Атомные словечки: как понять атомщика и зачем это нужно
История и настоящее атомной отрасли насыщены множеством аббревиатур, на первый взгляд совсем загадочных. На деле понять их несложно, а стоящие за этим истории необычны и весьма увлекательны. Ниже мы выделим такие термины. И, как читатель скоро обнаружит, они вплотную касаются его жизни далеко не только через поток электронов из розетки.
Банановый эквивалент: сколько нужно человеку?
Один из таких профессионализмов известен далеко за пределами среды атомщиков — «бананово-эквивалентная доза». Средний банан весит 150 граммов, в которых содержится 0,05 миллиграмма радиоактивного калия-40. Много это или мало?
От природных источников радиации человек получает 10 «банановых доз в час», от чашки кофе с утра — 0,1 банановой дозы (там тоже есть калий-40). Находясь в самолете, мы получаем уже радиационный эквивалент 30 «бананов» в час, а космонавт на МКС — пять тысяч в сутки (как от тонны бананов). При полете на Луну или Марс доза возрастет до 10 тысяч «бананов» в день.
В 2025 году российские ученые обнаружили, что если мышей с болезнью Альцгеймера облучать в дозе «100 тысяч бананов в час», пока общая доза не достигнет пяти-шести миллионов «банановых», те излечиваются полностью. Вывод практически значимый: сходные общие дозы получат люди от космических лучей при полете к Марсу.
Теперь сравним это с нормативами в атомной индустрии. Атомщики, работающие на энергоблоке с реактором ВВЭР-1200 российского дизайна, по нормативам не должны получать больше 200 тысяч «бананов» в год. Реальные показатели, однако, значительно ниже: зачастую и 20 тысяч «бананов» в год не получается.
ВВЭР: водо-водяной энергетический
Водо-водяной энергетический реактор — самый массовый тип реакторов из всех существующих. Их отечественные (ВВЭР) и зарубежные (PWR) варианты составляют более 70% общей электрической мощности всех энергетических реакторов Земли.
За счет чего такая популярность? Водо-водяным его называют потому, что и замедлитель нейтронов, и теплоноситель в нем — вода. А вот у исторически более раннего РБМК (реактор большой мощности канальный) замедлителем служил графит, а не вода.
Впрочем, и тот и другой тип реакторов используют ГЦТ — главный циркуляционный трубопровод, ключевой элемент на атомной электростанции. По нему циркулирует теплоноситель — обессоленная вода. Сперва она нагревается в реакторе, затем отдает тепло в парогенераторе, превращая воду второго контура в пар. Тот уже идет на паровую турбину, которая вырабатывает электричество.
Кстати, вода в первом контуре ВВЭР не только замедляет нейтроны, позволяя течь цепной реакции, но и охлаждает тепловыделяющие элементы (твэл), содержащие «таблетки» с ядерным топливом.
От параметров твэл зависит экономика работы реактора: чем более высокую температуру они выдержат, тем выше может быть КПД. Но чтобы поднять параметры элемента, не обойтись без новых материалов. Научный дивизион «Росатома» работает над целым рядом таких.
Новые материалы
Пожалуй, наиболее перспективными выглядят ККМ, или керамические композиционные материалы (часто на основе карбида кремния, SiC). Обычный карбид кремния — по сути, керамика, прочная, крайне устойчивая к коррозии и радиации, но хрупкая.
ККМ равномерно перераспределяют получаемую стенками твэл нагрузку на армирующий высокопрочный плетеный волокнистый каркас из волокон SiC, «оплетенных» матрицей тоже из SiC. Это дает оболочке характеристики, позволяющие ей работать в реакторе.
Кстати, первый этап испытаний таких твэл прошел в России три года назад. Кроме более высокой стойкости к нагреву, они еще исключают пароциркониевую реакцию. Так называют опасный процесс выделения водорода в результате реакции циркония с водой при слишком высоких температурах.
