Каждый народ познается по его богам и символам.
Лев Силенко, украинский мыслитель, философ, историк, писатель, номинант на Нобелевскую премию

Встреча с мирным атомом

Как работает исследовательский реактор в Институте ядерных исследований

Вы знали, что в Киеве действует настоящий ядерный реактор? Правда, небольшой, исследовательский. Если на обычной атомной станции в реактор загружают около 200 тонн топлива, то в реактор на территории Института ядерных исследований НАН Украины — всего пять килограммов. Конечно, «всего», когда речь идет о радиоактивных веществах, понятие относительное. Поэтому режим работы на территории института суровый, с улицы туда не зайдешь.

Впрочем, нам повезло попасть на экскурсию в ИЯИ. Такие события происходят не чаще раза в год, правила пропуска не менее суровые, чем на мероприятие с условным президентом. В противовес этому атмосфера на территории института дружественная, а сами сотрудники рады рассказать о своей работе.

ЛОКАЦИЯ

Маршрутка останавливается около Института физики. Институт ядерных исследований расположен через дорогу, его не пропустишь, потому что на входе — радужная мозаика на тему мирного атома «Кузнецы современности» Галины Зубченко и Григория Пришедько.

Сама территория учреждения живописна, много зелени. Исторически местность называется Багринова гора, когда-то здесь были рощи и опушки вперемешку с огородами. Поэтому не удивляет, что такие земли полюбились застройщиками: в санитарную зону реактора буквально вгрызается высотный жилищный комплекс. Невероятный эксклюзив — квартиры с видом на реактор, куда там Днепру с киевскими холмами, правда?

РЕАКТОР ВВР-М (ВНЕШНИЙ ВИД)

ИСТОРИЯ

Институт основан в 1970 году. «Но ядерная физика развивалась в Украине еще до того, — добавляет Юрий СТЕПАНЕНКО, научный сотрудник ИЯИ. — Если брать советское время, первая ядерная реакция в континентальной Европе — когда литий бомбардировали протонами — была осуществлена в Харькове. Вообще харьковская лаборатория №1 была передовой в Советском Союзи».

ИЯД сформировали на базе отделов Института физики, которые занимались изучением ядерной тематики. Исследовательский реактор ВВР-М на десять лет старше учреждения и сначала подчинялся Институту физики. Также в 1956 году запущен циклотрон У-120 (циклотрон — это циклический ускоритель тяжелых заряженных частиц, то есть протонов и ионов), с которым сейчас работают в Институте ядерных исследований. Потом компанию ему составил циклотрон У-240.

Идея создать Институт ядерных исследований принадлежала академику АН УССР Митрофану Пасичнику, авторитетному в советской Украине человеку. Он вложил много усилий в воплощение этого проекта и стал первым директором ИЯИ.

КОНТРОЛЬ И ХАЛАТЫ

Когда входим в здание, где располагается реактор, надеваем белые халаты. Заодно разглядываем плакаты о правилах радиационной безопасности.

Как объясняет наш гид, заместитель главного инженера ядерного реактора Валерий ШЕВЕЛЬ, в здании существует две зоны: свободного и сурового режима, причем последняя делится на еще три зоны. И если из здания атомной электростанции всегда нужно выходить через контроль, то здесь — только если вы покидаете зону сурового режима.

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ПЕРЕЗАРЯДНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ЭГП-10К (ТАНДЕМ)

ВОДО-ВОДЯНОЙ, МОДЕРНИЗИРОВАННЫЙ

Реактор на территории института двухконтурный. Как объясняет инженер управления реактором Дмитрий СТРАТИЛАТ, в первом контуре циркулирует радиоактивный теплоноситель, который отводит тепло от ядерного топлива и перекачивается насосами в теплообменники, где передает тепловую энергию воде второго контура. Второй контур реакторной установки не радиоактивен, вода, которая циркулирует там, попадает на вентиляторную градирню. Четыре секции этой градирни позволяют снизить температуру воды в активной зоне, которая во время работы реактора не превышает 55 градусов.

