«РОСАТОМ» / АО «ГНЦ РФ – ФЭИ»

Отделение космических энергосистем

Ядерные энергетические установки, проверенные на работоспособность в космосе.

Стенд «Б»

Основной задачей, стоящей перед Стендом «Б», является решение проблемы прямого преобразования энергии деления ядер урана-235 в лазерную энергию с помощью оптического квантового усилителя с ядерной накачкой (ОКУЯН). Основное преимущество ОКУЯН обусловлено уникальными свойствами источника накачки – ядерного реактора, а именно: огромной энергоемкостью, компактностью, автономностью, возможностью накачки практически неограниченных объемов лазерно-активных сред, благодаря высокой проникающей способности нейтронов в размножающих системах. Использование принципа прямого преобразования энергии деления ядер в энергию лазерного излучения позволяет создать на его основе сверхмощные, компактные и автономные реакторно-лазерные системы, практическое применение которых может привести к качественному преобразованию таких важнейших областей человеческой деятельности, как энергетика и промышленные технологии. Аналогов стенда «Б» в мире нет.

Основные направления научных исследований

  • Физика низкотемпературной плазмы и процессов прямого преобразования энергии.
  • Лазерная физика.
  • Физика связанных реакторных систем.

Наиболее значимые научные результаты исследований

  • Впервые в мире экспериментально продемонстрирована возможность технической реализации одного из наиболее перспективных, предложенных в России (АО «ГНЦ РФ – ФЭИ»), способов прямого преобразования энергии деления ядер в энергию лазерного излучения с помощью импульсной реакторно-лазерной системы на основе оптического квантового усилителя с ядерной накачкой (ОКУЯН).
  • Впервые проведена невозможная с помощью других установок работа по верификации комплекса кодов, необходимых для расчета нейтронно-физических и лазерных характеристик реакторно-лазерных систем на основе ОКУЯН для различных практических применений.
  • В уникальных условиях Стенда «Б» (приближенных к условиям работы в будущих промышленных установках) экспериментально отработаны компоненты элементной базы реакторно-лазерных систем. Такие, например, как: лазерно-активные элементы (ЛАЭЛы) на основе газовых (He-Ar-Xe, He-N2sub>-H2, He-Cd) и жидких (POCl3-SnCl4-Nd3+ - UO22+) лазерно-активных сред, оптические окна, фильтры, зеркала, затворы и т.д.
  • Впервые получены недоступные на других установках экспериментальные данные фундаментального характера об элементарных процессах в ядерно-возбуждаемой плазме: функции распределения электронов, константах скоростей плазмо-химических реакций, скоростях заселения и релаксации возбужденных уровней в различных газовых и конденсированных лазерно-активных средах.

Стенд "Б" включает в себя:

Двухзонный импульсный реактор БАРС-6

Реактор БАРС-6 является двухзонным быстрым импульсным реактором. Разработан реактор специалистами РФЯЦ ВНИИТФ, а построен и эксплуатируется в АО «ГНЦ РФ – ФЭИ». Реактор состоит из двух одинаковых активных зон (АЗ) из металлического урана высокого обогащения, расстояние между которыми может меняться в диапазоне 0,33–1,5 м. Характерные размеры зон – 220×220 мм. В состав системы управления реактора входят: блок безопасности для быстрого вывода реактора после импульса в глубоко подкритическое состояние; три системы управления реактивностью и специальный стержень для генерации импульса делений, который позволяет вводить реактивность со скоростью до 220 $/с. Физический и энергетический пуск реактора БАРС-6 успешно завершены в 1995 году.

В настоящее время реактор БАРС-6 используется как мощный источник нейтронов и гамма-квантов для различных приложений экспериментальной физики (например, для исследования лазеров с ядерной накачкой и в задачах импульсного воздействия излучения на различные материалы). Кроме того, реактор предложен в качестве запального модуля оптического квантового усилителя с ядерной накачкой (ОКУЯН).