Если цирконий нежелательно применять, как только температура превысит 400 °C, то твэл из ККМ из карбида кремния выдерживают 1000-1200 °C. Это не только резко снижает риски при авариях, но и позволяет использовать их в ВТГР.
Это высокотемпературный газоохлаждаемый реактор: в отличие от ВВЭР, он греет не воду, а газ, например гелий, и не до +340, а до тысячи градусов. Такая тепловая энергия позволяет получать в результате конверсии природного газа водород, считающийся перспективным безуглеродным энергоносителем.
При всех плюсах ККМ, есть область, где они неидеальны. Это реакторы на быстрых нейтронах вроде российского БН (быстрый натриевый). Ведь карбид кремния очень слабо поглощает тепловые нейтроны, а вот быстрые приводят к смещениям атомов в его кристаллической решетке, то есть к потере прочности.
Тут на сцену выходит другой передовой материал для твэл — ДУО-стали. Название расшифровывается как «дисперсно-упрочненные оксидами стали» (отсюда — ДУО-стали). Их кристаллическая решетка, как и положено стали, хорошо переносит даже высокий поток быстрых нейтронов. Поэтому из них планируют делать твэл для быстрых атомных реакторов и даже элементы термоядерных реакторов (там тоже высокий поток быстрых нейтронов).
Впрочем, ученые «Росатома» занимаются разработкой не только сугубо «атомных» материалов, но и тех, что найдут применение в смежных с энергетикой областях.
Один из характерных примеров — инновационный материал УВ на основе изотропных и мезофазных пеков. УВ — это акроним для материала «углеродное волокно». Получают его из остатков переработки нефти и коксования каменного угля, которые тщательно очищают, обрабатывают и нагревают под давлением.
В итоге получается особая жидкокристаллическая фаза — мезофаза (от «среднее» и «фаза»), промежуточное состояние вещества, когда оно уже по структуре перестало быть обычной беспорядочной жидкостью, но еще не затвердело в строгий, «правильный» кристалл.
Что это дает? Это УВ очень легкое, практически не деформируется под нагрузкой, размеростабильно при экстремальных циклических температурных колебаниях и обладает высокой теплопроводностью. Высочайший коэффициент теплопроводности при высокой прочности позволяет использовать это углеволокно не только в атомной отрасли, но и для холодильников-излучателей орбитальных космических станций, и даже ядерных буксиров.
Сходный материал смежного назначения, создаваемый госкорпорацией, — ЭПАН-2Б. Это композиционный материал на основе дискретного углеродного наполнителя и эпоксифенольного связующего. Он идеально подходит для деталей в агрессивных кислотных средах и при высоких температурах — например, для перекачивающих насосов в атомной и нефтегазовой отраслях. Впрочем, есть нужда и в автомобильной, авиационной и космической промышленности.
Чтобы находить новые решения, ученые «Росатома» уже начали применять ИИ-синтез материалов. Так называют подход, при котором нейросети помогают не только придумывать новые соединения, но и буквально «настраивать» процесс их создания в лаборатории. Что имеется в виду?
Теперь ученые вместо того, чтобы вручную перебирать тысячи вариантов температуры, времени реакций и соотношения реагентов, могут поручить ИИ решать эту рутинную задачу, анализируя огромные массивы данных. Все это существенно ускоряет работу по созданию новых материалов, востребованных в энергетике и других отраслях.
Тераностика и медицинские изотопы
Некоторые жаргонизмы атомной отрасли, на первый взгляд, совсем не «атомные». Например, тераностика — подход в фармацевтике, при котором препарат одновременно служит средством ранней диагностики и терапевтическим агентом.
Тем не менее атомщики тут очень даже при чем: лекарства, которые могут и диагностировать, и лечить, создают на основе продукции атомной отрасли. К примеру, корпорация нарабатывает изотоп галлия-68, который может диагностировать наличие некоторых опухолей. Затем уже на них можно прицельно воздействовать терапевтическим изотопом — к примеру, лютецием-177.
