Рис. 1. Системы (реакторы) с внутренней безопасностью для энергетики будущего

Круг интересов Л.П. Феоктистова схематически показан на рисунке 1. Каждый прямоугольник в верхней части рисунка соответствует определенной работе Льва Петровича, в которой рассматривается та или иная энергетическая система–реактор. В верхней части рисунка показаны системы (реакторы), которые должны возникнуть в ближайшие 70÷100 лет. Все эти системы-реакторы обладают внутренней физически присущей безопасностью. В нижней части указаны системы, которые, как считал Л.П. Феоктистов, возникнут позже — в интервале 150÷200 лет, когда человечество освоит способы компактной и доступной реализации такого процесса, как термоядерная детонация в средах с экзотическими реакциями синтеза.

Вопросы безопасности реакторов

Определение реактора с внутренней безопасностью, данное Л.П. Феоктистовым звучит следующим образом: «Реактором с внутренней безопасностью называется такой безопасный реактор, в котором авария гасится не усилиями человека (оператора), а автоматически, в силу заложенных в него физических причин». Суть определения состоит в том, что предотвращение развития цепной ядерной реакции в случае аварийной ситуации на АЭС должно происходить по причине «срабатывания» физического закона, а не действий человека–оператора или автоматики, перемещающей поглощающие стержни, заглушающие цепную реакцию деления. Человеку свойственны ошибки, автоматике присущи сбои и поломки механических элементов системы безопасности. Физический же закон всегда работает без «сбоев и поломок».
Физические законы–«тормоза», которые можно использовать для обрыва цепи в реакции деления, перечислены в таблице 1. Справа в столбце указаны названия тех типов реакторов рисунка 1, в которых используется тот или иной физический закон.


Примечания: РНД – реактор на делительной волне, ИР – идеальный реактор, РКЗ – реактор с кипящей зоной, ГР – гибридный реактор, ЯКД – ядерный космический двигатель.

Реактор на нейтронно-делительной волне

Остановимся подробнее на одной из базисных задач, решенных Львом Петровичем — реакторе на нейтронно-делительной волне. Феоктистов рассматривал эту задачу в простейшей постановке, чтобы выяснить основные физические закономерности и убедиться в полной безопасности системы по отношению к ядерному взрыву (то есть возникновению цепной реакции деления).
Рассматривалась протяженная цилиндрическая среда с диаметром порядка нескольких метров и длиной масштаба десятков метров, состоящая из природного урана или чистого U²³⁸. Предполагалось, что в торце такого стержня организован достаточно интенсивный поток быстрых нейтронов, который можно обеспечить разными способами. Простейший из них — это установка в торце плутониевого шара или шара из U²³⁵, который и обеспечит нужный поток быстрых нейтронов. В результате в среде будет происходить цепочка реакций, приводящая к делительно-активному Pu²³⁹. Существуют звенья с превращениями по механизму двойного β–распада с временами 2,5 мин и 2,5 суток. Вместе с тем, в этой системе существует еще одна «хитрая» особенность. Дело в том, что в спектре быстрых нейтронов равновесное состояние, которое достигается при t→∞, будет соответствовать составу, при котором концентрация Pu²³⁹ составит величину ≈ 10% от концентрации U238. Критическая же концентрация (то есть концентрация, при которой плотность нейтронов в среде будет нарастать со временем) будет составлять величину ≈ 5%. Это означает, что в ходе «подсвечивания» среда сначала будет накапливать Pu²³⁹, а после возникновения его критической концентрации, реакция сама начнет развиваться в сторону увеличения концентрации плутония до равновесного значения.
Великолепное владение Льва Петровича ядерной физикой и огромный опыт в анализе нейтронно-делительной кинетики позволили ему оценить конкретные значения величин на основе упрощенных моделей, позволяющих легко довести ответ до числа. Построение таких же простых моделей кинетики ядерных реакций, адекватно отражающих истинные процессы в среде, позволило ему изучить и волновой процесс распространения реагирующей зоны по среде.
На рисунке 2 показана система кинетических уравнений для ядерных реакций, состоящая всего из четырех уравнений. Это удивительно, но она заменяет истинную систему, в которой для описания реальной кинетики имеется более сотни уравнений.


Рис. 2. Упрощенная система уравнений, описывающих нейтронно-делительную волну [1]

Полученное Львом Петровичем значение по скорости волны с большой точностью (~15%) совпадает со значением, полученным японскими исследователями в численном расчете. Иллюстрация численного расчета, демонстрирующая процесс продольного движения нейтронно-делительной волны по урановому стержню [2], показана на рисунке 3.


Рис. 3. Процесс продольного движения нейтронно-делительной волны (волны Феоктистова) по урановому стержню [2]

В настоящее время реакторами на нейтронно-делительной волне (волне Феоктистова) заняты группы исследователей в Японии, Китае, на Украине (Харьковский физтех) и в США.

