​Специалисты трех российских институтов (Российский Федеральный Ядерный Центр – Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е.И. Забабахина - РФЯЦ-ВНИИТФ; Национальный исследовательский Томский политехнический университет​ – ТПУ; Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН – ИЯФ СО РАН) провели компьютерное моделирование топливного цикла ториевого гибридного реактора, в котором в качестве источника дополнительных нейтронов используется высокотемпературная плазма, удерживаемая в длинной магнитной ловушке.

Среди преимуществ такого гибридного реактора по сравнению с используемыми сейчас ядерными реакторами можно отметить умеренную мощность, относительно небольшие размеры, высокую безопасность при эксплуатации и малый уровень радиоактивных отходов. Исследования по этой тематике поддержаны грантами РНФ № N 14-50-00080 и РФФИ №19-29-02005. Результаты опубликованы в журнале Plasma and Fusion Research.

Для получения энергии гибридные ядерно-термоядерные реакторы используют одновременно реакции деления тяжелых ядер и синтеза лёгких, поэтому можно ожидать, что такие установки усилят положительные особенности и нивелируют недостатки, присущие энергетике на основе раздельного использования этих ядерных реакций. Для эффективного использования реакции управляемого термоядерного синтеза в производстве энергии необходимо сначала получить, а затем постоянно поддерживать стабильное состояние плазмы с очень высокой температурой (выше 100 млн. °С) при её высокой плотности. Создание реактора, работающего по гибридной схеме, представляется более легкой задачей, поскольку в этом случае плазма используется не для получения энергии, а всего лишь в качестве источника дополнительных нейтронов для поддержания необходимой схемы протекания ядерных реакций. Таким образом, требования, предъявляемые к ее характеристикам, становятся менее жесткими.

В условиях, когда в плазме генерируются нейтроны, дополнительно поступающие в ядерный реактор, появляется возможность заменить большую (до 95 %) часть используемого в качестве топлива делящегося урана на неделящийся – сырьевой - торий. В отличие от урана торий представлен в природе практически одним изотопным состоянием, и поэтому он легко и с малыми затратами выделяется из природного сырья. При поглощении нейтронов изотоп тория 232Th превращается в изотоп урана 233U, который хорошо делится тепловыми нейтронами. По количеству выделяемой энергии эта реакция сопоставима с реакцией, используемой в ядерных реакторах с топливным циклом, использующем только природные изотопы урана 235U и 238U. Особенность применения ториевого топлива состоит в том, что в такой гибридной энерговыделяющей установке при прекращении поступления дополнительных нейтронов от внешнего источника ядерные реакции деления сразу же затухают. Таким образом, гибридные реакторы на ториевом топливе не способны к «саморазгону», что обеспечивает значительно большую безопасность ториевой энергетики.

схема гибридного реактора 2 

Схема гибридного реактора на основе плазменной открытой ловушки. Иллюстрация предоставлена Андреем Аржанниковым

В настоящее время уже существуют различные проекты гибридных реакторов, в которых плазменным источником нейтронов служит токамак. Альтернативой может стать использование в качестве источника дополнительных нейтронов длинной магнитной ловушки. Команда исследователей, сформированная по инициативе ученых ИЯФ СО РАН, в которую также вошли специалисты ТПУ и РФЯЦ-ВНИИТФ, представила концепцию относительно компактного реактора такого типа.

О принципах работы длинной магнитной ловушки в качестве источника нейтронов рассказывает главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН, доктор физико-математических наук, профессор Андрей Аржанников: «На начальном этапе при помощи специальных плазменных пушек создается относительно холодная плазма, количество которой поддерживается дополнительной подпиткой газом из атомов тяжелого водорода - дейтерия. Инжекция в такую плазму нейтральных (атомарных) пучков с энергией частиц масштаба 100 кэВ обеспечивает образование в ней высокоэнергетичных ионов дейтерия и трития (это тяжелые изотопы водорода), а также поддержание необходимой температуры. Сталкиваясь друг с другом, ионы дейтерия и трития соединяются в ядро гелия, при этом происходит выделение высокоэнергетических нейтронов. Такие нейтроны беспрепятственно выходят через стенки вакуумной камеры, где магнитным полем удерживается плазма, и поступая в область с ядерным топливом, после замедления поддерживают протекание реакции деления тяжёлых ядер, которая служит основным источником выделяемой в гибридном реакторе энергии».

