Импульсные реакторы ИБР



В 1971 г. коллективу ученых во главе с членом-корреспондентом АН СССР Д И. Блохин- цевым, академиком И. М. Франком и доктором физико-математических наук Ф. Л. Шапиро была присуждена Государственная премия за цикл работ по созданию импульсных реакторов на быстрых нейтронах.
Проблема создания мощного легко управляемого источника нейтронов, которой были посвящены эти работы, — до сих пор одна из актуальных задач в физике атомного ядра. Интенсивные нейтронные потоки крайне необходимы для исследований по изучению структуры атомного ядра, для исследования свойств самого нейтрона, а также для работ по физике конденсированных сред.
Так, для экспериментов по нейтронной спектроскопии сегодня нужны плотности потока нейтронов не менее 1015 нейтронов/см2сек. Такие потоки могут получаться в обычных реакторах, только если их мощность составляет не менее 50—100 тыс. квт. Реактор такой мощности — очень дорогое сооружение индустриального масштаба, и, естественно, он мало
пригоден в качестве экспериментальной установки для ядерно-физических исследований.
Поэтому еще в середине 50-х годов в Физико-энергетическом институте Государственного комитета по атомной энергии Д. И. Влохинце- вым был предложен новый принцип реактора для физических исследований. Суть этого принципа заключалась в том, что при небольшой средней мощности (всего несколько квт) этот реактор периодически (тысячи раз в минуту) создает огромные, но кратковременные (импульсные) потоки нейтронов, а необходимые физические измерения производятся синхронно, в момент вспышки ядерной реакции.
Такой импульсный реактор на быстрых нейтронах (ИБР) был спроектирован и запущен в 1960 г. в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне. Его главным узлом была небольшая активная зона, набранная из стержней плутония общим весом около 20 кг. В зазоре, имевшемся в зоне, вращался стальной диск с вкладышами из урана-235. В момент прохождения вкладышей через зону суммарная масса ядерного горючего достигала величины, при которой реактор выходил в рабочий режим, давая мощную вспышку нейтронов.
Механизм работы такого реактора с периодическими импульсами весьма своеобразен. Он в принципе другой, чем у стационарных реакторов и импульсных реакторов с отдельными импульсами. Так, выяснилось, что хотя в момент вспышки цепной реакции деления основную роль играют мгновенно излучаемые при делении высокоэнергичные, так называемые быстрые нейтроны (отсюда буква Б в названии реактора), для работы реактора очень существенными оказываются и запаздывающие, медленные или тепловые нейтроны. Устойчивая работа реактора, как оказалось, возможна только тогда, когда в йроцессе вспышки создается достаточно радиоактивных ядер — излучателей запаздывающих нейтронов, необходимых для зажигания следующего импульса.
При очень высокой мгновенной мощности (до 15 Мвт) средняя мощность реактора ИБР составляла всего 3 квт, что сильно упрощало вопросы защиты и эксплуатации.
Одной из основных задач, для которой создавалась эта установка, было изучение энергетического распределения нейтронов в различных ядерных взаимодействиях. Разделение нейтронов разных энергий производится в основном по измерению времени пролета ими определенного расстояния. Разрешение по энергии при одном и том же не очень большом пролетном расстоянии будет тем выше, чем короче импульс нейтронов. Действительно, в идеальном случае бесконечно короткого импульса распределение нейтронов вдоль траектории будет однозначно соответствовать их скоростям или энергиям. При импульсе же заметной продолжительности в одном и том же месте одновременно могут оказаться нейтроны разных энергий, и разрешение будет хуже. Чтобы максимально сократить длительность вспышки, было предложено дополнить реактор инжектором — источником импульса нейтронов очень короткой продолжительности.
В качестве инжектора вначале был использован ускоритель типа микротрона, а затем более мощный линейный ускоритель электронов В такой гибридной установке очень короткий импульс нейтронов, генерируемый в мишени из карбида плутония электронами от линейного ускорителя, попадает в активную зону синхронно с прохождением через нее ура новых вкладышей. Активная зона в этот момент работает в режиме размножителя нейтронов, увеличивая их число примерно в 100 раз Таким путем формируется довольно интенсивный импульс нейтронов, обладающий, однако, существенно меньшей продолжительностью.
Этот улучшенный вариант реактора может работать при средней мощности до 25 квт При этом мгновенная мощность в некоторых режимах достигает миллиона киловатт. По мгновенно достигаемой плотности потока тепловых нейтронов (порядка 1016 нейтро- нов/см2сек) этот ИБР эквивалентен стационарному реактору мощностью в 50—100 тыс. квт.
Такие значения потока уже близки к теоретическому пределу для импульсных реакторов с воздушным охлаждением. В то же время многие важные задачи нейтронной физики требуют еще более интенсивных нейтронных потоков. Чтобы улучшить параметры ИБРа, необходимо было отказаться от простой, но не самой эффективной системы воздушного охлаждения и перейти на охлаждение с помощью жидкого металла. Это позволило бы поднять плотность потока нейтронов в 100 раз.
Строительство более мощного реактора с натриевым теплоносителем (ИБР-2) началось в Объединенном институте ядерных исследований в 1969 г и успешно продвигается. Средняя мощность реактора ИБР-2 будет выше, чем у его предшественников, — 4000 квт, однако в сравнении с его импульсной мощностью — 7,7 млн. квт, она ничтожно мала. В качестве инжектора планируется установить мощный ускоритель электронов на энергию в 30 Мэв и импульсный ток до 250 а.
Реактор ИБР-2 даст по сравнению с ИБРом выигрыш по интенсивности потока нейтронов в 1000 раз при почти той же длительности импульса. Это позволит перевести ядерные исследования на новый качественный уровень, сильно р лпирит круг задач, решаемых с помощью нейтронов
Этот реактор будет также приспособлен для исследований в новой весьма интересной области нейтронной физики — изучении ультрахолодных нейтронов, т. е. нейтронов, замедленных в результате столкновения с ядрами решетки замедлителя, охлажденного до очень низких температур. Свойства таких нейтронов — удержание их в поле тяготения, идеальное отражение от поверхностей и другие — удивительны и мало исследованы Детальное исследование ультрахолодных нейтронов, возможное только при больших плотностях потока, может дать много новых сведений по физике элементарных частиц для ряда других областей физики.
Кроме того, разнообразные нейтронные пуч ки реактора ИБР-2 позволят решить многие за дачи физики атомного ядра, нейтронной физики, физики твердого тела, в частности физики сверхпроводников и ферромагнетиков.