Исследовательские реакторы и способы их использования

Вот уже более 60 лет исследовательские реакторы дают миру универсальный инструмент, позволяющий испытывать материалы и продвигать вперед научные исследования, а также разрабатывать и производить радиоактивные материалы, имеющие ключевое значение для диагностики и, в некоторых случаях, лечения заболеваний. Существует широкий спектр конструкций исследовательских реакторов и еще более широкий спектр применений, которые обеспечивают социально-экономические выгоды, помогая странам во всем мире в достижении их целей в области устойчивого развития.

На сегодняшний день построено более 800 исследовательских реакторов. Хотя за прошедшие годы многие из них были закрыты и выведены из эксплуатации, в 53 странах продолжают работать 224 таких реактора. В настоящее время строятся 9 новых исследовательских реакторов, а за последние 10 лет их было построено более 10. Поскольку большинство исследовательских реакторов было построено в 1960‑х и 1970-х годах, сегодня возраст половины действующих исследовательских реакторов в мире составляет более 40 лет, а около 70% из них старше 30 лет.

Что представляют собой исследовательские реакторы?

Исследовательские реакторы — это небольшие ядерные реакторы, которые в основном используются для производства нейтронов, что отличает их от ядерных энергетических реакторов — более крупных и используемых для выработки электроэнергии. По сравнению с ядерными энергетическими реакторами исследовательские реакторы имеют более простую конструкцию, работают при более низких температурах, требуют гораздо меньше топлива и поэтому производят гораздо меньше отходов. Учитывая их важную роль в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах, многие исследовательские реакторы находятся в университетских городках и научно-исследовательских институтах.

Мощность исследовательских реакторов измеряется в мегаваттах (МВт); 1 МВт равен 1 миллиону ватт, а ватт является единицей мощности. Мощность исследовательских реакторов варьируется от 0 МВт (как в случае критической сборки) до 200 МВт, что контрастирует с 3000 МВт (также обозначаемыми как 1000 МВт (электрической мощности)) для крупного ядерного энергоблока. Однако мощность большинства исследовательских реакторов составляет менее 1 МВт.

Как используются исследовательские реакторы?

Производимые исследовательскими реакторами нейтроны — субатомные частицы, содержащиеся почти во всех атомах, — полезны для научных исследований на атомном и микроскопическом уровнях. В частности, они используются для производства радиоизотопов в медицинских целях и для облучения материалов при разработке ядерных и термоядерных реакторов. Эти частицы в основном используются в таких областях, как промышленность, медицина, сельское хозяйство, криминалистика, биология, химия и геохронология.

В отличие от энергетических реакторов исследовательские реакторы также хорошо подходят для обучения и подготовки кадров. Это связано с их меньшей сложностью: их системы и конструкции в целом просты и легкодоступны, что позволяет безопасно моделировать различные условия эксплуатации реактора. Исследовательские реакторы могут использоваться для обучения операторов реакторов, обслуживающего и эксплуатационного персонала ядерных установок, персонала служб радиационной защиты, сотрудников регулирующих органов, студентов и ученых.

Некоторые способы использования исследовательских реакторов

Научные исследования с использованием нейтронов начались после того, как в 1932 году физик Джеймс Чедвик открыл нейтроны. К середине 1950-х годов применение нейтронов в научных исследованиях стало более распространенным, в особенности после того, как ученые начали внедрять методы рассеяния нейтронов. Сегодня нейтроны, производимые исследовательскими реакторами, используются в различных целях. Вот несколько возможных применений.

Рассеяние нейтронов — это метод анализа для изучения структуры и поведения твердых тел и конденсированных веществ. При взаимодействии с атомами в материи энергия и другие свойства нейтронов могут изменяться. Эти изменения могут использоваться для изучения структуры и динамики материи. Кроме того, свойства нейтронов делают их особенно полезными для изучения водорода, малых и крупных объектов и множества материалов, в том числе магнитных. Это полезно, в частности, для понимания механизма восстановления костей, изучения белков в мозгу, улучшения аккумуляторов и создания магнитов.

При анализе материалов нейтроны и рентгеновские лучи часто используются в сочетании, поскольку они дают взаимодополняющую информацию. Нейтроны чувствительны к более легким элементам, особенно к водороду в воде и к биологическому материалу, в то время как рентгеновские лучи более чувствительны к более тяжелым элементам, таким как железо в стали. Сочетание нейтронных и рентгеновских методов позволяет повысить чувствительность ко всем компонентам в образце или объекте.

Использование нейтронов для исследования материалов и их разработки способствует научному пониманию и развитию технологий в целом ряде областей — от электроники до медицины и создания способных выдержать экстремальные условия строительных материалов, например используемых в оборудовании для работы в космосе и на атомных электростанциях.

Исследовательские реакторы производят нейтроны, которые помогают ученым определять характеристики объектов культурного наследия, таких как картины и памятники. Основанные на нейтронах методы позволяют проводить различия между теми или иными видами используемых в художественных работах материалов, таких как краска, и определять элементный состав и текстуру артефактов, например горных пород. Эти методы называются «неразрушающими испытаниями», поскольку они позволяют исследователям изучать объекты, не причиняя им вреда.

Нейтронное облучение может использоваться для создания новых материалов, обладающих полезными свойствами. Например, кремний облучается нейтронами для изменения его проводимости, чтобы его можно было использовать в полупроводниках, предназначенных для работы на большой мощности.

Кроме того, исследовательские реакторы используются для производства радиоизотопов. Радиоизотопы — это нестабильные элементы, которые восстанавливают стабильность путем радиоактивного распада. В процессе распада выделяются различные виды излучения, которые могут быть использованы в медицине или промышленности.

Одним из наиболее распространенных способов применения радиоизотопов является диагностика и лечение болезней, в том числе онкологических и сердечно-сосудистых заболеваний. Наиболее широко используемым радиоизотопом в медицине является технеций-99m, получаемый из радиоизотопа молибден-99 и применяемый для диагностической визуализации.

Содействие использованию исследовательских реакторов

МАГАТЭ имеет многолетний опыт содействия использованию исследовательских реакторов во всем мире. Оно оказывает помощь странам на всех этапах проекта по созданию исследовательского реактора — от планирования, строительства, ввода в эксплуатацию и эксплуатации до вывода из эксплуатации и демонтажа по окончании срока службы. Кроме того, МАГАТЭ предоставляет поддержку странам в оптимизации эффективного и устойчивого использования их исследовательских реакторов и помогает странам, не имеющим исследовательских реакторов, получить к ним доступ, чтобы воспользоваться огромными преимуществами, которые они дают. Эта поддержка оказывается в форме учебной подготовки, семинаров-практикумов, обмена опытом и наилучшей практикой и независимой экспертизы, а также публикации руководящих документов и норм и обеспечения дистанционного доступа к образовательным ресурсам и курсам электронного обучения. Помимо этого, МАГАТЭ предоставляет поддержку странам в решении проблем ядерной и физической безопасности исследовательских реакторов, в том числе в безопасном с ядерной и физической точек зрения переводе исследовательских реакторов с высокообогащенного уранового топлива на низкообогащенное.