По словам Андрея Аржанникова, энергия нейтронов настолько высока, что они пронизывают стенки камеры из нержавеющей стали и медную обмотку, которая обеспечивает необходимое магнитное поле в плазме. Эти нейтроны глубоко проникают в топливную сборку (бланкет) ядерного реактора и попадают на графитовые блоки, где при рассеянии на ядрах углерода происходит их торможение. Замедленные нейтроны хорошо поглощаются ядерным топливом и поддерживают необходимый уровень количества делящихся ядер в единицу времени. Выделившаяся в виде тепла энергия разлетающихся фрагментов ядра, делящегося при поглощении нейтрона, снимается потоками газообразного гелия, который под высоким давлением прокачивается через цилиндрические каналы в топливной сборке. Топливо также размещается в специальных каналах, для этого оно заключено в специальные цилиндрические графитовые стержни. Эти стержни заполняются покрытыми защитным слоем из карбида кремния микрокапсулами, содержащими торий и небольшой процент энергетического или оружейного плутония.

схема заполнения блока ядерным топливом 1 

Схема заполнения топливного блока ядерным топливом. Слева направо: торий-плутониевые микрокапсулы и их расположение в топливных таблетках – цилиндрических графитовых стержнях; внешний вид топливных таблеток; топливный блок с каналами размещения топливных таблеток и охлаждающего газа – гелия. Иллюстрация предоставлена Игорем Шаманиным


«Торий-232 (232Th) – это воспроизводящий или, как еще его называют, сырьевой изотоп, который при захвате нейтрона превращается в делящийся изотоп уран-233 (233U). – рассказывает руководитель Отделения естественных наук, заведующий лабораторией ТПУ, доктор физико-математических наук, профессор Игорь Шаманин. – Ядра плутония в ториевой топливной композиции выполняют функцию запала. Плутоний, оружейный или энергетический, делится тепловыми нейтронами и позволяет поддерживать в размножающей системе цепную реакцию деления. Через некоторое время после "старта" ядра плутония выгорят, а в системе установится режим, в котором скорость наработки ядер урана-233 станет равна скорости выгорания этих ядер. Размножающая система станет самодостаточной».

Топливный цикл проектируемой установки составит 3000 эффективных суток (эффективные сутки – это 24 часа работы при 100% уровне мощности) - по истечении этого срока блоки с выгоревшим топливом заменяются на свежие, и реактор готов к новому топливному циклу. При этом, стартовый состав ядерного топлива выбран так, что в течение всего периода работы размножающие характеристики реактора позволят эксплуатировать его на проектном уровне мощности при соблюдении всех требований безопасности.

«На протяжении всего периода работы установки изотопный состав, а вместе с ним и ядерно-физические свойства топлива меняются - «просчитать» эволюцию ядерного топлива с учетом множества реакций, происходящих в нем, помогает компьютерное моделирование. – рассказывает начальник лаборатории РФЯЦ-ВНИИТФ, кандидат физико-математических наук Владимир Шмаков. – На сегодняшний день мы смоделировали эту эволюцию для нашей гибридной установки и рассчитали режимы работы реактора в течение топливного цикла, в дальнейшем нам предстоит также смоделировать различные режимы поступления нейтронов из плазменного источника и выбрать оптимальный вариант для обеспечения работы реактора».

Сейчас ученые также рассматривают возможность создания экспериментального стенда на реакторной площадке ТПУ, который будет состоять из ториевой топливной сборки и нейтронного источника на основе инженерно-технических решений, уже реализованных на открытых ловушках ИЯФ СО РАН.


