ДВУХЗОННЫЙ БЫСТРЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ РЕАКТОР БАРС-5М

Исследовательский реактор БАРС-5М – это двухзонный импульсный быстрый апериодический самогасящийся реактор, предназначенный для облучения крупногабаритных образцов мощным коротким импульсом нейтронов. БАРС-5М является модернизированным реактором БАРС-5. В 2013 году реактор БАРС-5 был остановлен и подвержен глубокой модернизации, после которой получил новое название БАРС-5М. В настоящее время выполняется физический пуск реактора БАРС-5М.

Реактор состоит из двух активных зон, объединенных общим механическим стендом, конструкция которого позволяет изменять расстояние между их центрами от 33 до 150 см. Это достигается с помощью дистанционно управляемого перемещения одной АЗ (подвижной) относительно другой (неподвижной). В каждой АЗ имеется независимый источник нейтронов, механизм дистанционно управляемой загрузки исследуемых образцов в центральный экспериментальный канал, комплект нейтронных детекторов (подвижных и неподвижных, соответственно). Реактор БАРС–5М можно эксплуатировать с АЗ в одной из трех конфигураций, отличающихся размерами центрального канала и числом деталей из делящегося материала.

Активная зона основной конфигурации имеет форму цилиндра с наружным диаметром состоит из шести сплошных колец толщиной 3 см каждое. Кольца собираются на центральной стальной опорной трубе. Между кольцами установлены титановые прокладки, контактирующие с дисками по внешним   краям.

В пространстве между реакторами можно устанавливать регулятор связи – для управления реактивностью связанной системы с помощью изменения нейтронного взаимодействия между активными зонами.

Импульсный стержень имеет форму пластины, огибающей наружную цилиндрическую поверхность АЗ. Регулятор реактивности (нейтронная ловушка), содержащий поглотитель нейтронов, устанавливается в центральный канал и представляет собой цилиндр из смеси полистирола и бора в алюминиевом корпусе.
Каждая активная зона окружена чехлом из бора.

В качестве делящегося материала в активной зоне реактора БАРС–5М используется сплав урана и молибдена. Охлаждение активной зоны реактора БАРС-5 осуществляется сжатым воздухом.

Основные направления исследований:

• Разработка, модернизация, исследование характеристик, ввод (вывод) в эксплуатацию импульсных ядерных реакторов с металлической активной зоной, в том числе многозонных.
• Проведение исследований радиационной стойкости радиоэлектронной аппаратуры и ее элементной базы.
• Исследование физических характеристик делящихся материалов.
• Эксплуатация эталонного измерительного оборудования для аттестации нейтронных полей установок.
• Аттестация нейтронных полей установок РФЯЦ-ВНИИТФ.

ИМПУЛЬСНЫЙ РАСТВОРНЫЙ РЕАКТОР ИГРИК-2

Импульсный гомогенный реактор испытательного комплекса (ИГРИК-2) предназначен для генерирования импульсов делений длительностью не менее 2 мс а, также для работы в статическом режиме на мощности до 40 кВт. При разработке реактора ИГРИК-2 учтен опыт эксплуатации реакторов ИГРИК и ЯГУАР.

В состав реактора входят: корпус АЗ с механизмом импульсных стержней, содержащих поглотитель нейтронов; стенд, состоящий из опорной плиты и смотровой площадки, которые установлены на стойках и предназначены для размещения корпуса АЗ; технологическое оборудование, используемое для хранения и подачи топлива в корпус АЗ; пульт управления.

Топливом реактора является раствор уранилсульфата (UO2SO4) в обычной (легкой) воде, с добавкой гомогенно введенного поглотителя – соли CdSO4. Объем раствора в технологической системе не более 136 л. Основным элементом конструкции реактора является корпус активной зоны, представляющий собой толстостенный полый цилиндрический сосуд, с центральным каналом для размещения облучаемых образцов. Корпус активной зоны реактора ИГРИК-2 имеет довольно сложную конструкцию. Силовая часть корпуса выполнена из стали 30ХГСА, сварена из четырех частей и для дополнительной прочности стянута сверху болтами. Внутри корпуса имеется полость сложной формы для топливного раствора – в верхней части полости выполнен «лабиринт», предназначенный для гашения кинетической энергии раствора его разлета после импульса делений. Внутри полости также размещены гильзы импульсных стержней и стержня аварийной защиты. Для исключения контакта раствора с материалом силовой части корпуса на всю внутреннюю поверхность полости нанесена наплавка из нержавеющей стали общей толщиной около 5 мм. Такое устройство корпуса, в какой-то степени, реализует ранее использованные решения, примененные на реакторе ЯГУАР, где также имеется нержавеющая «рубашка». Однако для корпуса активной зоны реактора ИГРИК-2 удалось вывести идею герметизации силового корпуса на совершенно новый технологический уровень. Изготовление корпуса сопровождалось значительным объемом исследований и испытаний. Без сомнения корпус активной зоны реактора ИГРИК-2 является высокотехнологичным изделием, выполненным с высокой степенью точности, рассчитанным и испытанным на максимальные нагрузки, возникающие при эксплуатации реактора, с соответствующими коэффициентами запаса.