Установка принадлежит к исследовательским реакторам бассейного типа ВВР-М — водо-водяной модернизированный. На АЭС Украины действуют только водо-водяные корпусные реакторы, а вот в Чернобыле, как вы, возможно, запомнили из суперрейтингового сериала, был РБМК (на русском расшифровывается как «реактор большой мощности канальный»)

РЕАКТОР БОЛЬШОЙ, РЕАКТОР МАЛЕНЬКИЙ

Младший научный сотрудник ИЯИ Николай ГОЛЯК объясняет на примере из кухни: «В сути ВВЭР (водо-водяний энергетический реактор, промышленный. — Ред.) — это кастрюля, куда вы налили воду и которую закрыли крышкой. Закрыли очень герметично, все отверстия запаяли и начали кипятить под давлением, больше атмосферного».

Тип реактора, который используется на украинских атомных станциях,  ВВЭР-1000 может производить 1000 мегаватт энергии. Давление там значительно выше, чем в исследовательском реакторе — до 15,7 мегапаскаля. Плюс в настоящем реакторе АЭС вода подогревается до 300-320 градусов. В парогенераторе, получив тепло из первого контура, температура воды второго контура составляет около 280 градусов. Там, при меньшем давлении — 6,4 мегапаскаля, вода превращается в пар, который попадает на турбину и приводит в движение электрогенератор, который непосредственно производит электроэнергию.

На исследовательском реакторе ВВР-М вырабатывать электроэнергию не нужно. Соответственно, давления в двух контурах немного выше атмосферного, и вода как теплоноситель работает при невысоких температурах.

ЗАВЕДУЮЩИЙ ОТДЕЛОМ ЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЙ ОРЕСТ ПОВОРОЗНИК РАССКАЗЫВАЕТ О ПРИНЦИПАХ РАБОТЫ ЦИКЛОТРОНА У-240 И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИЗМЕРЕНИЯХ

ТИХО И СЕРО

В реакторном зале все переходят на шепот и пытаются уловить что-то чрезвычайное. Мы стоим рядком на узкой площадке у стены и разглядываем это серое сооружение в центре зала. Вообще серый здесь доминирует, выделяются разве что желтые с черным отметки «Осторожно, радиоактивность» и коробка с ярко-синими бахилами на крышке реактора.

В другом помещении стоит макет активной зоны институтского реактора в реальном масштабе, и на нем нам показывают работу установки в деталях.

ПРОЦЕССЫ В АКТИВНОЙ ЗОНЕ

Во-первых, топливо. В активную зону загружаются тепловыделительные элементы, или ТВЭЛы, с  диоксидом урана в алюминиевой матрице, обогащение составляет 19,75% по урану-235. В целом в активной зоне размещают 262 тепловыделительных элемента, которые устанавливаются на опорную решетку.

Плотность потока нейтронов внутри активной зоны —  1,2 х 10 в 14-й степени нейтронов на сантиметр квадратный в секунду. Очевидно, что это невероятно много, а насколько — даже трудно представить. Кстати, на атомных станциях, где используется топливо с меньшим показателем обогащения — около 4%, — плотность потока нейтронов меньше, максимум 2 х 10 в 12-й степени.

В первом контуре циркулирует дистиллированная вода, которая охлаждает реактор. Еще одна важная ее функция — превращение быстрых нейтронов в тепловые. За один акт деления урана-235 может выделяться энергия до 20 мегаэлектронвольт. Третья функция воды — защита от излучения. Также вокруг активной зоны исследовательского реактора располагается бериллиевый отражатель нейтронов — на атомных станциях такого нет.

С помощью вертикальных экспериментальных каналов реактора возможно облучение разнообразных образцов непосредственно около активной зоны реактора. С помощью горизонтальных экспериментальных каналов пучки нейтронов выводят из реактора в экспериментальный зал для облучения мишеней и исследования свойств нейтронов.

Прикрывает все это стальная защитная крышка толщиной полметра.

При аварии реактор останавливается автоматически. Есть больше десяти параметров, при которых это может произойти, — из-за уменьшения расходов теплоносителя и тому подобное. «Если реактор находится в штатном режиме, вреда он не причинит, — уверяет Валерий Шевель. — Высота трубы — 60 метров, на выходе образуется короткоживущий аргон-41, который распадается за 0,8 часа. Причем распадается он в газгольдере, установленном на выходе из реактора».

ПОСЕТИТЕЛЬ ФОТОГРАФИРУЕТ СТАЦИОНАРНЫЕ ДОЗИМЕТРЫ И СИСТЕМУ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ РАДИАЦИОННОЙ ОПАСНОСТИ

ЭЛЕКТРОНИКА И КРИМИНАЛИСТИКА

Реактор является не только научным инструментом, также это незаменимая вещь в определенных видах производства. В советское время в ИЯИ легировали около трех тонн кремния в год, полученный материал использовался в электронной промышленности, например, при производстве микросхем. Благодаря фосфору, который образуется при легировании кремния, можно создавать особенно сложные, «многоэтажные» микросхемы.