Источники

Разработана концепция гибридного реактора на основе плазменной открытой ловушки
Институт ядерной физики имени Г.И.Будкера СО РАН (inp.nsk.su), 17/09/2019
Российские ученые создали гибридный ядерный реактор
Поиск (poisknews.ru), 17/09/2019
Разработана концепция гибридного реактора на основе плазменной открытой ловушки
GlobalScience.ru, 17/09/2019
Разработана концепция гибридного реактора на основе плазменной открытой ловушки
Российское атомное сообщество (atomic-energy.ru), 17/09/2019
Разработана концепция гибридного реактора на основе плазменной открытой ловушки
Наука в Сибири (sbras.info), 17/09/2019
Российские физики улучшили ядерно-термоядерный реактор
Rosinvest.com, 17/09/2019
В России разработана модель гибридного ядерного реактора с низким уровнем радиоактивных отходов
ИА Flashsiberia, 17/09/2019
Разработка Новосибирских ученых поможет создать ядерно-термоядерный реактор
ГТРК Новосибирск, 17/09/2019
Разработка Новосибирских ученых поможет создать ядерно-термоядерный реактор
Seldon.News (news.myseldon.com), 17/09/2019
Российские физики улучшили ядерно-термоядерный реактор
Pcnews.ru, 17/09/2019
Российские физики улучшили ядерно-термоядерный реактор
Seldon.News (news.myseldon.com), 17/09/2019
В России разработан проект ториевого гибридного реактора
Популярная механика (popmech.ru), 17/09/2019
Российские физики улучшили ядерно-термоядерный реактор
Новости@Rambler.ru, 17/09/2019
Смоделирован гибридный реактор на основе плазменной открытой ловушки
ТАСС, 17/09/2019
Сибирские ученые создали модель ядерного реактора с минимальным количеством отходов
Сиб.фм (sib.fm), 18/09/2019
Российские физики создали концепт гибридного ядерного реактора
E-news.su, 17/09/2019
Российские физики создали концепт гибридного ядерного реактора
Мнения и аналитика (commentarii.mirtesen.ru), 17/09/2019
Российские физики создали концепт гибридного ядерного реактора
123ru.net, 17/09/2019
Российские физики создали концепт гибридного ядерного реактора
SMIonline (so-l.ru), 17/09/2019
Российские физики создали концепт гибридного ядерного реактора
Новости России (news-life.ru), 17/09/2019
Российские физики создали концепт гибридного ядерного реактора
News2 (news2.ru), 17/09/2019
Российские физики создали концепт гибридного ядерного реактора (TDN)
123ru.net, 17/09/2019
Российские физики создали концепт гибридного ядерного реактора
Aftershock.news, 17/09/2019
Российские физики создали концепт гибридного ядерного реактора
livejournal.com, 17/09/2019
Российские физики создали концепт гибридного ядерного реактора
Newsland (newsland.com), 17/09/2019
Российские физики создали концепт гибридного ядерного реактора
News.stfw.ru, 17/09/2019
Разработка новосибирских ученых поможет создать ядерно-термоядерный реактор
Российский научный фонд (рнф.рф), 17/09/2019
Разработка новосибирских ученых поможет создать ядерно-термоядерный реактор
Российский научный фонд (rscf.ru), 17/09/2019
Российские ученые разработали модель гибридного ядерного реактора
Профиль (profile.ru), 17/09/2019
Российские ученые разработали модель гибридного ядерного реактора
123ru.net, 17/09/2019
Российские ученые разработали модель гибридного ядерного реактора
Новости России (news-life.ru), 17/09/2019
Российские физики создали концепт гибридного ядерного реактора
ИА Красная весна (rossaprimavera.ru), 17/09/2019
Российские ученые разработали ядерный реактор с низким уровнем отходов
The world news (theworldnews.net), 17/09/2019
Российские ученые разработали ядерный реактор с низким уровнем отходов
Российская газета (rg.ru), 17/09/2019
Российские ученые создают гибридный реактор на основе плазменной открытой ловушки
РИА Сибирь (ria-sibir.ru), 17/09/2019
Разработана концепция гибридного реактора на основе плазменной открытой ловушки
GisProfi (gisprofi.com), 18/09/2019
Сибирские ученые разработали новый гибридный реактор
Континент Сибирь (ksonline.ru), 18/09/2019
