Нейтроны и гамма-излучение: как работает ядерный реактор ТПУ

Исследовательскому ядерному реактору Томского политехнического университета в этом году исполнилось 50 лет. После крупной модернизации в 2016 году реактор получил новую лицензию на работу до 2035. В настоящее время на реакторе продолжается ряд исследований, в том числе по получению диагностических и терапевтических радиофармпрепаратов, радиоизотопов медицинского и промышленного применения.

Строительство ядерного реактора ИРТ-Т началось в 1959 году. Одновременно, по данным политеха, вокруг него строился жилой поселок Спутник для сотрудников и обслуживающего персонала. Физический пуск реактора прошел 22 июля 1967 года. За полвека он пережил несколько реконструкций, а в 1984 году его практически перестроили и вдохнули новую жизнь.

В прошлом году была завершена масштабная модернизация реактора, начавшаяся в 2014-м. На ее проведение вуз получил поддержку федерации в размере 147 миллионов рублей. В результате были установлены дополнительные экспериментальные каналы, в которых идет облучение, модернизированы все линии легирования кремния, производства радиофармпрепаратов, линия для испытания материалов под воздействием мощных потоков нейтронов и гамма-излучения, в том числе при криогенных температурах. Модернизация позволила официально продлить работу реактора до 2035 года.

Управление реактором происходит из пультовой. В каждую смену за пультом находятся два человека: начальник смены и инженер по управлению реактором. Начальник смены отвечает за все, что происходит во время его работы. Реактор управляется с помощью автоматики, что делает работу с ним безопаснее и надежнее.

Исследовательский реактор ТПУ является бассейновым — его активная зона размещается в бассейне с водой. По словам руководителя группы технической документации ядерного реактора Ивана Лебедева, в качестве топлива в реакторе используется уран-235.

«В процессе работы реактора уран-235 делится нейтронами, после чего появляется еще в среднем 2,5 нейтрона, они продолжают деление — это называется цепная реакция деления. Нейтроны мы используем для облучения экспериментальных образцов тех или иных материалов», — рассказал Лебедев журналистам.

Объем бассейна, где находится реактор, — 50 кубометров, глубина бака — семь метров. Вода в баке была залита в 1984 году после крупной перестройки реактора, с тех пор ее не менял. Происходит постоянная подпитка бассейна, но полной смены воды не происходило.

«Вода в бассейне — сверхчистая, на порядок чище, чем дистиллированная. Она не оставляет никаких отложений. Вода выполняет несколько функций: охлаждение зоны, биологическая защита от излучения и одна из основных — замедление нейтронов. Реакции на уране-235 происходят только медленными нейтронными, однако при своем рождении они очень быстрые, имеют высокую энергию. Вода помогает замедляться», — пояснил Лебедев.

Реактор запущен все время, но у него есть несколько уровней мощности, начиная от нулевой. При высокой мощности в бассейне можно увидеть синее свечение, которое называется эффектом Вавилова — Черенкова. Этот физический эффект вызывается в прозрачной среде заряженной частицей, которая движется со скоростью, превышающей фазовую скорость распространения света в этой среде. Во время нашего посещения реактора его мощность не была достаточно высокой, чтобы появилось свечение.

В настоящее время на реакторе проводятся исследования по получению диагностических и терапевтических радиофармпрепаратов, модификации полимерных и кристаллических структур, созданию пучков выведенных нейтронов для нейтронно-графических исследований и нейтронозахватной терапии, нейтронно-активационному анализу, поиску тяжелых нейтронных кластеров, созданию детекторов тепловых и быстрых нейтронов, получению радиоизотопов медицинского и промышленного применения.

«Многие материалы, если их подвергать реакторному излучению, меняют свои свойства. Например, кремний становится полупроводником, бесцветный топаз становится цветным. Некоторые вещества после облучения становятся другими, в частности, молибден превращается в технеций», — привел пример Иван Лебедев.

^{Топаз после реакторного излучения приобретает синий цвет}

На базе исследовательского реактора работает несколько лабораторий. В одной из них ученые получают технеций-99. Это один из самых популярных радиоактивных изотопов в медицинской диагностике. По данным ТПУ, на него приходится около 70 % диагностических процедур по всему миру и 90 % — в России.

Для получения технеция специалисты облучают оксид молибдена. После этого радиоактивный порошок растворяется в колоннах, где формируется водная фаза радиоактивного препарата молибден. В течение 66 часов он распадается на технеций. В дальнейшем технеций растворяют в физрастворе. Готовый препарат фасуют по флаконам и отвозят в медучреждения.

Научными направлениями другой лаборатории — № 33 — являются исследование воздействия нейтронного и гамма- излучения на конденсированные среды. Лаборатория включает в себя комплекс ядерного легирования кремния. Сам по себе кремний является диэлектриком, и чтобы его сделать полупроводником, нужно ввести в него легирующие примеси. Это делается с помощью реактора.