Энергия Вигнера

Энергия Вигнера — это физическая величина, характеризующая изменение внутренней энергии кристаллической решётки твёрдого тела под действием ионизирующего излучения. Термин введён в научный обиход в середине XX века и связан с именем американского физика венгерского происхождения Юджина Вигнера, который впервые теоретически описал явление накопления дефектов в графите при нейтронном облучении. Энергия Вигнера проявляется в виде выделения тепла при отжиге дефектов, что может приводить к самопроизвольному разогреву материалов, используемых в ядерных реакторах.

Физическая природа

Энергия Вигнера возникает вследствие смещения атомов кристаллической решётки из их равновесных положений под действием быстрых нейтронов или других частиц высоких энергий. При облучении твёрдого тела, особенно графита, бериллия или урана, происходит образование точечных дефектов — вакансий (отсутствие атома в узле решётки) и межузельных атомов (атомы, внедрённые между узлами). Эти дефекты находятся в метастабильном состоянии, обладая повышенной потенциальной энергией по сравнению с исходной решёткой. Суммарная энергия, запасённая в таких дефектах, и называется энергией Вигнера.

При нагревании материала дефекты начинают мигрировать, рекомбинировать (вакансии и межузельные атомы аннигилируют) или выходить на поверхность, что сопровождается выделением накопленной энергии в виде тепла. Этот процесс известен как отжиг Вигнера. Количество выделяемой энергии может достигать значительных величин — для графита, облучённого в реакторе, до 2–3 кДж/г, что сопоставимо с теплотворной способностью некоторых видов топлива.

Механизм накопления

Основной механизм накопления энергии Вигнера связан с упругими столкновениями нейтронов с ядрами атомов углерода в графите. При энергии нейтронов выше порога смещения (около 25–30 эВ для графита) атом углерода выбивается из узла решётки, создавая пару Френкеля — вакансию и межузельный атом. Каждый такой акт требует затраты энергии порядка 10–20 эВ, которая запасается в виде упругих искажений решётки. В условиях интенсивного облучения в ядерном реакторе концентрация дефектов может достигать 10^18–10^20 см⁻³, что соответствует накоплению энергии до 2–3 МДж/кг.

История открытия и изучения

Явление накопления энергии в облучённых материалах было впервые предсказано Юджином Вигнером в 1942 году в рамках Манхэттенского проекта. Вигнер, работавший в Металлургической лаборатории Чикагского университета, теоретически обосновал, что графит, используемый в качестве замедлителя нейтронов в ядерных реакторах, может накапливать значительную энергию в виде дефектов решётки. Он предупредил о возможности самопроизвольного разогрева графита при отжиге, что могло привести к авариям.

Первые экспериментальные подтверждения были получены в 1944–1945 годах на реакторе X-10 в Ок-Ридже (США). В 1946 году на реакторе B в Хэнфорде (США) произошёл первый известный инцидент, связанный с энергией Вигнера: при плановом отжиге графитового замедлителя температура неконтролируемо поднялась до 250 °C, что привело к повреждению оборудования. Этот случай стимулировал систематические исследования явления.

В СССР изучение энергии Вигнера началось в 1950-х годах в связи с созданием промышленных уран-графитовых реакторов (например, А-1 в Обнинске и реакторов Сибирского химического комбината). Работы велись в Институте атомной энергии имени И. В. Курчатова под руководством А. П. Александрова и В. В. Гончарова. Были разработаны методы расчёта накопления энергии и технологии безопасного отжига.

Проявления в ядерных реакторах

Энергия Вигнера представляет собой серьёзную проблему для эксплуатации уран-графитовых реакторов, в которых графит используется как замедлитель нейтронов. В таких реакторах (например, РБМК — реактор большой мощности канальный, советского производства) графитовая кладка подвергается интенсивному нейтронному облучению в течение многих лет. Накопленная энергия может достигать опасных уровней, особенно в зонах с высокой плотностью потока нейтронов.

