Разработка физических основ масштабной наработки плутония-238 высокой кондиции для длительного энергообеспечения аппаратов, используемых на Крайнем Севере и в исследованиях Луны и Марса

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-22-00287

НазваниеРазработка физических основ масштабной наработки плутония-238 высокой кондиции для длительного энергообеспечения аппаратов, используемых на Крайнем Севере и в исследованиях Луны и Марса

Руководитель Шмелёв Анатолий Николаевич, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" , г Москва

Конкурс №64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-101 - Физика элементарных частиц

Ключевые слова плутоний-238, нептуний-237, ядерная энергетическая установка, облучательное устройство, предпочтительный спектр нейтронов, автономные источники энергии, космические исследования, вода со сверхкритическим давлением, тяжелый жидкометаллический теплоноситель, кондиция плутония-238, радиоизотопный термоэлектрический генератор, автономное энергообеспечение

Код ГРНТИ58.31.31

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Данный проект направлен на разработку и обоснование решения проблемы масштабной наработки плутония-238 высокой кондиции в ядерных энергетических установках с различным типом теплоносителя: легкой водой под давлением, водой со сверхкритическим давлением, тяжелым жидкометаллическим теплоносителем. Pu-238 – один из самых востребованных радионуклидов для генерации тепла. Плутоний-238 используется в радиоизотопных электрических генераторах (РИТЭГ), предназначенных для энергообеспечения космических аппаратов и удаленных автономных установок, расположенных в труднодоступных регионах, например, в Арктике. Для производства необслуживаемых надежных источников энергии плутоний-238 не имеет аналогов по столь высокому удельному тепловыделению, длительному периоду полураспада и отсутствию жесткого γ-излучения, препятствующему штатной работе электронной аппаратуры. Плутоний-238 является уникальным источником длительного автономного энергообеспечения в различных устройствах, работающих в удаленных регионах Земли и в космосе. Рынок плутония-238 является активно развивающимся. США, Китай, Япония, ЕС и РФ объявили о планах создания баз на Луне и на Марсе. Такая активная позиция ведущих государств в освоении Луны связана, в том числе и с имеющимися на Луне запасами гелия-3, которые могут быть использованы в термоядерных реакторах, чтобы обеспечить землян энергией на несколько тысячелетий вперед. Отмеченная перспектива космических исследований и освоения дальних регионов Земли потребует создания многочисленных источников автономного энергообеспечения длительного действия. При этом, ожидаемый спрос на плутоний-238, по крайней мере, в разы превышает существующий темп его наработки, в основном, на ядерных установках исследовательского характера. Рынок плутония-238 является активно развивающимся и в связи с масштабными планами Российской Федерации по освоению удаленных регионов Земли и космоса, что соответствует государственной стратегии научно-технологического развития РФ. В Российской Федерации потенциальными потребителями автономных источников энергии на базе Pu-238 могут быть: ГК Роскосмос, ГК Росатом, и другие организации. Актуальна также перспектива взаимодействия с зарубежными потребителями Pu-238 и, в целом, освоения части мирового рынка источников длительного автономного энергообеспечения. Здесь Российская Федерация имеет успешный опыт ранее проводимых работ по наработке плутония-238 для иностранных заказчиков. В настоящее время плутоний-238 нарабатывается в небольшом количестве на исследовательских реакторах в Российской Федерации и в США. Планируется использование действующих быстрых энергетических реакторов (БН-600 и БН-800) в целях наработки Pu-238. В отношении наработки Pu-238 этот тип ядерных энергетических установок (ЯЭУ) обладает рядом преимуществ: высокий поток нейтронов (особенно, в активной зоне); широкие возможности по размещению мишенного материала в боковом экране реактора без перестройки активной зоны. Последнее позволяет организовывать крупномасштабную наработку целевого нуклида. Одновременно с этими положительными сторонами имеются трудности в обеспечении качества целевого продукта (содержание изотопа Pu-236 < 2.0 ppm), что связано, в первую очередь, с имеющейся в реакторе жесткой компонентой спектра нейтронов. Последнее обстоятельство привело авторов данного проекта к идее применения тяжелых замедлителей с низким поглощением нейтронов (например, Pb-208) в перспективных ЯЭУ с быстро-резонансным и тепловым спектрами нейтронов. Характерной особенностью предлагаемого метода наработки плутония-238 является формирование в реакторе области с предпочтительным спектром нейтронов для облучения Np-237/Am-241 и накопления плутония-238. Под предпочтительным спектром понимается спектр, сосредоточенный, по возможности, в резонансной области энергий нейтронов с практически отсутствующими высоко энергичными нейтронами (Е > 5 МэВ). Такой спектр образуется в пространственно-протяженной замкнутой области реактора при использовании замедлителей нейтронов предельно большого атомного веса (А≥88: свинец, висмут, стронций). Применение этих замедлителей приводит к плавному снижению энергий нейтронов в процессе замедления и вовлечению, таким образом, всей резонансной области захвата нейтронов на Np-237 в процесс накопления Pu-238. Качество продукта (плутония-238) достигается гетерогенной структурой мишени, включающей Np-237/Am-241 и смежным размещением отмеченных выше замедлителей. Критическими преимуществами предлагаемого в данном проекте метода формирования нейтронного спектра для облучения стартовых материалов являются – высокая кондиция нарабатываемого плутония (в том числе, содержание изотопа Pu-236 < 2.0 ppm), а также достижение повышенных (по сравнению с имеющимися в настоящее время) количеств производимого плутония-238 за счет образования пространственно-протяженной области с предпочтительным спектром нейтронов. Повышенная производительность плутония-238, очевидно, понижает себестоимость конечного продукта и способствует его повышенной конкурентоспособности на внешнем рынке. При этом важно отметить, что нарабатываемый для длительного энергообеспечения отдаленных объектов плутоний не будет пригоден для создания ядерного оружия.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Шмелев А.Н., Гераскин Н.И., Апсэ В.А., Глебов В.Б., Куликов Г.Г., Куликов Е.Г. A Possibility for Large-Scale Production of 238Pu in Light-Water Reactor VVER-1000 Journal of Nuclear Engineering, Journal of Nuclear Engineering. – 2022, №3, p. 263–276. (год публикации - 2022)
10.3390/jne3040015

