Новый перспективный высокопоточный источник нейтронов «НЕПТУН»

Руководитель: М.В. Булавин 

ОИЯИ имеет глубокие традиции в области исследований конденсированных сред методом рассеяния нейтронов и давнюю историю создания первоклассных нейтронных источников мирового уровня для проведения таких исследований. В соответствии с научной политикой, которую вырабатывает Ученый совет института, есть очень четкий план не только продолжать работать в этом направлении, но и в будущем, удержать лидирующие позиции за счет создания нового перспективного источника нейтронов, который должен стать одним из самых высокопоточных в мире.

Учитывая современную тенденцию развития европейских нейтронных установок, после 2030 года будет доступно только пять источников, в том числе три действующих в настоящее время: ISIS (Didcot, Великобритания), SINQ (PSI, Виллиген, Швейцария), FRM II (TU Munich, FRG) и два новых источника – ESS (Lund, Швеция) и стационарный реактор ПИК (PNPI NRC KI, Гатчина, Россия), начало эксплуатации которых запланировано на 2023-2024 годы.

Анализ специальной «Европейской рабочей группы по физической науке и инженерной стратегии» (ESFRI) показывает, что растущий интерес к нейтронным исследованиям в мире идет параллельно с сокращением числа высокопоточных нейтронных источников. На этом фоне, создание в ОИЯИ нового источника нейтронов в значительной степени компенсирует потери «пучкового времени» и, одновременно, привлечет пользователей, которые в настоящее время проводят свои эксперименты на европейских источниках с низкой и средней интенсивностью.

ОИЯИ предложил построить на своей площадке новый перспективный источник нейтронов 4-го поколения. Из нескольких предложенных концепций в качестве основного был выбран импульсный быстрый реактор мощностью 12-15 МВт, с активной зоной на основе нитрида нептуния (реактор «Нептун») (рис. 1).  В сочетании с современным комплексом биспектральных замедлителей, систем окружения образца и спектрометров, такой источник должен стать одним из лучших в мире и открыть беспрецедентные возможности в области исследований физики конденсированных сред, фундаментальной физики, химии, биологии, геологии, новых материалов для ученых из стран-участниц ОИЯИ и всего мира.

Рис.1. Схематическое изображение импульсного реактора 4-го поколения «Нептун»: 1- активная зона реактора, 2 – сектор пустоты модулятора реактивности, 3 – сектор модулятор реактивности из гидрида титана, 4 - замедлитель, 5 – бериллиевый отражатель.

Основным преимуществом «Нептуна», по сравнению с ESS, который позиционируется как самый высокопоточный источник нейтронов в мире, является значительно более короткий по времени нейтронный импульс при практически одинаковой средней плотности потока нейтронов и более высокой пиковой плотности.  Это означает, что «Нептун» не будет уступать ESS при проведении экспериментов с низким разрешением, и значительно будет превосходить его для экспериментов с высоким разрешением.

В настоящее время реактор «Нептун» находится на стадии проработки и создания концептуального проекта в рамках темы ЛНФ №04-4-1140-2020/2022.

Совместно с Научно-исследовательским и конструкторским институтом энерготехники имени Н. А. Доллежаля (НИКИЭТ) и Высокотехнологическим научно-исследовательским институтом неорганических материалов имени академика А. А. Бочвара (ВНИИНМ) были разработаны два варианта компоновки активной зоны нового реактора, подготовлено техническое задание на изготовление твэлов нового источника. Сотрудниками ЛНФ был проведен ряд детальных расчетов в поддержку идеи об изменении топливной композиции периферийных твэлов реактора с целью радикально улучшить параметры установки, связанные со стабильностью работы, надежностью и безопасностью. Результаты этих исследований легли в основу конструктивных изменений, выполненных специалистами НИКИЭТ. В настоящее время в Лаборатории проведены необходимые кадровые изменения и завершена работа по формированию нового структурного подразделения, которое будет заниматься разработкой проекта и созданием нового источника нейтронов.

Приблизительная оценка затрат по проекту «Нептун» на сегодняшний день составляет около 440 млн. евро. Более точные цифры ожидаются к концу 2022 года после завершения стадии проработки концептуального проекта. Начало эксплуатации нового реактора планируется не позднее 2040 года.