Ядерные реакторы условно делятся на две категории: реакторы на быстрых нейтронах и реакторы на тепловых нейтронах. Реакторы на тепловых нейтронах поддерживают цепную реакцию с помощью нейтронов тепловой части спектра (сравнительно медленных).Скорость нейтронов в быстрых реакторах близка к так называемому спектру деления. Энергия в реакторе высвобождается в результате взаимодействия потока нейтронов с ядрами радиоактивных элементов. Нейтрон попадает в ядро, в результате оно испускает еще несколько нейтронов и начинается цепная реакция. При этом изначальное ядро после столкновения делится на ядра-осколки или превращается в ядро другого элемента.
В современной ядерной энергетике основным радиоактивным элементом, который используется как сырьё для ядерного топлива, является уран. Но наиболее распространенный в природе изотоп U-238 до сих пор шёл в дело сравнительно мало. В реакторах на тепловых нейтронах, которые в основном используются сейчас, цепная реакция обеспечивается преимущественно за счет деления ядер редкого изотопа уран-235. С понижением энергии нейтрона вероятность деления урана-235 значительно возрастает. Поэтому, чтобы все получилось как надо, нейтроны в активной зоне нужно искусственно замедлить.
При высокой скорости нейтронов для запуска цепной реакции нужен гораздо более плотный их поток, но зато в процесс активно вовлекаются изотопы U-238. Если правильно подобрать энергию нейтрона, U-238 захватывает нейтрон, и после ряда промежуточных процессов — становится плутонием-239. Последний прекрасно делится "тепловыми" нейтронами, тем самым как бы замещая собой деление ядер урана-235.
Из отработанного топлива плутоний можно выделить химическим путем, и сделать MOX-топливо (смесь оксидов плутония и природного урана),которое используется как в быстрых реакторах, так и в обычных, тепловых. То есть, в дело идет не только редкий 235-й изотоп, которого в природе около 0,7 % от общего количества, но и уран-238. Также быстрые реакторы позволяют многократно возвращать в топливный цикл уже отработавшее ядерное топливо и сами могут нарабатывать плутоний -239, в количестве даже большем, чем потребляют.
В настоящее время в ядерной энергетике используют в основном реакторы на тепловых нейтронах. В активную зону такого реактора вводят так называемый замедлитель нейтронов. Это вода, тяжёлая вода или графит, которые состоят из легких атомов водорода и углерода. Чем больше вес атомного ядра, тем хуже оно замедляет нейтроны. В самых популярных сейчас в мире водо-водяных реакторах в качестве замедлителя используется обычная вода. Она же используется в качестве теплоносителя. В быстрых реакторах недостаточно просто не вводить замедлитель целенаправленно. Нужно минимизировать наличие легких атомов в активной зоне. Поэтому вода не может быть использована для охлаждения реактора. В качестве теплоносителя применяют легкоплавкие металлы, натрий, калий, свинец, висмут.
В энергоблоках поколения III и III+, за которыми ближайшее будущее, используются водно-водяные энергетические реакторы (ВВЭР), они показали свою надежность и эффективность. Но есть один неприятный момент – отработавшее ядерное топливо, которое надо куда-то девать. Есть два подхода к этому вопросу. Согласно первому, ОЯТ - отходы, которые необходимо захоронить. Но задача их безопасного захоронения довольно сложна технически и к тому же чревата политическими осложнениями. Специальные подземные хранилища должны сохранять свою надежность сотни, а то и тысячи лет, их строят на глубине в сотни метров.Сооружение таких подземных объектов само по себе очень нетривиальная задача, плюс далеко не всякие геологические условия для них подойдут. Нужно исключить проникновение в район хранилища грунтовых вод, подобрать гранитный или соляной массив. А когда подходящее в техническом отношении место выбрано, в дело вступают политические факторы. Мало кому нравится жить рядом с ядерными захоронениям, пусть и сколь угодно надежными.
Иллюстрацией может служить история строительства хранилища Юкки-Маунтин в США, которое началось еще в 90-е годы прошлого столетия. Место – формация каменной соли глубоко под поверхностью пустыни Невада, было признано исключительно удачным в геологическом отношении, но заволновалась общественность штата. Противники проекта утверждали, что его реализация создаст риск воздействия на окружающую среду, может помешать туризму в штате Невада, особенно в центре игровой индустрии Лас-Вегасе. Обе палаты конгресса США преодолели вето штата, однако к этому времени намеченные планы отставали от предполагаемых графиков. Строительство хранилища затянулось. В 2009 году финансирование проекта вообще прекратили. В 2018 году был поднят вопрос о его возобновлении. В запланированном годовом бюджете были выделены деньги под эту задачу. Вопрос казался решённым, но под давлением конгрессменов от штата Невада от планов закончить строительство вновь отказались. Возможно, в 2021 году он будет поднят вновь.
