Исследования профессоров ТПУ и РАН предсказали возможность накопления ядерной энергии
Профессора Томского политехнического университета и Российской академии наук предсказали новый механизм накопления энергии метастабильными ядрами изотопов. В переизбытке такая энергия, по словам ученых, может привести к различным нештатным ситуациям на ядерных реакторах. Однако если ее наличие учесть, то можно будет не только повысить уровень безопасности на реакторах. Более того, сейчас ученые ищут способы, чтобы управлять процессами накопления такой энергии и в дальнейшем использовать ее для нужд человека.
Авторы исследования — профессор Игорь Шаманин, заведующий кафедрой технической физики ТПУ, действительный член Академии инженерных наук, и профессор Мишик Казарян, ведущий научный сотрудник Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, иностранный член Академии наук Республики Армения.
В недавно опубликованной статье ученые показали возможность накопления избыточной энергии в материалах-поглотителях нейтронов.
– В природе существуют стабильные и нестабильные ядра. И те, и другие составляют основу атомов. Нестабильные ядра распадаются. В этом случае мы говорим о радиоактивном распаде, — рассказывает Игорь Шаманин. — Кроме этого, существуют еще и метастабильные ядра. При их распаде не происходит “превращения” ядра атома одного химического элемента в ядро атома другого химического элемента. Ядро, оставаясь самим собой, переходит из метастабильного в стабильное состояние или в другое метастабильное состояние. Все эти состояния отличаются внутренней энергией, сконцентрированной в ядре.
В своей статье профессора Игорь Шаманин и Мишик Казарян теоретически доказали, что в метастабильном состоянии ядро может оказаться не только после того, как ему в основном (стабильном) состоянии передана энергия, но также и после того, как оно уже в первый раз преобразовалось в процессе радиационного захвата нейтрона — когда ядро атома соединяется с нейтроном и образует более тяжелое ядро.
– В ядерной реакции захвата нейтрона образуется ядро изотопа, которое долгое время (по ядерным масштабам), как аккумулятор, сохраняет избыточную энергию. Затем это метастабильное ядро «сбрасывает» избыточную энергию и переходит в основное состояние, — поясняет Игорь Шаманин.
Это открытие, по его словам, позволит управлять процессом накопления избыточной энергии в метастабильных состояниях ядер ряда изотопов.
– Предсказанный нами физический процесс очень важен, в частности, для ядерной энергетики. Так, при проектировании современных реакторных установок и выборе конструкционных материалов для них необходимо учитывать возможность накопления и неконтролируемого высвобождения избыточной энергии в материалах. Это очень важный аспект ядерной безопасности. Например, всем физикам-ядерщикам известна проблема так называемой энергии Вигнера в графитовых конструкциях реакторных установок. При облучении нейтронами графит имеет свойство накапливать внутреннюю энергию. Таким образом, в графите некоторых типов реакторных установок может быть аккумулировано значительное количество скрытой энергии, которая может быть высвобождена путем нагрева облученного графита до температуры, значительно превышающей ту, при которой он “работал”, находясь под действием потока нейтронов. Так случилось в 1952 году: во время плановой остановки реактора первого блока британской АЭС “Виндскейл Пайл” произошло спонтанное высвобождение энергии Вигнера. Это показало необходимость разработки и реализации на практике программы осуществления регулярных контрольных сбросов этой энергии. В случае с метастабильными ядрами, если этот фактор не учитывать, может произойти нечто подобное», — резюмирует Игорь Шаманин.
Сейчас ученые продолжают исследовать предсказанный ими теоретический процесс и рассчитывают найти ему важное приложение в науке и технике.
– Ядерную энергию, как и любую другую, можно накапливать и использовать. Например, в устройствах преобразования энергии. Одной из наших задач, помимо всего прочего, является поиск методов накопления энергии в метастабильных состояниях ядер изотопов,— заключает Игорь Шаманин.
Добавим, статья уже получила ряд положительных отзывов в научной среде. Так, например, профессор Института ядерной физики им. Будкера СО РАН Андрей Аржанников в своем отзыве отметил следующее:
– В сообщении показана принципиальная возможность накопления избыточной энергии в изомерных состояниях ядер, входящих в состав поглощающих нейтроны материалов. Авторы впервые обратили внимание на канал образования ядра в изомерном состоянии, которое возникает как дочернее ядро, создаваемое в результате реакции радиационного захвата нейтрона более легким ядром. Теоретические оценки, приведенные авторами, указывают на необходимость тщательного рассмотрения обозначенной ими задачи. Решение проблемы накопления избыточной энергии представляется актуальным, поскольку оно связано с безопасностью реализации ядерных энергетических технологий, которая, в свою очередь «во многом определяет перспективу мирного использования ядерной энергии».
Виталина Михетко
