В России разрабатывают гибрид ядерного и термоядерного реакторов

Термоядерный компонент уникального гибридного реактора создали и испытали специалисты Томского политехнического университета (ТПУ) совместно с другими российскими учеными. Разрабатываемая система, по словам авторов, объединит преимущества реакторов разных типов и будет отличаться безопасностью, экономностью и компактностью. Результаты опубликованы в журнале Nuclear Engineering and Technology.

Гибридные реакторные системы, или системы "синтез-деление", как объяснили ученые ТПУ, объединяют в себе надежность привычных реакторов деления вместе с экономностью и экологической безопасностью термоядерной энергетики.


Состоят такие системы из источника термоядерных нейтронов и активной зоны (так называемого бланкета), в которой протекает деление тяжелых ядер. Топливом служит смесь тория и оружейного плутония. Торий, по словам ученых, сам по себе не является источником энергии, зато из него образуется уран-233, накопление которого в активной зоне увеличивает длительность топливного цикла. Замена на торий урана-238, применяемого в обычных реакторах деления, позволяет резко снизить объем радиоактивных отходов.

В отличие от реакторов деления, управление которыми основано на использовании поглотителей нейтронов, состояние топлива в бланкете гибридной системы регулируется, напротив, добавкой нейтронов из термоядерного источника. В проекте ученых ТПУ им служит газодинамическая магнитная ловушка, в которой дейтерий и тритий удерживаются в состоянии высокотемпературной плазмы.

«В плазме ионы дейтерия и трития, сталкиваясь друг с другом, объединяются в ядра гелия с выделением высокоэнергетических нейтронов. Те поступают из вакуумной камеры в бланкет в импульсном режиме, поддерживая деление тяжелых ядер, которое и дает основную энергию. Ключевое отличие гибридной системы в том, что ядерный материал находится не в строго критическом состоянии, как в традиционном реакторе, а в состоянии близком к критическому, что исключает возможность развития неконтролируемой цепной реакции», – объяснил доцент отделения ядерно-топливного цикла (ОЯТЦ) ТПУ Сергей Беденко.

Выделяемая в результате деления энергия, как объяснили ученые, отводится гелиевым теплоносителем. Разогретый до температуры около 730 °C гелий при подключении газотурбинной установки и электрогенератора можно использовать для производства не только электроэнергии, но и водорода методом паровой конверсии метана.

Разрабатываемый гибридный реактор будет обладать компактными размерами, мощностью около 60-100 МВт и способностью работать без перезагрузки топлива более восьми лет. По мнению ученых, это позволит использовать его в труднодоступных регионах для получения электроэнергии, тепла и экологически чистого водородного топлива.

Использованная учеными газодинамическая магнитная ловушка, по их словам, позволяет удерживать высокотемпературную плазму значительно дольше других существующих систем. Это поможет лучше исследовать как процесс термоядерного синтеза, протекающий в ней, так и работу различных элементов реактора в условиях жесткого нейтронного облучения, что, по мнению ученых, должно существенно ускорить развитие термоядерной энергетики.

В ходе проведенных исследований мы определили оптимальные параметры термоядерного источника нейтронов для постоянного поддержания бланкета гибридной системы в контролируемом околокритическом состоянии, а также изучили эффект “волны делений ядер“, возникающей после однократного импульса термоядерного горения", – отметил Сергей Беденко

Концепцию ториевого гибридного реактора предложил в 2019 году коллектив ученых Томского политехнического университета, Всероссийского научно-исследовательского института технической физики имени академика Е.И. Забабахина и Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН. Исследования проводятся в рамках гранта РФФИ № 19-29-02005.