Реактор на бегущей волне конструкции Terra Power

В отличие от восточных вариантов (Япония, Китай), где рассматривается продольное распространение делительной волны по протяженной среде, в США проектируется установка с цилиндрической бегущей нейтронно-делительной волной, распространяющейся по радиусу [3]. Возглавляет разработку реактора Билл Гейтс, который специально для проекта в 2009 году создал компанию Terra Power. Работы идут очень активно. Билл Гейтс уже к 2024 году планирует осчастливить человечество новым реактором, который работает на U238, имеющимся на планете в огромном количестве.
В активную зону реактора (рис. 4) введено большое количество стержней из U²³⁸ и только один стержень из U²³⁵, «поджигающего» ядерную реакцию [4]. В ходе ядерных превращений U238 преобразуется в Pu²³⁹, а выделяющееся при этом тепло используется для получения энергии. Реакция, распространяется от центра активной зоны к ее краям, подобно волне. По мере выработки стержней из U²³⁸ в центре реактора, происходит их перестановка с более удаленными от центра стержнями, что обеспечивает постоянное поддержание ядерной реакции.
Такой реактор в качестве топлива может использовать как уран без обогащения, так и практически любой вид обедненных ядерных отходов.Такие реакторы смогут работать в течение десятилетий без замены топливных элементов.



Рис. 4. Реактор на бегущей волне конструкции Terra Power [4].
1 — крышка корпуса реактора, 2 — защитный кожух, 3 — активная зона, 4 — система управления и защиты, 5 — механические насосы, 6 — теплообменники

Реакторы с кипящей активной зоной (на тепловых нейтронах)

Реактор с кипящей активной зоной Л.П. Феоктистов рассчитывал, считая, что материалы, способные выдержать высокие нагрузки, для его построения в данный момент отсутствуют, но в ближайшем будущем, возможно, возникнут. Основная цель этой задачи — наглядно продемонстрировать, например, студентам, что такое внутренняя безопасность реактора и как она может быть обеспечена.


Рис. 5. Реактор с кипящей активной зоной

В конструкции, которая показана на рисунке 5, предполагается, что во внутреннем шаровом объеме содержится 20 тонн природного урана в виде, например, UF4 в смеси с 50 тоннами тяжелой воды (аналог канадских реакторов). В той конструкции, которая изображена на рисунке, при увеличении мощности больше расчетной происходит ускоренное испарение D2O, замедлитель уходит через канал в специальный объем, скорость реакций деления в рабочей камере падает и реактор останавливается.


Ядерный ракетный двигатель импульсного действия

Основной проблемой создания ядерных космических двигателей по традиционной схеме, которая предполагает наличие обычного ядерного реактора, вырабатывающего электроэнергию, и плазменного движителя, является проблема отвода тепла, которого обычный реактор вырабатывает примерно в два раза больше, чем электричества. При мощности электростанции порядка 10 МВт и выше эта проблема становится практически неразрешимой, поскольку в космосе существует только один способ отвода тепла — через излучение.
Лев Петрович предлагал принципиально другой подход. Ядерный ракетный двигатель (ЯРД) должен быть импульсным. Он должен срабатывать раз в несколько минут, а лишнее тепло будет уходить с рабочим телом (рис. 6).


Рис. 6.Ядерный ракетный двигатель импульсного действия

Освоение космоса невозможно обеспечить на основе химического топлива, и очень непросто — за счет ядерного топлива. Лев Петрович проанализировал четыре схемы импульсного ЯРД и нашел оптимальную. Найденное решение — по сути, реактор, в которой энерговыделение происходит по гибридной схеме. Основное энерговыделение происходит в слабоподкритической среде U²³⁵, разбавленного водой (от 1:20 до 1:500). Энергосъем происходит взрывоподобно под действием нейтронов, полученных в термоядерной DT-реакции, запускаемой лазером. Были рассчитаны конкретные значения параметров делительного бланкета и лазера. Их можно найти в книге «Из прошлого в будущее» [1].
Типичные значения параметров оптимальной схемы таковы. Разжигание термоядерной DT-реакции для порождения 8х10¹⁸ нейтронов с энергией 14 МэВ потребует наличия на борту космического аппарата лазера с энергией в импульсе ≈3 МДж. Расход U²³⁵ во взрывающемся бланкете составит 8 кг при разбавлении его водой в соотношении 1:50. Скорость рабочего тела на выходе из сопла составит величину ~10⁶ см/с.

Термоядерная детонация — основа чистой термоядерной энергетики будущего

Представленную ниже информацию вы не найдете в книгах Льва Петровича. Это рисовалось на доске во время научных дискуссий.
Реакции синтеза с легкими ядрами станут основой реакторов производящих энергию не ранее, чем через 70÷100 лет. При этом существенным для возникновения чисто термоядерных источников энергии является освоение процесса термоядерной детонации в протяженных и разветвленных средах (шнурах) термоядерного топлива (рис. 7).


