Выявленное свойство циркония поглощать нейтроны не приведёт к отказу от его использования в производстве ядерного топлива

11 января 2019
AtomInfo.ru Энергетические уровни в ядрах различных изотопов циркония AtomInfo.ru

В целом ряде СМИ появились новости о том, что цирконий оказался "исключительным поглотителем нейтронов". Поводом для новостей стала опубликованная 7 января 2019 года в журнале "Nature" статья, посвящённая результатам измерений сечения захвата в тепловой точке для изотопа цирконий-88.

Статью для журнала написал коллектив авторов из национальной лаборатории "Лоуренс Ливермор" и американских университетов. Первый автор - Дженнифер Шустерман, одновременно имеющая отношение и к нацлаборатории, и к университету Нью-Йорка.

Изотоп цирконий-88 радиоактивен, его период полураспада составляет 83,4 дня. Распадается путём захвата орбитального электрона в иттрий-88, который, в свою очередь, с периодом 106,6 дней распадается в стабильный стронций-88.

Очевидно, что в природном цирконии изотоп с атомной массой 88 отсутствует. В реакторе для его образования специалист ФЭИ им. Лейпунского Марк Николаев видит всего два пути, и оба более чем экзотические - либо реакция (n,3n) на изотопе 90Zr, либо две подряд реакции (n,2n) - 90Zr(n,2n)89Zr(n,2n)88Zr.

Легко убедиться, что в ядерных реакторах производство циркония-88 будет крайне мало - особенно если вспомнить, что реакция (n,2n) пороговая. В быстрых реакторах шанс увидеть 88Zr может быть выше, чем в тепловых, но так как американская работа касается только тепловой точки, то и нам останавливаться на быстром спектре нет смысла.

Ради интереса можно добавить, что в Окриджской национальной лаборатории, где по спецзаказам можно приобретать небольшие активности 88Zr на уровне милликюри, о реакторном пути наработки даже не думают. Там цирконий-88 получают путём скалывания протонами молибденовых мишеней.

В виду практического отсутствия в реакторах нейтронными данными для циркония-88 до сих пор интересовались мало.

В заключении М.Н.Николаева, в частности, говорится: "Полные наборы оценённых нейтронных данных для этого изотопа отсутствуют... Оценка выполнена на основе теоретических расчётов и полуэмпирических систематик. Экспериментальные данные отсутствуют".

До появления статьи американских исследователей считалось, что сечения захвата на 88Zr в тепловой области малы.

Так, в заключении М.Н.Николаева приводится значение сечения захвата в тепловой точке, взятое из европейского файла активационных данных EAF-2003 и равное 8,44 барн.

Конечно, год от года библиотеки нейтронных данных обновляются и уточняются. Но конкретно по цирконию-88 каких-то серьёзных подвижек не было. Например, американские авторы ссылаются на работу 2012 года, в которой значение интересующего нас сечения принималось равным 10 барн.

Что же сделал коллектив американских авторов? Для них в университете Алабамы на циклотроне была изготовлена мишень из циркония-88. Эту мишень облучили на исследовательском реакторе MURR в университете Миссури, что позволило получить первые экспериментальные данные по сечениям захвата 88Zr. Вся работа проводилась по контракту с нацлабораторией "Лоуренс Ливермор".

Результаты измерения сечений авторы охарактеризовали как "неожиданные", потому что сечение захвата в тепловой точке оказалось просто огромным, а именно 861000±69000 барн на одной сигме. Иными словами, сечение оказалось почти в сто тысяч раз больше ожидаемого.

Если результаты американских измерений получат признание, то изотоп цирконий-88 займёт второе место в списке наиболее сильных поглотителей в тепловой области, уступив только ксенону-135.

Нужно ли из-за этого волноваться нейтронщикам? Нет, потому что концентарии 88Zr в активной зоне работающего реактора очень малы (см. экзотические пути его получения в реакторе).

Кстати говоря, а что получится в результате реакции захвата нейтрона на цирконии-88? Образуется изотоп цирконий-89, который также быстро распадается. Его период полураспада 78,4 часа, дочернее ядро - стабильный иттрий-89.

Можно задаться и таким вопросом, почему вдруг в Ливерморской нацлаборатории заинтересовались сечениями циркония-88.

Дело в том, что малоизученные реакции на изоторах циркония уже давно привлекают её внимание, но не с точки зрения атомной энергетики, а с точки зрения детектирования нейтронных потоков в интересах безопасности. Достаточно напомнить, что про эту тему периодически вспоминают в таком американском управлении как NNSA.

А там, действительно, ещё измерять и измерять. На схемах ниже, взятых из одной из презентаций NNSA по национальному комплексу лазерных термоядерных реакций (NIF) от 2007 года, можно видеть, какими сечениями интересовались американские атомщики и какие из них были на тот момент измерены (вторая схема).

Заметим, что захватом на цирконии-88 в своих рассуждениях авторы презентации пренебрегали. Теперь им, возможно, придётся принимать во внимание ешё и эту реакцию.

И последнее, что хотелось бы сказать в связи с работой Шустерман и её коллег. Если результаты их измерений подтвердятся, то они должны привлечь внимание физиков-теоретиков. В конце концов, пора уже разобраться с природой резонансов в нейтронных сечениях.

Но главное даже не это. Американский эксперимент лишний раз напоминает нам - говорить о том, что в нейтронике и нейтронных данных всё сделано и известно, рано. Работы по этому важнейшему направлению атомной отрасли по-прежнему непочатый край.