Jedyny na świecie konwerter neutronów termicznych na 14 MeV

Duże źródła neutronów prędkich są obecnie na wczesnym etapie budowy (ESS — European Spallation Source) lub w fazie projektowania (IFMIF). Do czasu ich uruchomienia jedną z  najbardziej opłacalnych metod uzyskiwania względnie wysokich gęstości strumienia neutronów prędkich o energii 14 MeV (powyżej 10⁹ cm^-2 s^-1) może okazać się konwerter neutronów termicznych instalowany w reaktorze jądrowym. Takie właśnie urządzenie zostało zaprojektowane i wybudowane przez naukowców NCBJ. Pozytywne wyniki uzyskane podczas 135 ciągłej pracy konwertera w badawczym reaktorze „Maria” potwierdzają, że obecnie jest to jedyna na świecie pracująca tego typu instalacja będąca jednocześnie jednym z najsilniejszych na świecie ciągłych źródeł neutronów 14 MeV. Posłuży ona do napromieniania materiałów na potrzeby badań elementów niezbędnych do budowy reaktorów IV generacji i urządzeń termojądrowych.

„Zaproponowany przez nas konwerter litowo-deuterowy, dostosowany jest do konstrukcji reaktora jądrowego „Maria”, który w tym przypadku wykorzystywany jest jako źródło neutronów termicznych” – tłumaczy dr inż. Rafał Prokopowicz z Zakładu Techniki Reaktorów Badawczych NCBJ – „to właśnie one zapoczątkowują w związkach litu-6 i deuteru dwuetapową reakcję jądrową, w wyniku której powstają neutrony o energii 14 MeV, wykorzystywane do dalszych badań materiałowych. W konwerterze zainstalowanym w reaktorze Maria uzyskaliśmy ponad 10⁹ cm^-2 s^-1 neutronów 14 MeV, w objętości ok. 60 cm³. Biorąc pod uwagę możliwość ciągłej pracy konwertera przez wiele miesięcy, możemy stwierdzić, że dysponujemy jednym z najbardziej wydajnych na świecie źródeł neutronów 14 MeV”.

Badania odporności radiacyjnej nowych materiałów, takich jak elementy konstrukcyjne reaktorów IV generacji, czy przyszłych elektrowni termojądrowych wykorzystujących neutrony o energiach 14 MeV muszą odbywać się w widmie neutronów zbliżonym do docelowego. Niezbędne jest więc pozyskanie niezawodnego ich źródła, mogącego pracować w sposób ciągły, najlepiej usytuowanego tuż obok należycie wyposażonych laboratoriów badawczych z odpowiednią kadrą naukową. Jedynym takim miejscem w Polsce i jednym z nielicznych na świecie jest instytut w Świerku.

„Nasz konwerter jest właśnie rezultatem efektywnego połączenia kompetencji polskich naukowców z unikalną infrastrukturą badawczą” – podkreśla prof. dr hab. Grzegorz Wrochna, dyrektor NCBJ – „dziś, kiedy Europa cierpi na brak wystarczającej liczby reaktorów badawczych, przed naszym instytutem otwierają się zupełnie nowe perspektywy. Mamy nadzieję, że unowocześnianie wyposażenia reaktora Maria i doposażanie Laboratorium Badań Materiałowych ze środków krajowych i europejskich pozwolą nam stworzyć w Świerku unikatowe zaplecze badawcze na skalę światową m.in. dla rozwoju nowych materiałów niezbędnych nie tylko dla przyszłych generacji reaktorów czy energetyki termojądrowej”.

Energetyka termojądrowa opiera się na reakcji syntezy (fuzji) jądrowej. To zjawisko fizyczne polegające na połączeniu dwóch lekkich jąder atomowych w jedno cięższe z jednoczesną emisją energii. Najczęściej wykorzystuje izotopy wodoru (deuteru z trytem) zamieniając je jądro helu. W wyniku takiej reakcji 80% całkowitej uwolnionej energii unoszą neutrony o energii 14 MeV, które wykorzystywane są również do produkcji paliwa (trytu). Pomimo swych niewątpliwych zalet stanowią jednak zagrożenie dla obecnie stosowanych materiałów konstrukcyjnych reaktora. Istnieje więc konieczność opracowania nowych odpornych przede wszystkim na wysokoenergetyczne neutrony o znacznym natężeniu czy erozję w wysokiej temperaturze i nie ulegających aktywacji neutronowej.

Badania nad syntezą jądrową prowadzone są obecnie na tokamaku JET, a wkrótce będą również realizowane m.in. w stelleratorze W7-X. Polscy naukowcy biorą aktywnie udział w tych pracach, m.in. 20 maja br. przekazali w Greifswaldzie urządzenia o wartości 6,5 mln euro będące realizacją wkładu własnego. Instytut Fizyki Jądrowej PAN zaangażowany był w montaż nadprzewodzących kabli i szyn zbiorczych, Politechnika Warszawska, Instytut Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy (IFPiLM) oraz Uniwersytet Opolski dostarczyły m.in. strukturalne i mechaniczne analizy systemu magnetycznego oraz systemów diagnostycznych miękkiego promieniowania rentgenowskiego. NCBJ, obecne w projekcie od stycznia 2011 r. z wkładem wynoszącym 4,5 miliona euro, odpowiadało za budowę elementów iniektora wiązki neutralnej; magnesów refleksyjnych, podstaw komór iniektorów wiązki neutralnej wraz z hydraulicznym układem poziomowania, wykonanie zaworów bramowych wraz z układami wygrzewania, wykonanie i uruchomienie układu chłodzenia.

Prowadzone na świecie badania nad fuzją termojądrową mają wykazać, że może być ona wykorzystana na Ziemi jako opłacalne źródło energii. Ich rezultatem będzie prototyp pierwszej elektrowni termojądrowej na świecie DEMO a dopiero na tej podstawie zostanie podjęta decyzja o pierwszej na świecie elektrowni komercyjnej wykorzystującej reakcję syntezy jądrowej.