Рис. 7. Схематичное изображение процесса термоядерной детонации

Асимптотически совершенными (идеальными) для производства электроэнергии в будущем следует считать устройства, в которых энергия вырабатывается в термоядерных реакциях с легкими элементами с возникновением только заряженных частиц без нейтронов, порождающих наведенную радиоактивность. Разжигание таких сред возможно от запущенных реакций в DT-системе. Заметного облегчения запуска детонации в средах с экзотическими реакциями, и главное, значительного уменьшения их критических размеров можно достигать путем разбавления этих сред DT-компонентом.
Примеры реакций без возникновения нейтронов:


Химические лазеры с самоинициированием

Мы активно работали над созданием мощных химических лазеров с самоинициированием, позволяющих неограниченно увеличивать энергию излучения выходного импульса. Такие лазеры нужны в качестве компактного драйвера для ЛТС (10 МДж), для создания ядерного космического двигателя и в других задачах.


Рис. 8. Основные параметры лазера и принцип его действия. А — принцип лавинного самоинициирования; Б — способ наращивания энергии

С 1982 по 1988 год была выполнена глубокая теоретическая проработка [5]. С 1988 и до 2006 года (работы продолжались еще 4 года после ухода Льва Петровича) мы очень активно вели и экспериментальные работы по обоснованию реализуемости этой лазерной системы [6;7]. Была создана мощная совместная команда исследователей, включая сотрудников ИАЭ им. Курчатова, где Лев Петрович работал с 1977 по 1988 год и ФИАН им. П.Н. Лебедева, в котором Л.П. Феоктистов трудился с конца 1988 по февраль 2002 года. В эти годы на Троицкой площадке ОКРФ ФИАН было выполнено много интереснейших работ и создан совершенный лазероскопический исследовательский комплекс «Бриз».


Рис. 9. Лазероскопический комплекс «Бриз»

Вся эта деятельность по созданию мощных импульсных лазеров была нужна для достижения одной конкретной цели — создания лазерной системы, позволяющей получить мощный импульс излучения, достаточный для реализации термоядерного синтеза на DT-мишени. Очевидно, что это открывало широкие перспективы построения целой серии энергетических ядерных реакторов с внутренней безопасностью.

В качестве итога этих воспоминаний об академике Л.П. Феоктистове и его взглядах на энергетику будущего можно сформулировать следующие выводы:
1. Основную роль в энергетике будущего, по мнению Л.П. Феоктистова, будет играть атомная энергетика. Первые сто лет — реакторы деления с внутренне присущей безопасностью. Далее — термоядерные источники энергии, асимптотически — реакторы синтеза на безнейтронных реакциях.
2. Создание мощных импульсных лазеров мегаджоульного диапазона энергии в импульсе и разрабатка эффективных мишеней для разжигания термоядерной DT-реакции является неизбежной стадией на пути к энергетике будущего.
3. К 95-й годовщине Л.П. Феоктистова желательно переиздать книгу «Из прошлого в будущее» значительным тиражом.

Заключение

В завершение статьи хочу снова обратить внимание на рисунок 1, где показаны основные направления работ Льва Петровича. В рамках данной статьи я кратко остановился только на четырех из них. Вместе с тем, очевидно, что все обозначенное поле деятельности Л.П. Феоктистова на сегодняшний день является очень актуальным и привлекательным с точки зрения дальнейшего развития ядерной энергетики и космонавтики.
При этом значком обозначены те системы, где мощный импульсный лазер является обязательным элементом. Как вы можете видеть, такой значок стоит в большей части прямоугольников. Этим и объясняется направленность нашей совместной деятельности в течение последних 20 лет жизни Л.П. Феоктистова.

Список литературы:
1. Феоктистов Л.П. Из прошлого в будущее. От надежд на бомбу к надежному реактору. Издательство РФЯЦ-ВНИИТФ, Снежинск, 1998.
2. TerraPower. Introduction to TerraPower. Bellevue, Washington: TerraPower, [2013]. On the Web at https://terrapower.com/multimedia.
3. TerraPower. at https://terrapower.com.
4. TerraPower. TWR-P Reactor, at https://terrapower.com/uploads/multimedia/TWR-P.jpg.
5. Зарецкий Н.П., Феоктистов Л.П., ДАН, 321, №1, с.88.
6. Зарецкий Н.П. «Обратная задача» Феоктистова и мегаджоульный химический лазер с самоинициированием, VII Забабахинские научные чтения, https://vniitf.ru/rig/konfer/7zst/reports/s3/3-12.pdf.
7. Зарецкий Н.П., Феоктистов Л.П., Александров А.О., Стародуб А.Н., Препринт ФИАН №26 (М., 2000).


Николай Пантелеевич Зарецкий
Руководитель Курчатовского комплекса промышленной безопасности НИЦ «Курчатовский институт»