Реактор ИГРИК-2 создавался в связи с потребностью в проведении исследований радиационной стойкости разнообразных объектов.

Удачные конструкторские решения, большие размеры центрального канала, оснащение реактора большим набором различных конверторов нейтронов и гамма-квантов - обеспечивают высокие эксплуатационные качества реактора и возможность его использования в новых прикладных задачах. Конструкция реактора позволяет обеспечить возможно большие значения флюенса нейтронов и дозы гамма?квантов в возможно большом объеме, доступном для размещения облучаемых образцов.           

Облучаемые образцы можно размещать в центральном канале и/или снаружи реактора вблизи боковой поверхности корпуса активной зоны, например, напротив окна в свинцовой защите, где флюенс нейтронов наибольший. В центральный канал образцы загружаются с помощью специального механизма, установленного на загрузочном устройстве.

Реактор будет использоваться в качестве мощного лабораторного источника нейтронного и гамма-излучения.

Основные направления исследований

• Физические исследования и испытания на радиационную стойкость элементной базы и радиоэлектронной аппаратуры.
• Исследования механических и теплофизических характеристик ДМ.
• Проведение нейтронно-графических и медико-биологических экспериментов.
• Изучение нейтронно-физических и динамических характеристик ИЯР растворного типа.

РАСТВОРНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ РЕАКТОР ЯГУАР

Исследовательский реактор ЯГУАР (ядерный гомогенный урановый апериодический реактор) – это импульсный реактор с растворной активной зоной.

Первый этап физического пуска реактора ЯГУАР был начат в конце 1988 г. Реактор был введен в эксплуатацию в июне 1990 г. Модернизация системы управления и защиты и реконструкция здания размещения реактора ЯГУАР выполнены в период с 2009 по 2013гг., физический пуск после модернизации завершен в 2014 году, реактор введен в эксплуатацию в 2014 году сроком на 10 лет.

Общая компоновка реактора ЯГУАР включает корпус активной зоны с радиационной защитой, технологическую систему и СУЗ. Корпус реактора с механизмом импульсных стержней установлен в реакторном зале, где размещены блоки детекторов гамма- и нейтронного излучений, блок управления исполнительными элементами, имеющими пневматические приводы, и вспомогательное оборудование.

При генерировании импульса делений система управления и пневматические приводы осуществляют синхронное перемещение двух импульсных стержней с помощью специальной системы включения электропневматических клапанов, имеющихся в системе пневматических приводов.  Приводы выполнены таким образом, чтобы стержни можно было перемещать независимо друг от друга.

Топливная композиция АЗ реактора ЯГУАР представляет собой высококонцентрированный раствор соли сульфата уранила в обычной (легкой) воде с небольшим количеством соли кадмия. Конструкция корпуса АЗ выполнена таким образом, что топливный раствор во время импульса делений имеет возможность двигаться как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях.

Особо следует отметить проводимые на реакторе ЯГУАР уникальные эксперименты по прямому измерению сечения нейтрон-нейтронного рассеяния (в кооперации с ОИЯИ).

Основные направление исследований

1. Проведение исследований радиационной стойкости приборов и их элементной базы в облучательных опытах.
2. Исследование теплофизических и физико-механических характеристик делящихся материалов.
3. Нейтронно-физические исследования систем из растворов делящихся материалов.
4. Фундаментальные исследования в области ядерной физики и элементарных частиц.

СТЕНД ДЛЯ КРИТИЧЕСКИХ СБОРОК ФКБН-2

Стенд для критических сборок (СКС) предназначены для определения критических конфигураций и нейтронно-физических характеристик систем, содержащих металлические делящиеся материалы. Разработка физического котла быстрых нейтронов (ФКБН) — так назывался первый СКС, предназначенный для исследований критических систем из металлических урана и плутония, началась сразу же после создания института. И уже в марте 1958 года первый ФКБН был запущен в эксплуатацию. В 1970 году при перемещении в новое здание он был существенным образом модернизирован. Эта установка получила название ФКБН-М и эксплуатировалась до конца 1998 года, полностью выработав свой ресурс. На СКС ФКБН и ФКБН-М проведен большой объем работ по исследованию критических параметров различных систем с металлическими ураном и плутонием, в том числе активных зон создаваемых импульсных ядерных реакторов.

