Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Центры ядерных исследований и технологий основные требования, существующий статус и перспективы развития. Учебное пособие
.pdf
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО
ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»
ОБНИНСКИЙ ИНСТИТУТ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
О.Ю. Кочнов, А.А. Стук
ЦЕНТРЫ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
И ТЕХНОЛОГИЙ: ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ,
СУЩЕСТВУЮЩИЙ СТАТУС
И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
Обнинск 2025
УДК 621.039
ББК 31.4
К 75
Кочнов О.Ю., Стук А.А. Центры ядерных исследований и технологий: ос-
новные требования, существующий статус и перспективы развития: учебное
пособие [Электронный ресурс]. М.: НИЯУ МИФИ; Обнинск: ИАТЭ НИЯУ МИФИ,
2025. – 80 с.
Книга представляет собой учебное пособие, в котором рассмотрены основные
вопросы ядерных и радиационных технологий, реализуемые на ИЯУ, ук
орителях
электронов и кобальтовых установках. Основное внимание уделено производству
радионуклидной продукции и изделий для ядерной медицины с целью диагностики
и лечения онкологических заболеваний.
В издании показаны подходы к формулированию требований при создании
ЦЯИТ в зависимости от страны-заказчика, показаны взаимосвязи по различным
направлениям при создании и развитии объектов использования ат
омной энергии,
включая взаимодействие с надзорными органами, а также подготовку персонала.
Книга ориентирована на студентов, в том числе иностранных, – будущих специалистов в области эксплуатации исследовательских ядерных реакторов, кобальтовых установок и ускорителей электронов, а также в области разработки, производства и применения радиофармпрепаратов, сотрудников центров ядерной науки
и технологий. Она мо
жет быть полезна специалистам смежных специальностей –
медицинским физикам, профессорско-преподавательскому составу вузов, осуществляющих подготовку кадров для ЦЯИТ.
Издание позволяет понять задачи, стоящие перед странами при создании ядерной отрасли при развитии деятельности ЦЯИТ. При проектировании ЦЯИТ можно
выделить основные вопросы и сформулировать приоритетные блоки ЦЯИТ для специализированных институтов-разраб
отчиков.
Рецензенты:
генеральный директор АО «НИФХИ им. Л.Я. Карпова», канд. физ.-мат. наук
О.Е. Кононов;
доц. ИАТЭ НИЯУ МИФИ (ИЯФИТ), канд. физ.-мат. наук В.В. Колесов
ISBN 978-5-7262-3155-6 © О.Ю. Кочнов, 2025
Оригинал-макет подготовил О.Ю. Кочнов
Подписано в печать 12.05.2025. Формат 60х84 1/16.
Уч.-изд. л. 5,0. Печ. л. 5,0. Изд. № 0
18-1.
Обнинский институт атомной энергетики НИЯУ МИФИ.
249039, г. Обнинск Калужской обл., квартал Студенческий городок, 1.
Содержание
Обозначения и сокращения ............................................................... 4
Введение ............................................................................................. 5
1. Описание концепции ЦЯИТ и обзор существующих центров
ядерных технологий ........................................................................... 6
1.1 Основные составляющие .......................................................... 6
1.1.1 Ядерный исследовательский реактор ................................ 6
1.1.2 Облучательная гамма-установка ....................................... 7
1.1.3 Ускоритель заряженных частиц ........................................ 8
1.1.4 Основные направления научных исследований ............... 9
1.1.5 Обзор существующих центров ядерных технологий...... 10
1.2 Исследовательская ядерная установка ................................... 14
1.2.1 Описание исследовательской ядерной установки .......... 14
1.2.2 Описание и
нфраструктуры .............................................. 17
1.2.3 Основная производимая продукция ................................ 28
1.3 Общие сведения о радиационно-химических технологиях... 62
1.3.1 Ускорители электронов различного назначения............. 64
Стерилизация медицинских изделий, радиационная обработка
пищевых и других продуктов .................................................. 64
1.3.2 Облучательные гамма-установки .................................... 65
2. Особенности подхода к созданию ЦЯИТ: проблемы и пути
решения ............................................................................................ 67
2.1 Создание инфраструктуры регулирующих и надзорных
органов .......................................................................................... 67
2.1.1 Ядерная и р
адиационная безопасность ........................... 67