2. А.Н. Шмелев, Н.И. Гераскин, В.А. Апсэ, В.Б. Глебов, Г.Г. Куликов, Е.Г. Куликов. Использование (Np, Am)-фракции младших актинидов для наработки 238Pu в реакторе типа ВВЭР ВАНТ. Сер. Физика ядерных реакторов, ВАНТ. Сер. Физика ядерных реакторов, 2023, вып. 5 (в печати) (год публикации - 2023)

3. Шмелев А.Н., Гераскин Н.И., Апсэ В.А., Куликов Г.Г., Куликов Е.Г., Глебов В.Б. Оценка возможности крупномасштабной наработки 238Pu в энергетическом реакторе типа ВВЭР-1000 Известия вузов. Ядерная энергетика, – 2023. – № 3. – с. 118-126 (год публикации - 2023)
10.26583/npe.2023.3.10

4. А.Н. Шмелев, Н.И. Гераскин, В.А. Апсэ, В.Б. Глебов, Г.Г. Куликов, Е.Г. Куликов, А.Е. Кругликов Using the Am Fraction of Minor Actinides for the Production of Plutonium Suitable for Radioisotope Thermoelectric Generators Physics of Atomic Nuclei, Physics of Atomic Nuclei, 2023, Vol. 86, No. 9, pp. 1–3. © Pleiades Publishing, Ltd., 2023 (год публикации - 2023)
10.1134/S1063778823090223

5. А.Н. Шмелев, Н.И. Гераскин, В.А. Апсэ, В.Б. Глебов, Г.Г. Куликов, Е.Г. Куликов Application of Minor Actinides for the Large-Scale Production of 238Pu in a Supercritical Light-Water Reactor Physics of Atomic Nuclei, Physics of Atomic Nuclei, 2023, Vol. 86, No. 10, pp. 1–8. © Pleiades Publishing, Ltd., 2023 (год публикации - 2023)
10.1134/S106377882310037X

6. Шмелев А.Н., Гераскин Н.И., Апсэ В.А., Глебов В.Б., Куликов Е.Г., Краснобородько А.А. Application of Np–Am Mixture in Production of 238Pu in a VVER-1000 Reactor and the Reactivity Effect Caused by Loss-of-Coolant Accident in the Central Np–Am Fuel Assembly J. Nucl. Eng., 2023, 4, 412-420 (год публикации - 2023)
10.3390/jne4020029

7. Куликов Г.Г., Шмелёв А.Н., Глебов В.Б., Апсэ В.А., Куликов Е.Г. Нейтронно-физические основы масштабной наработки 238Pu для автономных источников энергии Известия вузов. Ядерная энергетика, – 2023. – № 2. – С. 162-168 (год публикации - 2023)
10.26583/npe.2023.2.13

Публикации