Физики создали концепт гибридного ядерного реактора
Сибкрай.ru (sibkray.ru), 18/09/2019
Сибирские ученые создали модель ядерного реактора с минимальным количеством отходов
Gorodskoyportal.ru/novosibirsk, 18/09/2019
Российские физики создали концепт гибридного ядерного реактора
Newsland (newsland.com), 18/09/2019
Сибирские ученые разработали новый гибридный реактор
Seldon.News (news.myseldon.com), 18/09/2019
Новосибирские физики сделали еще один шаг к созданию ториевого гибридного реактора
Академия новостей (academ.info), 18/09/2019
Новосибирские физики сделали еще один шаг к созданию ториевого гибридного реактора
123ru.net, 18/09/2019
Российские ученые разработали гибридный реактор синтеза-деления
CNews Zoom (zoom.cnews.ru), 18/09/2019
Пульс дня Новосибирска
Честное слово (chslovo.com), 18/09/2019
Физики создали концепт гибридного ядерного реактора
Opentown.org, 18/09/2019
Разработана концепция гибридного реактора на основе плазменной открытой ловушки.
Advis.ru, 18/09/2019
Русский гибридный ториевый реактор
Полит информация (politinform.su), 18/09/2019
Новосибирские физики сделали еще один шаг к созданию ториевого гибридного реактора
RateNews.ru, 18/09/2019
Российские ученые разработали гибридный ядерный реактор с низким уровнем отходов
Открытые медиа (openmedia.io), 18/09/2019
Российские физики улучшили ядерно-термоядерный реактор
Newzz.in.ua, 18/09/2019
Ученые ТПУ с коллегами создали концепцию ториевого гибридного реактора
РИА Томск (riatomsk.ru), 19/09/2019
Ученые ТПУ с коллегами создали концепцию ториевого гибридного реактора
Новости России (news-life.ru), 19/09/2019
Российские ученые создали модель ториевого гибридного реактора
AsJust.ru, 19/09/2019
Эффективнее ядерных: в России создали модель ториевого реактора
Экономическое обозрение (finobzor.ru), 19/09/2019
Ученые разработали концепцию гибридного ториевого реактора
Томский политехнический университет (tpu.ru), 19/09/2019
Российские ученые создали модель ториевого гибридного реактора
Горячая линия ДНР (dnr-hotline.ru), 19/09/2019
Российские ученые создали модель ториевого гибридного реактора
Политэксперт (politexpert.net), 19/09/2019
Физики разработали гибридный реактор на основе плазменной открытой ловушки
Индикатор (indicator.ru), 22/09/2019
Физики разработали гибридный реактор на основе плазменной открытой ловушки
Новости@Rambler.ru, 22/09/2019
Физики разработали гибридный реактор на основе плазменной открытой ловушки
SMIonline (so-l.ru), 22/09/2019
Физики разработали гибридный реактор на основе плазменной открытой ловушки
Seldon.News (news.myseldon.com), 22/09/2019
Российские физики улучшили ядерно-термоядерный реактор!
SMIonline (so-l.ru), 22/09/2019
Российские физики улучшили ядерно-термоядерный реактор!
Око планеты (oko-planet.su), 22/09/2019
Мнение: Российские физики улучшили ядерно-термоядерный реактор!
РЫБИНСКonLine (ryb.ru), 22/09/2019
Мнение: Российские физики улучшили ядерно-термоядерный реактор!
Seldon.News (news.myseldon.com), 22/09/2019
Физики разработали реактор на основе плазменной открытой ловушки
Wi-fi.ru, 22/09/2019
Гибридный ядерный реактор на тории
Коммерсантъ (kommersant.ru/nauka), 23/09/2019
Гибрид с ловушкой
Страна Росатом, 23/09/2019
Ловушка для реактора
РФЯЦ-ВНИИТФ (vniitf.ru), 25/09/2019
Ученые РФ разработали концепцию ториевого гибридного реактора
Научная Россия (scientificrussia.ru), 30/09/2019
Ученые РФ разработали концепцию ториевого гибридного реактора
1k.com.ua, 30/09/2019
Ученые РФ разработали концепцию ториевого гибридного реактора
Национальная ассоциация нефтегазового сервиса (nangs.org), 30/09/2019
Ученые РФ разработали концепцию ториевого гибридного реактора
Nanonewsnet.ru, 02/10/2019
Ученые РФ разработали концепцию ториевого гибридного реактора
SMIonline (so-l.ru), 02/10/2019
Физики разработали гибридный реактор на основе плазменной открытой ловушки
Российский фонд фундаментальных исследований (rfbr.ru), 23/12/2019