2.1.2 Санитарный надзор в ЦЯИТ ............................................ 68
2.1.3 Система государственного учета ЯМ, РВ и РАО ........... 69
2.2 Выбор площадки..................................................................... 70
2.3 Выбор конфигурации составных частей ЦЯИТ .................... 72
3. Перспективы развития ................................................................. 74
3.1 Планируемые к сооружению ЦЯНТ ...................................... 74
3.2 Будущие универсальные комплексы ..................................... 75
Список литературы .......................................................................... 77
3
4
Обозначения и сокращения
АПС - автоматизированная система пожарной сигнализации
ГГС - громкоговорящая связь
ГРО - газообразные радиоактивные отходы
ДПЗ - датчик прямой зарядки
ЖРО - жидкие радиоактивные отходы
ИИИ - источник ионизирующего излучения
ИЯУ - исследовательская ядерная установка
НАА - нейтронно-активационный анализ
НОУ - низко-обогащенный уран1
ПВА - первично выбитый атом
РАО - радиоактивные отходы
РБГ - радиоактивные благородные газы
РН - радионуклид
РО СУЗ - регулирующие органы системы управления и защиты
РФП - радиофармпрепараты
ТВС - тепловыделяющая сборка
ТВЭЛ - тепловыделяющий элемент
ТМ - трековые мембраны
ТРО - твердые радиоактивные отходы
ЦЯИТ - центр ядерный исследований и технологий
ЭК - экспериментальный канал
ЯЛК - ядерно-легированный кремний
ЯЭУ - ядерная энергетическая установка
1
Обогащение по U-235 менее 19,5%
5
Введение
В настоящее время в связи с интересом в мире к ядерным и радиационным технологиям, в том числе к ядерной медицине встает вопрос о необходимости строительства компактных центров обладающий вышеперечисленными атрибутами. Страны, не имеющие опыта
работ с радионуклидами, заявляют о желании приобрести готовый
«под ключ» центр, в котором будет возможность эксплуатировать:
исследовательский реактор и производить на нем радионуклиды медицинского и технического назначения, ускоритель заряженных частиц, гамма-установку и т.д. В мире растет количество процедур с
использованием радионуклидов, связанных с диагностикой онкозаболеваний, а также функционированием жизненно важных систем
организма. Также стремительно набирает обороты терапия с использованием радионуклидов, включая обезболивающие препараты.
Таким образом, будет сделан первый, относительно недорогой,
шаг к развитию национальных кадров в области ядерных технологий, а главное - в области ядерной медицины.
В дальнейшем, после анализа всеобъемлющих рисков (экономических, политических, экологических и др.) страны сделают выбор
о дальнейшем развитии национальных ядерных программ или использовании посреднических услуг.
6
1. Описание концепции ЦЯИТ и обзор существующих цен-
тров ядерных технологий
1.1 Основные составляющие
Рассмотрим основные составляющие ЦЯИТ:
- Ядерный исследовательский реактор.
- Облучательная гамма-установка.
- Ускоритель заряженных частиц.
- Комплекс «горячих» камер.
В каждом конкретном ЦЯИТ могут быть дополнительно установлены: критические стенды, циклотроны, нейтронные генераторы и
т.д.
Рассмотрим составляющие ЦЯИТ более подробно.
1.1.1 Ядерный исследовательский реактор
Поскольку существующие реакторы были построены в 60-70-х
годах, то наиболее удачной и безопасной конструкцией показали
себя реакторы бассейнового типа, двухконтурные. Это такие как
TRIGA, MARK-I, II, III, ВВР-см, ИРТ (рисунок 1.1.1.1).
Рисунок 1.1.1.1 – Вертикальный разрез реактора ВВР-к [1]
В настоящее время предлагаемые для ЦЯИТ реакторы концептуально повторяют вышеуказанные реакторы, но с улучшенными потребительскими характеристиками. Разница состоит лишь в том, что
все вновь проектируемые реакторы по соглашению с МАГАТЭ будут использовать только НОУ топливо.
7
1.1.2 Облучательная гамма-установка
Конструкции установок разнообразны, поэтому рассмотрим состав на примере изотопной гамма-установки Гамматок-100М
(НИИТФА, г. Москва) на основе радионуклида 60Co (рисунки
1.1.2.1, 1.1.2.2). Она предназначена для проведения исследований
радиационной стойкости к воздействию гамма-излучения на различные элементы, а также на другие физические и биологические объекты.
Установка Гамматок-100М применяется при:
- исследовании радиационной стойкости различных материалов;
- отработке радиационных технологий;
- исследовании воздействия гамма-излучения на биологические
объекты;
- проведении научно-исследовательских работ по созданию тех-
нологий радиационного воздействия гамма-излучения для целей медицины, сельского хозяйства и экологии.