Еще с помощью реактора можно проводить нейтронно-активационный анализ. Если облучить тепловыми нейтронами, скажем, геологическую пробу, можно четко сказать, сколько в ней золота, серебра и других нужных материалов.

В последние семь лет в институте работает лаборатория ядерной криминалистики, где можно проводить исследования относительно нелегального распространения радиоактивных материалов, загрязнений и тому подобное.

ДЕЛА МЕДИЦИНСКИЕ

О медицине стоит сказать отдельно. Благодаря реактору можно получить радиоактивные вещества для лечения и диагностики. Например, технеций-99m, который используют при диагностике заболеваний коры головного мозга, печенки, суставов и тому подобное.

Технеций-99m живет мизерно мало, потому его получают на месте проведения процедуры — из молибдена-99, который, в свою очередь, образуется при делении урана-235. В ИЯИ в основном используют такой способ получения молибдена-99: молибден-98 облучают в активной зоне реактора. Потом в клинике, в специальном генераторе, это сырье ставится на сорбент из окиси алюминия, и в итоге медики получают небольшую пробирку с технецием. Это меченое соединение вводят в организм человека, за 30 секунд пациента подключают к специальному детектору с гамма-камерами, и тогда можно разглядеть в деталях места, куда попало вещество, даже такие труднодоступные, как сердечный клапан.

На реакторе можно получить много других изотопов, например, иридий-192, который используется для исследования сварных соединений и в брахитерапии, разновидности радиотерапии, когда источник излучения вводится непосредственно внутрь пораженного органа. Из-за такой деликатности методики ее часто используют при лечении женских и мужских заболеваний.

ИНЖЕНЕР УПРАВЛЕНИЯ ДМИТРИЙ СТРАТИЛАТ ПОКАЗЫВАЕТ МАКЕТ АКТИВНОЙ ЗОНЫ И ТОПЛИВНЫХ СБОРОК РЕАКТОРА ВВР-М

ГОРЯЧИЕ КАМЕРЫ ДЛЯ РАДИОАКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследовательский реактор используется также, чтобы проверять «здоровье» реакторов атомных станций. Если в нем облучить цилиндровые образцы-свидетели (они сначала закладываются в конструкцию реактора, а затем постепенно используются для техосмотра), можно сказать, что случится с корпусом атомной станции через несколько лет.

Как исследуются образцы из реакторов, мы увидели в помещении так называемых горячих камер. Сами горячие камеры — это лаборатории, где можно работать с большой радиоактивностью, приблизительно 10 в шестой степени Кюри. Они построены в 1974 году, как объясняет Николай Голяк, тогда в Советском Союзе существовал большой спрос на радиационные исследования разных материалов, особенно для производства баков и реакторов подводных лодок, приборов для космоса и военной техники.

ВНИМАНИЕ НА КОРПУС

«Мы находимся в помещении третьей зоны, которое является безопасным для постоянного пребывания персонала, — отмечает Николай Голяк. — Во второй и первой зонах запрещено находиться персоналу и остальным людям, которые не имеют разрешения на работу с источниками ионизирующего излучения».

Нам показывают извне камеры, которые являются первой зоной. Туда можно зайти для работы с оборудованием самой лаборатории, ремонта и тому подобное, но после дезактивации помещения. И даже тогда нужно максимально убрать источники излучения. Ими становятся любые предметы, которые взаимодействовали с другим источником излучения (для показа наглядно: одежда пожарников, которые работали в первые часы после аварии на ЧАЭС, до сих пор создает радиационный фон в сотни раз выше нормы).

Николай Голяк рассказывает, что в корпусе действующего энергетического реактора есть специальные шахты, куда загружаются образцы. После облучения эти образцы-свидетели около пяти сантиметров длиной доставляют в лаборатории, и никто не может трогать их без специальных средств, потому что они чрезвычайно активны. В горячую камеру образцы помещают через другое помещение, и в этой лаборатории работают дистанционно, с помощью металлических рук-манипуляторов, контролируя процесс через толстенное стекло. Камеры, в которые заходят сотрудники, менее активны, там находятся лишь части сборников.