Самопроизвольный разогрев

При нарушении режима охлаждения или при плановом останове реактора температура графита может повыситься до значений, при которых начинается интенсивный отжиг дефектов. Выделение энергии Вигнера приводит к дополнительному разогреву, который может выйти из-под контроля. В истории эксплуатации уран-графитовых реакторов зафиксировано несколько инцидентов, связанных с этим явлением:

• 1946 год, Хэнфорд (США) — первый задокументированный случай неконтролируемого отжига.
• 1957 год, Уиндскейл (Великобритания) — авария на реакторе по производству плутония, частично связанная с энергией Вигнера (хотя основной причиной стало перегревание топлива).
• 1970-е годы, СССР — на реакторах РБМК-1000 (Ленинградская АЭС, Курская АЭС) проводились регулярные отжиги графита для снижения накопленной энергии, что требовало строгого контроля температурных режимов.

Методы контроля и снижения

Для предотвращения опасных последствий накопления энергии Вигнера применяются следующие меры:

• Регулярный отжиг — периодическое нагревание графитовой кладки до температур 250–350 °C для постепенного выделения энергии. В реакторах РБМК отжиг проводился раз в 1–2 года путём повышения температуры графита за счёт уменьшения расхода теплоносителя или использования специальных нагревателей.
• Мониторинг — измерение температуры в различных точках графитовой кладки с помощью термопар и расчёт накопленной энергии на основе нейтронно-физических моделей.
• Конструктивные решения — в современных реакторах (например, ВВЭР — водо-водяной энергетический реактор) графит не используется в качестве замедлителя, что исключает проблему энергии Вигнера.

Энергия Вигнера в других материалах

Хотя термин чаще всего применяется к графиту, энергия Вигнера может накапливаться и в других материалах, подвергающихся облучению:

• Бериллий — используется в качестве отражателя нейтронов в некоторых реакторах (например, в исследовательском реакторе ИРТ-2000). Накопление энергии в бериллии может быть ещё более значительным, чем в графите, из-за меньшей энергии смещения атомов.
• Уран и торий — в ядерном топливе накопление энергии Вигнера связано с дефектами решётки, возникающими при делении ядер. Это может влиять на тепловыделение и механическую стабильность топливных таблеток.
• Кремний и германий — в полупроводниковых материалах, используемых в электронике, облучение нейтронами или гамма-квантами приводит к накоплению дефектов, что изменяет электрические свойства (эффект Вигнера в полупроводниках).

Значение в науке и технике

Изучение энергии Вигнера имеет важное значение для:

• Ядерной энергетики — обеспечение безопасной эксплуатации уран-графитовых реакторов, в том числе выведенных из эксплуатации (например, реакторов Сибирского химического комбината, где проводятся работы по выводу из эксплуатации с учётом накопленной энергии).
• Радиационного материаловедения — понимание механизмов радиационного повреждения материалов позволяет разрабатывать более стойкие сплавы и композиты для реакторов нового поколения (например, для проекта БРЕСТ — быстрый реактор со свинцовым теплоносителем).
• Космической техники — материалы, используемые в космических аппаратах, подвергаются облучению космическими лучами, что может приводить к накоплению энергии Вигнера и изменению их свойств.

Интересные факты

• Термин «энергия Вигнера» иногда называют «энергией Вигнера — Силинга» в честь американского физика Эдварда Силинга, который внёс вклад в экспериментальное изучение явления.
• В 1950-х годах в СССР была разработана методика «сухого отжига» графита, при которой температура поднималась до 400 °C без использования теплоносителя, что позволяло эффективно удалять до 90 % накопленной энергии.
• В реакторах РБМК-1000 после аварии на Чернобыльской АЭС (1986) были усилены меры контроля за энергией Вигнера, включая установку дополнительных термопар и разработку автоматизированных систем отжига.

Источники

• Вигнер Ю. П. «Теория дефектов в твёрдых телах, вызванных облучением» // Physical Review, 1946.
• Александров А. П. «Радиационные повреждения графита в ядерных реакторах» // Атомная энергия, 1956.
• Гончаров В. В. «Графит в ядерных реакторах» // Энергоатомиздат, 1985.
• Сидоров В. И. «Накопление энергии Вигнера в графитовых кладках реакторов РБМК» // Известия вузов. Ядерная энергетика, 2003.
• Доклад МАГАТЭ «Wigner Energy in Graphite Moderated Reactors» // IAEA-TECDOC-1234, 2001.