1. Производство легированного кремния
Нейтронно-легированный кремний является основой современной силовой электроники. Сегодняшняя мировая потребность в нейтронно-легированном кремнии составляет ~100 тонн и наблюдается тенденция к удвоению в ближайшие 10 лет. Возможности реактора ПИК позволяют облучать ~20 т/год с максимальным диаметром изделия до 180 мм (что особенно важно!) Мягкий спектр нейтронов обеспечивает низкий уровень дефектности легированного кремния и его высокое электронное качество. Сметная стоимость создания комплекса для производства такого количества кремния оценивается в ~ 8-9 млн. долларов США, включая стоимость сервисного инженерного оборудования для контроля параметров произведенного кремния. Затраты могут быть компенсированы в ближайшие 4 года после начала эксплуатации канала.
2. Производство радиоактивных изотопов
Наличие нейтронных полей для облучения и разработанные в ПИЯФ уникальные методики позволяют организовать производство эндометалло-фуллеренов, весьма эффективных препаратов для диагностических и терапевтических целей.
Для организации производства этих препаратов в объеме, достаточном для потребностей медико-биологов России, необходимы затраты ~1,5–2,0 млн. долларов.
Облучательные возможности реактора ПИК (высокая плотность потока нейтронов, разнообразный спектр) и наличие на площадке радиохимического комплекса РИ им. Хлопина позволяют получать широкий круг радиоизотопов в интересах медицины и промышленности в количествах, достаточных не только для Северо-Западного региона России:
- рения-188 для терапии онкологических больных – получается только после двух - последовательных захватов нейтрона, требует высокого потока;
- молибдена-99 – для получения медицинских генераторов технеция;
- иридия-192 для промышленного использования в диагностике;
- модифицирование свойств природных минералов для ювелирной промышленности;
- изотопов иода, фосфора, самария, рутения, скандия и др.
3. Нейтрон-активационный анализ
Роль нейтрон-активационного анализа в экологии, геологоразведке, в горнодобывающей промышленности, производстве редких и драгоценных металлов, как и новых материалов и веществ вообще, трудно переоценить. Специалисты считают, что в стране должно ежегодно проводиться несколько сотен тысяч анализов.
Для этого, прежде всего, нужны нейтроны. Реактор ПИК, конечно, не может полностью решить эту проблему в масштабе страны, но может стать базой для обеспечения потребностей обширного промышленного региона Северо-Запада России.
4. Материаловедческие исследования
Исследования механизма изменения свойств материалов под действием облучения выполняются, как правило, с разрушением облученных образцов (например, электронная микроскопия) или с использованием тонких игл и пленок, т.е. в виде, далеком от реальных объемных образцов. Хорошо развитая в ПИЯФ техника малоуглового рассеяния нейтронов позволяет исследовать достаточно большие образцы без разрушения и во всем объеме.
В настоящее время на Западе есть только первые попытки исследования конструкционных материалов на приборах малоуглового рассеяния. Эти приборы требуют высокой плотности тепловых, а также холодных нейтронов в выведенном пучке. Реактор ПИК спроектирован именно для такого рода исследований.
Кроме того, отмеченные выше характеристики реактора ПИК по плотности потока холодных нейтронов создают благоприятные возможности успешного развития малоугловых исследований механизма кинетики разрушения и формирования предразрывного состояния металла. Успешное развитие данного направления должно дать возможность экспериментального наблюдения процессов зарождения и развития начальных, субмикроскопических трещин и пор, как в объеме тела, так и в области вершины растущих магистральных трещин. Это ведет к обеспечению серьезного продвижения в надежности определения сроков службы металлов, как в ядерной энергетике, так и во многих других областях техники.
5. Исследование свойств новых материалов
Создание, совершенствование и использование новых материалов составляет основу развития цивилизации.