Существует и другой подход к отработавшему ядерному топливу, не как к отходам, а как к ценному сырью для повторного использования. Его держат в хранилищах, достаточно надёжных, но рассчитанных не на тысячелетия. Топливо ждёт своего часа, пока технологии замыкания ядерного топливного цикла не будут отработаны в промышленных масштабах. Сейчас мы вплотную подошли к решению этой задачи. В обозримом будущем ядерные отходы, подлежащие захоронению, будут мало отличаться по суммарному уровню радиоактивности от того сырья, что мы извлекаем из земли. Следовательно, и их безопасное захоронение не станет представлять большой трудности.
Главным звеном в цепочке замыкания ядерного топливного цикла являются быстрые реакторы. Долгое время они строились в основном в научно-исследовательских целях. Пионером их промышленного применения стал Советский Союз. В июле1973 года на Шевченкоской АЭС (Казахская ССР) ввели в эксплуатацию быстрый реактор с натриевым теплоносителем БН-350. Он снабжал энергией не только г. Шевченко (сейчас Актау), но и опреснительную установку на Каспийском море (1,4 м³ в сек., 120 000 м³ в сутки, 48,8 млн м³ в год). Очень нелишняя функция в тех полупустынных краях. Реактор проработал до 1999 года. В 1980 году на Белоярской АЭС в Свердловской (Екатеринбургской) области был установлен энергоблок с реактором БН-600 (быстрый, натриевый, на 600 МВт). Он работает и сейчас.
Практически одновременно с СССР развивать это направление начала Франция, где атомная энергетика имеет исключительное значение(около 70% от общей генерации). В том же 1973 году, но в декабре, был подключен к сети быстрый реактор «Феникс» во французском ядерном центре Маркуль. Название реактора символично. Птица феникс сгорает и возрождается к жизни и собственного пепла. Быстрый реактор превращает в энергию уже однажды использованное топливо, которого во Франции скапливается немало.
Но в отличие от белоярского реактора, который все это время работал бесперебойно, судьба французского проекта сложилась непросто.В 1989 – 1990 годах, на «Фениксе» произошло четыре случая внезапного снижением реактивности. По международной шкале безопасности INES они были квалифицированы как происшествия второго уровня – «инцидент». Причины сразу, по свежим следам, установить не удалось. Это произвело нехорошее впечатление на общественность. Работу энергоблока неоднократно останавливали. С большими перерывами он проработал до конца 2009 года. Промышленное его значение было относительно невелико, но он много принес как научно-исследовательский проект.
Одновременно с «Фениксом» проектировался второй быстрый реактор гигантской по тем временам мощности 1200 МВт, получивший имя «Суперфеникс». Строительство началось в 1974 году, но общественность была настроена крайне негативно, в СМИ распространялись явно преувеличенные, а временами и просто фантастические слухи об опасности новой технологии.В 1977 году шестидесятитысячная акция протеста переросла в массовые беспорядки, в ходе их подавления были серьезно раненые и один погибший. В 1982 году, уже после пуска реактора, АЭС обстреляли из гранатомета члены какой-то леворадикальной группировки. Существенного урона это не нанесло, но страсти снова накалились. А зимой 1990 года еще и крыша турбинного зала обрушилась из-за аномально количества выпавшего снега.В общем, жизнь «Суперфеникса» была беспокойной и не слишком долгой. В 1996 г. после плановой остановки работу реактора решили не возобновлять.
На сегодняшний день единственной обладательницей действующих промышленных энергетических реакторов на быстрых нейтронах является Россия. Сейчас их два и оба находятся на Белоярской АЭС. В декабре 2015 года там был запущен четвертый энергоблок с новым реактором БН-800. В 2020 году на быстром промышленном реакторе БН-800 был начат процесс поэтапного перехода на мокс-топливо. Полностью переход на мокс-топливо планируется в 2021-2022 гг. Это первый шаг к созданию полноценной промышленной системы замыкания ядерного топливного цикла, которая позволит в будущем сделать так, чтобы в результате работы АЭС практически не оставалось отходов, а в ближайшей перспективе перерабатывать накопленные по всему миру запасы обедненного гексафторида урана (ОГФУ) и плутония.Также, энергоблок с реактором БН-800 послужит прототипом более мощного блока БН-1200, который станет головным энергоблоком для последующего серийного сооружения.