Кстати, галлий-68 используют для ПЭТ — позитронно-эмиссионной томографии, когда изображения внутренних органов и тканей получают с помощью радионуклидов, часто в сочетании с компьютерной или магнитно-резонансной томографией.
Вообще, медицинские изотопы — одно из важных направлений работы ученых «Росатома». Именно эта госкорпорация поставляет их более чем в 200 клиник в России и за ее пределами.
Самый массовый вид таких поставок — генераторы технеция-99m. Их применяют в РНД — радионуклидной диагностике, то есть для получения информации о состоянии организма пациента с помощью радиофармпрепаратов. Конкретно генераторы технеция используют примерно в четырех из пяти всех диагностических процедур мировой ядерной медицины. С его помощью исследуют и кости, и почки, и сердце, и щитовидную железу.
Если РНД нашла какие-то проблемы, их часто лечат с помощью РНТ — радионуклидной терапии. РНТ зачастую направлена против раковых опухолей. В отличие от традиционной лучевой или химической терапии, в ней используют альфа— и бета-излучение. То есть такие виды нуклидов, которые дают альфа- (ядро атома гелия) или бета-частицы.
Они обладают высокой разрушительной силой, но очень малым пробегом в тканях организма — миллиметры, а то и микрометры. За счет этого точечно уничтожают раковые клетки, не задевая здоровые. Ученые «Росатома» разрабатывают такие бета-излучатели, как лютеций-177, и работают над актинием-225 — перспективным и мощным альфа-излучателем.
Топливо и его циклы
МОКС-топливо, смесь оксидов плутония и урана. Эксперименты с частичной загрузкой им активной зоны реакторов шли с 1960-х. Но только в 2023 году российский энергоблок БН-800 Белоярской АЭС впервые в истории вывели на 100%-ный уровень мощности при полной загрузке активной зоны МОКС-топливом.
Это серьезная веха: реактор на практике показал, что в замкнутый ядерный топливный цикл (ЗЯТЦ) можно вовлечь все 100% природного урана. Для ВВЭР это было лишь 0,7%.
Кстати, что это за замкнутый ядерный цикл, упомянутый выше? Ядерное топливо, в отличие от, предположим, бензина, не сгорает полностью, для ВВЭР сгорание (выгорание) топлива составляет около 6%. После отработки топливом одного цикла ядерное «горючее» извлекают из реактора. Затем химически извлекают из него «несгоревший» уран и плутоний и загружают в МОКС-топливо. Наиболее эффективен ЗЯТЦ для «быстрых» реакторов, в которых за счет ядерных реакций происходит увеличение количества делящегося материала, то есть размножение топлива.
Замысел в том, что из МОКС-топлива после рабочего цикла в перспективе тоже будут вынимать «несгоревшее» и запускать в реактор снова, при этом излишки можно использовать для запуска новых реакторов. Это и отличает обычный ядерный топливный цикл (ЯТЦ, вся цепочка от добычи урана до обращения с отработавшим топливом) от ЗЯТЦ: пока уран и плутоний не сгорят в «топке» активной зоны, из цикла они не выйдут.
Само собой, при всей привлекательности ЗЯТЦ его реализация требует новых технологий. Чтобы разделить отработавшее ядерное топливо (ОЯТ) на компоненты, разрабатывают, например, одностадийную пирохимическую технологию — метод разложения топлива на компоненты, который соответствует Стратегии развития ядерной энергетики России до 2050 года.
Для замыкания топливного цикла на реакторах на быстрых нейтронах будет востребован и МФР — модуль фабрикации-рефабрикации топлива, который недавно ввели в эксплуатацию в Северске Томской области. Там будут производить СНУП — смешанное нитридное уран-плутониевое топливо. Оно более плотное, чем МОКС, что позволяет эффективно использовать его в энергокомплексах четвертого поколения с реакторами со свинцовым теплоносителем, которые развивают в рамках проекта «Прорыв».