Похожие новости

  • 29/12/2020

    Дмитрий Седнев: «Наша школа играет роль интегратора»

    ​Директор Инженерной школы неразрушающего контроля и безопасности ТПУ Дмитрий Седнев поделился результатами, которых достиг коллектив школы в 2020 году, и рассказал о целях и задачах на будущий год.
    1219
  • 06/04/2021

    В России разрабатывают гибрид ядерного и термоядерного реакторов

     Термоядерный компонент уникального гибридного реактора создали и испытали специалисты Томского политехнического университета (ТПУ) совместно с другими российскими учеными. Разрабатываемая система, по словам авторов, объединит преимущества реакторов разных типов и будет отличаться безопасностью, экономностью и компактностью.
    719
  • 04/03/2021

    Томский госуниверситет открыл программу подготовки кадров для синхротрона «СКИФ»

     Томский государственный университет (ТГУ) запустил программу подготовки кадров для работы в центре коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» (ЦКП «СКИФ»), который будет создан под Новосибирском к 2024 году, сообщил 3 марта в пресс-центре ТАСС ректор ТГУ Эдуард Галажинский.
    471
  • 22/09/2016

    В Новосибирске планируют создать клинику для лечения методом БНЗТ

    ​Новосибирский государственный университет в сотрудничестве с российскими и зарубежными научными организациями работает над реализацией масштабного проекта по созданию клиники для лечения глиобластомы мозга и других онкологических заболеваний с помощью метода бор-нейтронозахватной терапии и ускорительного источника нейтронов Института ядерной физики им Г.
    5256
  • 12/05/2016

    Ученые представили результаты анализа всех доступных данных по измерению осцилляций Bs-мезонов

    Коллектив ученых из эксперимента LHCb на Большом адронном коллайдере, в состав которого входит группа из Новосибирского государственного университета и Института ядерной физики СО РАН, выяснил, с какой вероятностью B0s-мезон, состоящий из прелестного антикварка и странного кварка, превращается в свою античастицу и наоборот.
    2192
  • 11/08/2020

    Надежность деталей международного реактора ITER проверят томские специалисты

    ​Специалисты по неразрушающему контролю Томского политехнического университета разработают методики и программы для проверки сварных соединений с помощью ультразвука на значимых элементах термоядерного реактора ИТЭР.
    2694
  • 26/04/2021

    Иркутская TAIGA проверит физику на прочность

    ​На астрофизическом полигоне Иркутского государственного университета завершено создание пилотного комплекса гамма-обсерватории TAIGA. Эта уникальная установка — один из крупнейших и наиболее чувствительных инструментов в мире для решения задач в области астрофизики высоких энергий — возможно, станет началом Новой физики, находящейся за пределами Стандартной модели​.
    558
  • 01/04/2021

    В Томске прошли первые испытания навигатора для дронов, ищущих полезные ископаемые

     Специалисты Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) успешно провели первые испытания системы навигации для беспилотных летательных аппаратов, которая позволит создавать дроны для поиска полезных ископаемых, в частности, алмазов и железной руды.
    515
  • 12/02/2020

    Сибирские ученые нашли способ, как повысить безопасность атомных станций

    ​Ученые Томского политехнического университета нашли способ на 75 % увеличить время работы ядерного реактора без замены топлива, сообщают РИА Новости. По словам исследователей, это значительно повысит безопасность и снизит расходы на эксплуатацию атомных станций в труднодоступных районах.
    686
  • 09/06/2018

    ИЯФ СО РАН предоставит площадку для лечения

    ​Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН готов предоставить на своей территории площадку для лечения методом бор-нейтронозахватной терапии онкобольных, которым не помогают другие методы. Это должно быть временным решением до появления специализированной клиники, проект которой разрабатывается в Новосибирском государственном университете.
    2468