ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УСКОРИТЕЛЕЙ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
В ЯДЕРНО-ТОПЛИВНОМ ЦИКЛЕ

Миронов Ю. Т.

Несмотря на полувековой опыт использования ядерных реакторов, до сих пор по существу не решены две важнейшие проблемы ядерно-топливного цикла: это обеспечение 100 % ядерной безопасности при эксплуатации реакторов и проблема уничтожения образующихся радиоактивных отходов. Новые подходы к решению обеих проблем обнаружились в последнее время, и связаны они с использованием ускорителей заряженных частиц.

Современное развитие ускорительной техники позволяет создавать мощные высокоэффективные ускорители протонов, дейтронов и других частиц на энергии в сотни и тысячи мегаэлектронвольт. Высокие технологические параметры ускорителей делают их перспективным средством решения проблем ядерной безопасности реакторов и проблемы уничтожения образующихся в них радиоактивных отходов.

Принципиально проблема безопасности решается так. На мишень из ядерного топлива, которая в данной схеме и является, по существу, реактором, направляют импульсный пучок ускоренных высокоэнергетических частиц. В процессе взаимодействия частиц с мишенью образуются нейтроны, которые инициируют деление ядер, как в обычном реакторе. Существенно здесь то, что деление ядер в мишени-реакторе длится ровно столько, сколько длится импульс частиц от ускорителя. Ни больше, ни меньше. Выключен пучок, и процесс деления прекращается, т.к. размеры мишени выбираются так, что она сама по себе никогда не войдет в режим цепной самоподдерживающейся реакции. Короче говоря, в реакторе, управляемом ускорителем, цепь ядерной реакции деления разорвана на короткие звенья — вспышки. Так просто, на первый взгляд, выглядит решение проблемы ядерной безопасности в принципе. На самом же деле здесь много научных и инженерных вопросов, которые должны быть решены прежде, чем ядерно-безопасная гибридная установка «реактор + ускоритель» заработает и будет производить энергию.

Одним из первых рассмотренное решение ядерной безопасности реакторов предложил известный ученый, нобелевский лауреат в области физики Карло Руби. Вклад в развитие этого направления науки и техники вносят и специалисты ПИЯФ РАН. Оригинальную схему построения установки «реактор + ускоритель» предложил и развивает доктор физико-математических наук Ю.В. Петров, сотрудник ПИЯФ. Использование схемы, предложенной Ю.В. Петровым, позволяет существенно снизить требования к технологическим параметрам ускорителя и в определенном смысле делает более реальным весь проект «реактор + ускоритель» в целом.

Использование мощных высокоэнергетических ускорителей заряженных частиц позволяет решить и проблему уничтожения радиоактивных отходов (РАО), возникающих в ядерно-топливном цикле при эксплуатации энергетических и иных ядерных реакторов. Обычная современная процедура обращения с РАО — это захоронение в земле или в морских глубинах. Но это не решение проблемы, а лишь отстранение ее на более поздние времена, « на потом», в расчете на будущее развитие науки и техники. С такой (вынужденной !) технологией можно было бы согласиться, если бы речь шла только о сравнительно короткоживущих радионуклидах в составе РАО. Но как быть с такими радионуклидами, период полураспада которых сотни, тысячи и многие тысячи лет ? За такое время исчерпает себя гарантированная прочность и герметичность бетонных каньонов, в которых в некоторых случаях захораниваются РАО, толщи глин, массивные кристаллические геологические образования, используемые как могильники РАО, претерпят изменения вследствие тектонических и иных процессов. Обсуждавшийся как возможное решение проблемы в начальную пору развития практической космонавтики способ транспортировки РАО в космос оказался достаточно утопическим и вовсе не безопасным. В настоящее время признается реальным (реализуемым) и физически допустимым способом уничтожение РАО трансмутацией, т.е. преобразованием наиболее опасных ( радиотоксичных и долгоживущих) радионуклидов в менее опасные (короткоживущие и менее токсичные) под воздействием пучков частиц, полученных на ускорителях.

О чем конкретно идет речь? Из всего множества радионуклидов, входящих в состав РАО ядерно-топливного цикла, выделяют те, захоронение которых сопряжено с наибольшими трудностями. Это долгоживущие радионуклиды: технеций-99 ( период полураспада Т_1/2=200 тыс. лет), йод-129 (Т_1/2=17 млн. лет), цезий-135 (Т_1/2=2 млн. лет), плутоний-239 (Т_1/2=24 тыс. лет) , а также радионуклиды, образующиеся в особо значительных количествах, хотя и имеющие относительно меньшие периоды полураспада: стронций-90 (Т_1/2=28,5 лет) и цезий -137 (Т_1/2=30 лет). При облучении мишеней, изготовленных из этих радионуклидов, пучками высокоэнергетических ускоренных частиц происходит множество ядерных реакций. В результате реакций радионуклиды превращаются (трансмутируют) в другие, безопасные, которые вполне могут быть захоронены обычными способами, без риска оставить будущим поколениям Землю, перегруженную ядерными отходами.

Вся совокупность научных и инженерно-технических проблем, связанных с созданием и использованием ускорителей в ядерно-топливном цикле, в публикациях для краткости часто обозначается как ADS и ATW проблемы. Первая аббревиатура относится к системам реактор + ускоритель. от английского Accelerator-Driven Systems , т.е. подкритические сборки (системы), управляемые ускорителем, вторая — к трансмутации радиоактивных отходов с помощью ускорителя заряженных частиц (от английского Accelerator Transmutation of Waste).

Актуальность решения ADS и ATW проблем иллюстрирует частота посвященных им научных, национальных и международных совещаний и, соответственно, публикация трудов: май 1996 г. — Дубна, Россия; июнь 1996 г.. — г. Кальмар, Швеция; июнь 1997 г. — Москва, Россия и далее продолжение следует...

Начаты работы по ADW проблематике и на синхроциклотроне ПИЯФ РАН.

	Перейти к оглавлению