Примерами таких материалов, известных к настоящему времени, являются, например, высокотемпературные сверхпроводники, фуллерены, сплавы с памятью формы, магнитные материалы, обладающие гигантскими магнитно-калориметрическими и магнитно-резистивными свойствами, наноматериалы, жидкие стекла и т.д.
Изучение их свойств и направленный синтез трудно представить без использования нейтронных методов. Для этого необходимо иметь пучки нейтронов высокой плотности, современные экспериментальные установки и коллективы ученых-профессионалов.
Затраты очень трудно оценить. А выигрыш – место России в современном мире.
6. Очистка от трития и кондиционирование тяжелой воды (D2O)
Тяжелая вода применяется, в основном, в ядерной энергетике. Из-за высокой энергоемкости производства из природного сырья она имеет стоимость 200–250 долларов за 1 кг. После распада СССР в России такое производство отсутствует.
В то же время в стране накопилось значительное количество разбавленной тяжелой воды, загрязненной тритием. Имеется необходимость переработки снятых с вооружения боеприпасов, в процессе которой образуются тяжеловодные отходы. Эти отходы могут служить сырьем для получения кондиционной тяжелой воды.
В ПИЯФ развиты и отработаны на опытных установках оригинальные технологии получения и очистки тяжелой воды. С 1992 г. переработка отходов осуществлялась на установке депротизации физмодели реактора ПИК. В 1995 была введена в эксплуатацию первая в России и одна из первых в мире опытно-промышленная установка на основе метода изотопного обмена в системе вода-водород и электролиза воды (ЭВИО).
Высокая эффективность установки ЭВИО дает возможность получать тяжелую воду с содержанием дейтерия > 99,995% ат. Отработанная в ПИЯФ технология обеспечивает высокое качество тяжелой воды, включая глубокую очистку тяжелой воды от трития до остаточной активности, позволяющей без ограничений использовать тяжелую воду в медицинских и научных целях. Возможности установки позволяют полностью обеспечить потребности российских предприятий и организаций в тяжелой воде и дейтерии, а также экспортировать часть продукции. За время работы для нужд Росатома и других предприятий России были произведены более 20 тонн D2O и десятки килограммов газообразного дейтерия.
Характеристика качества изотопной продукции получаемой на установках ПИЯФ
|
Наименование |
Содержание дейтерия |
Содержание примесей |
Содержание трития |
|
Тяжелая вода реакторного качества |
> 99,8% ат. | Электропроводность - <5.10-4 См/м Окисляемость (KMnO4) - <10 мг/кг Хлориды - <0,1 мг/кг |
4-400 МБк/кг (10-4-10-2 Ки/кг) |
| Тяжелая вода для медицины и науки | 99,80 - 99,99% ат. | Электропроводность -<5.10-4 См/м Окисляемость (KMnO4) -<10 мг/кг |
< 74 кБк/кг (1-2·10-6 Ки/кг) |
| Газообразный дейтерий высокой чистоты | 99,8 – 99,9% ат. | Кислород (О2) -< 10-4-10-6% об. Азот (N2) -<1 0-3-10-5% об. |
0,4-40 кБк/л (10-8- 10-6 Ки/л) |
| Вода с пониженным содержанием изотопа дейтерия | Менее 10-3% (более чем на порядок ниже, чем в природной воде) | Определяется требованиями заказчика | < 1 Бк/кг (ниже, чем в природной воде) |
При эксплуатации тяжеловодных реакторов D2O загрязняется протием, например, при натекании паров воды из атмосферы, а тритий образуется в тяжелой воде вследствие захвата нейтронов атомами дейтерия. Разрабатывается проект установки изотопной очистки тяжелой воды реактора ПИК. С помощью этой установки содержание трития в тяжелой воде должно поддерживаться на уровне 7,4·1010Бк/кг D2O, а изотопная концентрация тяжелой воды не ниже, чем 99,8 % D2O. До пуска реактора ПИК и в первые три года его эксплуатации мощности установки могут быть задействованы для обслуживания сторонних потребителей и заказчиков кондиционной тяжелой воды.
