​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

Похожие новости

  • 28/02/2019

    В ЦЕРН обнаружили новую частицу, которая уточнит кварковую модель

    ​Коллаборация LHCb (CERN, Европейская организация по ядерным исследованиям), в которую входят Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Новосибирский государственный университет (НГУ), объявила об открытии нового состояния c-кварка и анти c-кварка – частицы ψ3(1D).
    859
  • 15/08/2019

    Эксперимент Belle II пройдет с участием ученых Академгородка

    ​Эксперимент Belle II — это один из экспериментов в физике высоких энергий, работающий на передовых рубежах современной науки. Данные, полученные в результате эксперимента, позволят проверить предсказания Стандартной модели для вероятностей редких распадах B- и D-мезонов и t-лептона, улучшить точность измерения параметров нарушения симметрии между веществом и антивеществом и, возможно, обнаружить проявления новой физики.
    438
  • 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.
    1410
  • 15/12/2015

    Физики НГУ будут изучать процессы с участием самых легких мезонов

    ​НГУ и Институт ядерной физики СО РАН присоединились к эксперименту KLOE-2 по изучению "легчайших из тяжелых" - сильно взаимодействующих элементарных частиц каонов и пионов, которые относятся к классу мезонов.
    2353
  • 17/09/2018

    Большой адронный коллайдер и фундаментальные вопросы науки

    Россия пока не получила ни одного заказа при модернизации Большого адронного коллайдера, хотя раньше без нее ЦЕРН обойтись в принципе не мог. Ровно десять лет назад в Европейской лаборатории ядерных исследований (ЦЕРН) был запущен Большой адронный коллайдер.
    1368
  • 04/12/2019

    Фундаментально, Хиггс!

    ​К каким открытиям могут привести ученых возбужденные барионы, как отличить интересные столкновения протонов на БАКе от ничем не примечательных и сколько заплатит Европа за сооружение нового коллайдера в Сибири? Ответы на эти и другие интригующие вопросы — ​в очередном обзоре достижений ученых в области физики элементарных частиц.
    119
  • 25/06/2018

    Павел Логачев: источник синхротронного излучения будет центром, который объединит разные научные направления

    ​В проекте Сибирского кольцевого источника фотонов (СКИФ) уже сейчас задействовано много институтов, а в будущем установка станет крупным центром общего пользования. Представители нескольких научных направлений рассказали, почему источник синхротронного излучения (СИ) важен для Академгородка и его ученых.
    1034
  • 15/07/2019

    В ЦЕРН обнаружили новую частицу

    ​Коллаборация LHCb (CERN, Европейская организация по ядерным исследованиям), в которую входят Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Новосибирский государственный университет (НГУ), объявила об открытии двух новых возбужденных состояний прелестного бариона, которые, возможно, являются новой частицей Λb (1D) (лямбда-б барион (1D)) или Σb (сигма-б барион).
    383
  • 16/10/2017

    Пассажиров аэропорта Дели проверяет техника, разработанная учеными ИЯФ СО РАН

    Система рентгенографических сканеров Express Inspection, совместной разработкой которых занимался Новосибирский Институт ядерной физики им Г. И. Будкера СО РАН и Орловский завод «Научприбор», проходит апробацию в Индии.
    1084
  • 30/08/2018

    Новосибирские ученые знают, как разбить древность на атомы

    Озера, древние книги, иконы, кости мамонтовой фауны или доисторического человека, деревянные колоды из погребений и даже болотный торф - все эти объекты можно точно датировать, определить время их создания, появления на свет или, если речь идет о живом существе, период обитания на Земле.
    852