Специалисты одного из ключевых предприятий российской атомной отрасли Физико-энергетического института имени Лейпунского (ФЭИ, Обнинск, Калужская область, входит в научный дивизион госкорпорации "Росатом") с помощью созданного у себя и не имеющего аналогов в мире цифрового спектрометра для изучения параметров ядерных реакций получили данные, использование которых поможет повысить эффективность и безопасность работы реакторных установок атомных электростанций.
Результаты этих работ представлены в одном из ведущих мировых научных журналов в области атомной энергетики Nuclear Science and Engineering, который издает Американское ядерное общество.
Экономическая эффективность работы ядерных энергетических установок напрямую зависит от длительности периода их эксплуатации. Она во многом определяется изменением механических свойств конструкционных материалов различных элементов реакторных установок, подвергающихся интенсивному воздействию ионизирующего излучения (потоков нейтронов или гамма-лучей), — например, корпуса реактора или оболочек тепловыделяющих элементов (твэлов), содержащих ядерное "горючее".
Поэтому знание того, как меняются свойства материалов под действием радиации, необходимо для обоснования возможности безопасного продления сроков эксплуатации реакторных установок или перехода на более длинные топливные кампании, что обеспечивало бы дополнительный экономический выигрыш.
Одним из наиболее распространенных материалов, широко используемых для изготовления конструкций реакторных установок, являются нержавеющие стали. Как отмечается в материалах ФЭИ, радиационную стойкость "нержавейки" во многом определяют ядерные реакции, приводящие к образованию газообразных продуктов, например, гелия. Источником этого газа служит реакция с образованием альфа-частиц (ядер атомов гелия-4). Они возникают при воздействии нейтронов, получающихся при делении атомных ядер, на изотопы, входящие в состав стали — прежде всего, изотопы железа, хрома, никеля.
Степень накопления гелия в сталях можно определить с помощью расчетов, но для этого надо знать так называемые сечения этой ядерной реакции (так в ядерной физике называют величины, характеризующие вероятность взаимодействия двух частиц), зависящие от энергии нейтронов. Но проблема заключается в том, что для многих изотопов, входящих в состав сталей, эти сечения в диапазоне энергий нейтронов, характерных для условий работы ядерных реакторов, пока известны плохо. Поэтому возникла необходимость в экспериментальном изучении параметров ядерных реакций при "реакторных" энергиях нейтронов.
Скудность данных по сечениям реакции образования альфа-частиц при воздействии нейтронов для легирующих изотопов связана еще и с большими неудобствами их исследования разработанными ранее методами. Например, в составе большинства детекторов, используемых в таких экспериментах, тоже есть нержавеющая сталь, что сильно искажает получаемые результаты.
Специалисты ФЭИ спроектировали и создали новую конструкцию низкофонового цифрового спектрометра на основе так называемой ионизационной камеры, модернизированной под новую задачу, а также разработали метод обработки полученных экспериментальных данных. С помощью такого прибора оказалось возможным с большой точностью измерять сечения указанной ядерной реакции для изотопов, входящих в состав сталей.
Авторы работы получили результаты на таких изотопах, как железо-54, 57, хром-50, 52 и 53, никель-60, титан-47 и цинк-64, в "реакторном" диапазоне энергий нейтронов от 4 до 7,2 МэВ. При этом результаты тестовых измерений оказались в пределах погрешности. Полученные данные переданы в международную базу данных по ядерным реакциям EXFOR.