Установка обеспечивает:
- получение заданной дозы облучения;
- стабильность поля излучения при проведении работ;
- равномерность воздействия излучения на облучаемый объект.
Режим работы установки Гамматок-100М - постоянный, длительный. В случае продолжительных экспериментов допускается круглосуточная работа (облучение) при отсутствии обслуживающего
персонала.
Рисунок 1.1.2.1 – Гамма-установка в разрезе (1 - неподвижный облучатель; 2 -
центральная пробка; 3 - облучательная камера; 4 - пульт управления установки; 5 -
8
механизм подъема пробки; 6 - корпус установки; 7 - упорный рычаг; 8 - траверса; 9
- измеритель УИМ-2-2; 10 - блок детектирования БДМГ-41-03; 11 - роботизирован-
ная видеокамера)
Рисунок 1.1.2.2 – Промышленная гамма-установка с плоскопараллельным облучателем
1.1.3 Ускоритель заряженных частиц
Ускорители имеют широкую линейку конфигураций по конструктивному исполнению, энергии частиц и т.д. Рассмотрим краткое описание на примере Ускорителя ДЦ-60 (ИЯФ, Казахстан) (рисунок 1.1.3.1). ДЦ-60 состоит из инжектора-имплантатора тяжелых
ионов на базе ЭЦР-источника, системы аксиальной инжекции пучка,
изохронного циклотрона, системы вывода, разводки и трех каналов
транспортировки ускоренных ионов, канала транспортировки ионов
низкой энергии (пучки ЭЦР-источника), облучательных устройств,
научного и технологического оборудования.
Таблица 1.1.3.1. – Основные параметры пучков ускоренных ионов
Тип ионов
Li - Xe
A/Z
6 - 12
Энергия ускоренных ионов
0.4 – 1.75 МэВ/нуклон
Энергетический разброс
2 %
Дискретное изменение энергии
ионов
за счет изменения заряда иона
(отношение A/Z)
Плавная вариация энергии ионов
30% (+/-15%) за счет вариации
магнитного поля
9
Рисунок 1.1.3.1 – Общий вид ускорителя ДЦ-60
Источник многозарядных тяжелых ионов на основе электронноциклотронного резонанса (ЭЦР) - один из основных узлов ускорителя. Он может работать как инжектор тяжелых ионов в циклотрон
для их последующего ускорения и получения пучков ионов высокой
энергии, так и в автономном режиме, обеспечивая проведение экспериментов на пучках ионов низкой энергии, до 25 кэВ на заряд.
Энергия ускоренных ионов циклотрона варьируется в пределах от
0.4 до 1.75 МэВ/нуклон.
1.1.4 Основные направления научных исследований
Основные направления научных исследований:
- Создание нано- и микроструктур на основе ядерных трековых
мембран.
- Модификация полимеров с использованием пучков тяжелых
ионов.
- Исследования радиационных эффектов в твердых телах, моди-
фикация свойств металлов и полупроводников методом ионного легирования.
- Исследования реакций передачи и радиационного захвата для
астрофизических и термоядерных приложений.
- Разработка нормативно-методической базы для проведения
научных экспериментов и научно-технического сопровождения
подготовки специалистов на ускорителе ДЦ-60.
10
1.1.5 Обзор существующих центров ядерных технологий
В настоящее время в мире существует ряд комплексов, которые
могут быть отнесены к ЦЯИТам. В основном, это ядерные исследовательские центры, которые кроме реакторных технологий развивали и радиационные. Ведущие мировые атомные страны-лидеры
начали строительство данных центров в 70-х годах прошлого века.
Основным элементом центров служил исследовательский атомный
реактор средней мощности до 50 МВт. Всего в мире насчитывается
около 766 исследовательских ядерных установок (ИЯУ) из них действующих - 246 [1].
В настоящем издании, как прототипы ЦЯИТ, рассматриваются
только те центры, которые кроме ИЯУ имеют в своем составе еще
ускорители заряженных частиц или гамма-установки.
США
Национальная лаборатория Оук-Ридж (основана в 1943 г.) является одним из самых крупных центров. В центре имеется исследовательский реактор HFIR, который был впервые введен в эксплуатацию в 1965 г., нейтронные источники на базе ускорителей, которые
эксплуатируются с 2006 г. (рисунок 1.1.5.1).
Рисунок 1.1.5.1 – Национальная лаборатория Оук-Ридж
Национальная лаборатория Айдахо (основана в 1949 г.) (рисунок
1.1.5.2). С помощью центра были построены 52 ядерных реактора. В
лаборатории проводится широкий спектр исследований по реакторным и смежным технологиям.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]