Основные характеристики импульса:

Параметр Значение
Номинальное число делений за импульс 5·1017
Длительность импульса на полувысоте 40 мкс
Максимальная температура АЗ 890 K
Флюенс нейтронов в центральном канале 1015 см-2
Флюенс нейтронов на поверхности АЗ 5·1014 см-2
Доза гамма-излучения в центральном канале 103 Гр
Доза гамма-излучения на поверхности АЗ 2·102 Гр

Оптический квантовый усилитель с ядерной накачкой

Энергетический макет импульсной реакторно-лазерной системы – оптического квантового усилителя с ядерной накачкой (ОКУЯН) – разработан специалистами АО «ГНЦ РФ–ФЭИ» для экспериментальной демонстрации уникальных мощностных и энергетических качеств лазеров с ядерной накачкой.

ОКУЯН состоит из двух модулей: запального реакторного и лазерного блока. В качестве запального реактора используется двухзонный импульсный реактор БАРС-6. Лазерный блок (ЛБ) представляет собой цилиндрическую конструкцию с продольной полостью для размещения запального импульсного реактора. Диаметр ЛБ ~1700 мм, а длина ~2500 мм. В состав лазерного блока входят лазерно-активные элементы (ЛАЭЛы), их имитаторы и элементы замедлителя нейтронов. ЛБ окружен двумя рядами внешнего отражателя нейтронов. В нейтронно-физическом смысле лазерный блок является глубоко подкритической системой со значением эффективного коэффициента размножения нейтронов значительно меньше 1.

Лазерно-активный элемент представляет собой тонкостенную стальную трубу с внешним диаметром 50 мм и длиной 2500 мм, на внутреннюю поверхность которой нанесен тонкий слой металлического урана-235 эффективной толщиной ~5 мкм. ЛАЭЛ загерметизирован с торцов оптическими окнами и заполнен лазерно-активной средой, в качестве которой в настоящее время используется в основном He-Ar-Xe (600:200:1) смесь.

Имитатор ЛАЭЛ является полным аналогом в нейтронно-физическом смысле лазерно-активного элемента и представляет собой двухстенную алюминиевую трубу, между стенками которой размещен диоксид урана. Количество урана-235 эквивалентно количеству делящегося вещества в ЛАЭЛе. Внешний отражатель нейтронов набирается из тонкостенных стальных труб, заполненых парафином. Если небходимо, в лазерный блок устанавливается внутренний отражатель нейтронов эффективной толщиной ~7 см.

ОКУЯН функционирует следующим образом. Нейтроны, рожденные в импульсном запальном реакторе, проходя через лазерный блок, замедляются в нем и вызывают деления урана-235 в лазерно-активных элементах. Осколки деления создают рекомбинационно неравновесную ядерно-возбуждаемую плазму в объеме лазерно-активной среды. Запасенную в лазерно-активной среде энергию можно вывести из ЛАЭЛов, используя специальную оптическую систему.

Расчеты показали, что, если все имитаторы ЛАЭЛов (~650 ед.) будут заменены на реальные лазерно-активные элементы, суммарная энергия выходного лазерного пучка из системы будет ~50 кДж длительностью ~10 мс.

Основные характеристики ОКУЯН

Параметр Значение
Число делений в реакторе БАРС-6 5·1017
Длительность импульса в ЛБ 1–10 мс
Лазерно-активная среда He-Ar-Xe
Лазерный переход XeI
Длина волны лазерного перехода 2,03 мкм
Выходная энергия лазерного излучения (650 ЛАЭЛов) до 50 кДж

Установка подпороговой диагностики ядерно-возбуждаемой плазмы

Для экспериментальных исследований основных характеристик лазеров с ядерной накачкой был разработан специальный метод подпороговой диагностики ядерно-возбуждаемой плазмы. Такие основополагающие характеристики лазерно-активной среды, как эффективность создания инверсии и кпд лазера, порог генерации, кинетика ядерно-возбуждаемой плазмы и т.п., могут быть экспериментально измерены при весьма низких потоках продуктов ядерных реакций.

Метод подпороговой диагностики лазерных сред с ядерной накачкой основывается на измерениях спектральных характеристик спонтанного излучения ядерно-возбуждаемой плазмы. Таким образом, возможно изучение основных характеристик лазеров до проведения основных генерационных экспериментов на высокопоточных импульсных реакторах.