Небольшие реакторы для больших проблем
Замкнутый цикл трудно реализовать без принципиально новых решений. Чтобы найти их, ученые «Росатома» проектируют два новых исследовательских реактора.
Один из них — ИЖСР, исследовательский жидкосолевой реактор, создаваемый на площадке Горно-химического комбината (входит в дивизион «Экологические решения» госкорпорации «Росатом»). Он будет работать на топливе из смеси солей фторидов лития и бериллия, а в этих солях планируют растворить делящийся плутоний и минорные актиниды. Так называется несколько элементов, располагающихся в таблице Менделеева за ураном (кроме плутония). Они выделяют немало тепла и радиации тысячи лет, поэтому их куда логичнее «дожечь» в ядерном реакторе, чем хранить.
На сегодня в мире нет полноценных реакторов — дожигателей минорных актинидов. ИЖСР станет первым.
Поскольку без быстрых реакторов ЗЯТЦ тоже не замкнуть, «Росатом» уже строит в Димитровграде МБИР — многоцелевой быстрый исследовательский реактор. Он натриевый, электрической мощностью 55 мегаватт.
Предполагается, что МБИР будет работать 237 эффективных суток в году. Этот атомный жаргонизм означает число суток работы на номинальной мощности. Один календарный день работы на половинной мощности — примерно половина эффективных суток. А остановы — ноль эффективного времени. Поэтому число эффективных суток обычно меньше продолжительности формального периода работы реактора.
Но главное в МБИР — не выработка электричества, а уникальная возможность исследовать самые разные режимы работы быстрых реакторов на одном реакторе-стенде. Кстати, попутно он будет производить и медицинские изотопы, о которых мы писали выше.
В XXI веке разработчики «Росатома» задумались над малыми реакторами для удаленных и изолированных от единой энергосистемы районов России, которые могли бы производить свет и тепло. Так появилась плавучая атомная теплоэлектростанция, или ПАТЭС. С 2020 года такая уникальная станция работает в Певеке, и это самая северная АЭС в мире. Планируется построить ряд подобных и для экспорта, и для удаленных городов нашей страны.
Радиохимия спешит на помощь
Есть еще одна отрасль, без которой замкнутый ядерный цикл невозможен, — радиохимическая. Она нацелена на переработку ОЯТ, отработавшего ядерного топлива. А еще — РАО, то есть радиоактивных отходов, частью которых являются ЖРО — жидкие радиоактивные отходы.
Цель переработки очевидна: разделение и извлечение из них РВ, радиоактивных веществ. Важнее всего переработать и затем изолировать ВАО — высокоактивные отходы. Они и «фонят» больше, и их радиохимическая переработка сложнее, чем у обычных РАО.
Одна из важных целей переработки — выделение ПД, или продуктов деления. То есть того, что образовалось в ядерном реакторе за время его работы. Это, в том числе, и те самые минорные актиниды, упомянутые выше.
Токамаки и «термояд»
Атомная отрасль живет не только ближним, но и дальним прицелом. Именно к нему относится термояд — зачастую так называют все, что связано с термоядерными реакторами. Наиболее отработанная схема будущего реактора сегодня — токамак.
Строго говоря, это похожая на тор камера с сильным магнитным полем, которое удерживает нагреваемую плазму. Когда температура и давление достигают определенных значений, ядра атомов (тяжелых изотопов водорода) начинают сливаться, идет управляемый термоядерный синтез (УТС). Магнитное поле применяют для удержания плазмы потому, что она раскалена до миллионов градусов и уничтожила бы любую удерживающую стенку, так что остается лишь поддерживать «стенку» из магнитного поля.
Это не значит, что стенки физические термояду не нужны. «Росатом» активно разрабатывает как вольфрамовые, так и экзотические жидкометаллические стенки для подобных реакторов.