«Персонал каждого отдела говорит, что именно их отдел самый важный. Мы говорим, что главное — это корпус реактора, — улыбаясь, уверяет Голяк. — Вот что было главной проблемой после аварии на ЧАЭС? Радиационное загрязнение. Не сама авария, а то, что она повлекла выброс тучи радиационного загрязнения. Корпус является единственным барьером, который защищает среду, персонал, людей вообще от загрязнения радиоактивными материалами».

КАК РЕАКТОР ПРОВЕРЯЮТ НА ПРОЧНОСТЬ

Чтобы понять, насколько в данный момент времени корпус реактора безопасен, ориентируются на показатель хрупкости металла. В горячих камерах исследуют, при каких температурах металл теряет свойства вязкости и становится хрупким. «Алюминиевый провод гнется легко, но сломать его трудно. А высоколегированная сталь не гнется, но в какой-то момент просто разрушается, это хрупко-вязкий переход. Этот момент нам очень важно знать», — подчеркивает Николай Голяк.

Когда корпус реактора только построен, известен показатель температуры, при которой происходит переход от вязкого разрушения к хрупкому. Но когда реактор начинает работать, при бомбардировке нейтронами стенок корпуса, металл деградирует, может возникнуть риск разрушения в результате распространения трещин.

Николай держит в руках исследовательские болванки из стали, похожей на ту, которая используется в корпусе реактора. Также есть контрольные образцы, которые дают представление о начальном состоянии реактора, их сравнивают с облученными. Потом благодаря анализу и статистике высчитывают температуру хрупко-вязкого перехода.

В целом в ИЯИ практикуют три основных типа испытаний. Первый — на ударную вязкость, когда образец ставят на маятниковый копер, маятник поднимается вверх, ударяет по образцу и ломает его, а исследователи высчитывают энергию, которая понадобилась для этого. Второе испытание — на трехопорный выгон. Третий вид — испытание на растяжение, когда металл в сущности рвут, растягивая цилиндровые образцы. После этого определяется предел текучести — когда начинаются пластические, необратимые деформации материала.

Когда получены все показатели, исследователи строят график, который показывает общее состояние металла, из которого изготовлены образцы, можно сделать вывод, что при таких-то температурах корпус выдержит такую-то нагрузку. Эти данные сравнивают с начальными, и становится понятно, сколько еще можно эксплуатировать корпус реактора.

ВЕЧНАЯ ДЕНЕЖНАЯ ПРОБЛЕМА

А сколько еще можно использовать сам исследовательский реактор? Изначально закладывался срок эксплуатации в 40 лет, после этого установка регулярно проходила проверки на выносливость. В 2014 году Государственная инспекция ядерного регулирования продлила срок эксплуатации киевского реактора до 31 декабря 2023 года.

«Мы еще не набрали и половины флюенса нейтронов (интегральная величина потока нейтронов по времени на единицу площади, говоря просто, превышение этого показателя может привести к радиационным повреждениям. — Авт.). По проекту флюенс составляет 10 в 23-й степени нейтронов, — отмечает Валерий Шевель. — Это постоянно проверяется. Когда будет набран критический флюенс, будут сделаны выводы, продолжать ли эксплуатацию установки. Потому что персонал становится старше, направления, с которыми здесь работают, тоже теперь не разрабатываются. За последние пять-десять лет реактор работал очень мало».

Сегодня проблема финансирования для реактора более важна, чем технические показатели. В год работа установки нуждается в около 12 миллионов гривен. В прошлом году государство выделило «аж» 380 тысяч гривен.

«Для города, для страны даже 12 миллионов — это не деньги, — убежден Валерий Шевель. — Сейчас государство не выделяет особенно средства на топливо, оно у нас с того времени, когда мы вывезли из России высокообогащенное топливо в обмен на низкообогащенное, потому топлива у нас достаточно. Но для кого и для чего? Реактор вроде бы готов для работы, но работать просто так не может».

***

Через лесополосу наша группа выходит на опушку, спрятанную среди сосен и кленов. Там мы заедаем впечатления черешней и чаем, полностью на природе, хотя и с видом на жилищные массивы. У нас сиеста, как и у реактора, который в нескольких сотнях метров.

Мария ПРОКОПЕНКО. Фото Николая ТИМЧЕНКО, «День»

«День» у Facebook, , Google+

Новини партнерів