 В октябре 2000 года был проведен физический пуск нового СКС, получившего название ФКБН-2, а в 2001 году он был запущен в эксплуатацию. Исследования критических параметров различных систем, состав которых составляют металлические уран и плутоний, а также различные неделящиеся материалы, проводятся на ФКБН-2 до настоящего времени. Основными отличительными чертами нового ФКБН-2 являются повышенная механическая точность изготовления деталей и узлов стенда, включая прецизионное знание составов используемых материалов; автоматизация и компьютеризация системы регистрации нейтронного потока с записью и сохранением на магнитном носителе протокола измерений; наличие компьютерного аудио-видеоконтроля  процесса сборки с записью информации на магнитный носитель; оборудование здания, пультового помещения и экспериментального зала современными средствами физической защиты.

В настоящее время в составе ФКБН-2 имеется пять комплектов деталей из делящихся материалов. Комплекты 1-4 состоят из полусферических слоев, которые в собранном виде образуют сферические системы из высокообогащённого урана и плутония. Комплект 5 (РОМБ) включает из себя диски из высокообогащенного урана и плутония, а также диски и кольца из различных неделящихся материалов. ФКБН-2 используется, в основном, для обоснования ядерной безопасности технологических операций с разрабатываемыми в институте устройствами; и для получения прецизионных данных о характеристиках размножающих систем в бенчмарк-экспериментах для верификации расчетных программ и корректировки нейтронных констант.

В 2011 году на стенде внедрен новый метод измерений величины, характеризующей быстрые переходные нейтронные процессы в исследуемой системе безотносительно к ее состоянию — времени жизни мгновенных нейтронов. Это производная от постоянной спада мгновенных нейтронов в системе по величине, линейно связанной с реактивностью. Как оказалось, эта величина надежно измеряется и рассчитывается и может служить контролем качества расчетов состояния системы (реактивности) и временных характеристик переходных процессов на мгновенных нейтронах (время жизни мгновенных нейтронов). С внедрением этого метода критические измерения приобрели новое качество и стали надежным инструментом определения без разборки исследуемой системы характеристик ее состояния (реактивности) и быстрых переходных нейтронных процессов (времени жизни мгновенных нейтронов).

Основные направления исследований

1. Разработка, модернизация, исследование характеристик, ввод (вывод) в эксплуатацию, эксплуатация стендов и критических сборок и ИР.
2. Проведение ядерно-физических исследований на ПКС с целью обоснования ядерной безопасности, уточнение ядерно-физических констант и верификация математических моделей и расчетов.
3. Определение физико-радиационных ядерных материалов и составных частей подкритических систем.

ПРОЧЕЕ

Результаты исследований на комплексе этих установок используются для расчетов многих технических устройств, в том числе для расчетов взрывных камер, использующих химические взрывчатые вещества для получения искусственных алмазов, расчетов развития атмосферных течений и течений в мировом океане с целью изучения переноса экологически опасных веществ.

При проведении исследований по физике высоких плотностей энергии, физике плазмы и лазерному термоядерному синтезу, а также исследований лазерных сред, впервые в мире запущен ультрафиолетовый лазер с ядерной накачкой (ЛЯН), открыт эффект влияния теплового перегрева на характеристики ЛЯН, открыты 4 новых лазерных среды, получена лазерная генерация на 6-ти новых переходах атомов и ионов. В настоящее время ведутся разработки в области твердотельных лазеров с диодной накачкой. Создана уникальная физическая установка на базе первого в России гигаваттного частотного твердотельного лазера с диодной накачкой.

В дальнейшем планируется создание мощных эффективных лазерно-реакторных устройств для их применения в народном хозяйстве и военном деле.

Многие результаты исследований внедрены в гражданскую экономику России. Создан и успешно функционирует Центр нейтронной терапии для лечения ряда онкозаболеваний. В последние годы активно развивается направление, связанное с разработкой и производством специального оптоволокона и оптоволокна для систем связи (многомодовое и одномодовое оптоволокно, лазерное оптоволокно). Разрабатывается технология производства сверхярких светодиодов (светодиоды для светофоров, полноцветных экранов, источников белого освещения).

С 1996 года во ВНИИТФ, совместно с ФИАН им. П.Н. Лебедева, реализуется программа развития технологии выращивания полупроводниковых квантоворазмерных гетероструктур. Первой практической задачи явилось освоение технологии производства полупроводниковых структур для сверхярких светодиодов, хотя возможности технологии существенно шире и включают в себя:

- квантово-размерные лазерные гетероструктуры для всех типов полупроводниковых лазерных диодов;
- гетероструктуры для высокоэффективных радиационно-стойких солнечных элементов космического базирования;
- инфракрасные фотоприемные гетероструктуры;
- нитридные и карбид-кремниевые полупроводниковые структуры для высокотемпературных и радиационно-стойких микросхем.