Сила магнитного поля в токамаках требуется большая, поэтому в катушках используют ВТСП, или высокотемпературную сверхпроводимость. Так называют нулевое электрическое сопротивление, возникающее при температуре выше точки кипения азота (-196 °C). Применение ВТСП дает существенно больший запас по температуре при использовании, поэтому намного проще поддерживать необходимый режим и получить более высокое значение силы магнитного поля.
Именно ученые «Росатома» — мировые лидеры в создании магнитов на ВТСП, да и сверхпроводящих магнитов в целом. За счет них строящийся термоядерный реактор ТРТ получит горячую плотную плазму при габаритах и стоимости, которые во много раз меньше, чем у ИТЭР, термоядерного реактора без ВТСП. Кстати, первый образец ВТСП-обмотки для российского термоядерного реактора изготовили как раз в 2026 году. Подробнее о новых технологиях в ТРТ можно прочитать в отдельном материале Naked Science.
Сверхтяжелые на островке стабильности
Дальний прицел — не только термояд. Одной из самых перспективных тем в отрасли считают и сверхтяжелые элементы — те элементы таблицы Менделеева, что с атомным номером больше 100. Они отсутствуют в природе, их получают искусственно различными ядерными реакциями.
Названия многих сверхтяжелых элементов имеют явные русские корни: флеровий (114-й, в честь физика Георгия Флерова), московий (115-й), оганесон (118-й). Интересно, что последний элемент таблицы Менделеева назван по имени российского физика Юрия Оганесяна. А еще это последний из подтвержденных на сегодня химических элементов. То есть именно отечественные ученые сказали «последнее слово» в таблице Менделеева.
Другие «сверхтяжелые» — с американскими корнями: ливерморий (116-й), теннессин (117-й). Несложно догадаться, что вес при раздаче названий имеют физические центры тех стран, которые первыми синтезировали такие крайне плотные и короткоживущие сверхтяжелые элементы.
Физики полагают, что среди еще не открытых сверхтяжелых элементов есть так называемый островок стабильности. На нем ждут еще более экстремально тяжелые элементы. Причем их период полураспада некоторые ученые ожидают большими, чем у уже открытых «сверхтяжей».
Зачем они нужны? В перспективе сверхтяжелые элементы хотят использовать для разработки новых материалов с уникальными свойствами.
Чтобы управлять научным поиском в настолько сложной отрасли, как атомная, ее работникам приходится знать и профессионализмы, напрямую не связанные с «железом».
Например, БНАБ-93. Это библиотека многогрупповых нейтронных констант, переводящая подробные данные о взаимодействии нейтронов с веществом в форму, пригодную для инженерных расчетов при создании реакторов и радиационной защиты. Аббревиатура состоит из первых букв фамилий создателей: Бондаренко, Николаев, Абагян и Базазянц. Индекс «93» обозначает одно из поколений системы.
Сходный термин — ЕОТП, единый отраслевой тематический план. По сути, это организационный инструмент: механизм, который задает тематические приоритеты и финансирует научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы (НИОКР) внутри отрасли. Оператором выступает частное учреждение по обеспечению научного развития атомной отрасли «Наука и инновации» (входит в «Росатом»).
Если бы мы разбирали все жаргонизмы и сокращения, касающиеся атома, мало кто дочитал бы этот текст до конца. Тот, кто настроен на более длинный формат, может ознакомиться со словарем «Пойми атомщика: лексика атомной отрасли», изданным в 2021 году при поддержке «Росатома». Там собраны две тысячи подобных и еще более экзотических терминов и сокращений из атомной отрасли. Это только самые популярные — если излагать все, словарь станет многотомным.
Кроме бумажной версии словаря, которую все еще можно получить за лучший вопрос на научно-популярных ток-шоу или выиграть в интеллектуальных играх, есть и онлайновый Словарь атомных аббревиатур, где их около 250 — с расшифровкой и объяснением.
