медиабанк

Калининская атомная электростанция в Тверской области

Первые результаты

В сутки РЭД-100 регистрировал около трех с половиной тысяч столкновений нейтрино с атомными ядрами, тогда как однофазные детекторы набирают меньше тысячи событий за год. Однако возникла проблема. Кроме электронов, порожденных нейтрино, прибор фиксировал множество неизвестных одноэлектронных сигналов.

Скорее всего, это связано с мюонами — частицами, рождающимися в верхних слоях атмосферы от столкновений космических лучей с атмосферой Земли, считают физики. Нейтрино, попадая в ксеноновый "бассейн", сталкивается в лучшем случае с одним атомным ядром и после этого отклоняется. Мюон, обладающий гораздо большей массой и энергией, пронизывает весь резервуар, оставляя за собой четкую траекторию столкновений, как говорят ученые — трек. Прибор способен различить два типа сигналов, но мюонный фон мешает регистрировать нейтрино.

Сейчас в МИФИ обрабатывают полученные данные, а установку модернизируют, чтобы на второй фазе эксперимента избежать таких неудобств. Ксенон в детекторе заменят аргоном, что увеличит энергию отдачи ядра и, соответственно, полезный сигнал. Ученые полагают, что это позволит эффективнее отфильтровывать полезные события от одноэлектронного фона. Испытание модернизированной установки продолжат на Калининской АЭС в 2025-м.

© Александр Болоздыня / НИЯУ МИФИ

Установка РЭД-100 в собранном виде на Калининской АЭС

В интересах мира

Технологией, реализованной специалистами МИФИ, заинтересовались в Международном агентстве по атомной энергии (МАГАТЭ). Там считают, что приборы, подобные РЭД-100, не только повысят безопасность атомных станций, но и станут действенным средством контроля нераспространения ядерного оружия.

"Поток нейтрино зависит от того, как идет реакция распада ядер урана, — объясняет Александр Болоздыня. — В частности, в результате образуются ядра плутония-239, который используется в атомной бомбе. По нейтринному излучению мы можем понять, как меняется изотопный состав топлива и сколько в реакторе плутония".

По мнению ученого, это исключит возможность хищений. По международным соглашениям отработавшее топливо нельзя оставлять в неядерных странах. Поэтому в контрактах на строительство АЭС, скажем, в Иране или Афганистане есть специальный пункт о его возврате. Но до сих пор действенного инструмента контроля за выполнением этого обязательства не было. После завершения промышленных испытаний РЭД-100 у российских атомщиков такой инструмент появится.