Мирный атом — это один из столпов мировой энергетики, без которого современное общество просто невозможно. Несмотря на все плюсы существующих ядерных станций, главным изъяном была и остается утилизация отработанного ядерного топлива.
Похоже, и эта проблема будет решена — благодаря уникальной российской разработке замкнутого ядерно-топливного цикла, реализация которого возможна в ядерных реакторах на быстрых нейтронах.
В чем проблема современной атомной энергетики
Итак, мирный атом уже не один десяток лет служит человечеству для выработки электроэнергии по всему миру. Но есть одна очень серьезная проблема. Далеко не весь природный уран подходит в качестве топлива для ядерных реакторов.
В природе широко распространен уран-238 (92 протона, 146 нейтронов), и его доля в мировых запасах составляет 99,3 % от общего объема урана на Земле. Но он-то как раз не подходит для ядерных реакторов в качестве топлива.
Топливом могут служить лишь оставшиеся 0,7 % мирового запаса в виде урана-235 (92 протона, 143 нейтрона). Но даже эту оставшуюся часть урана нельзя просто так взять и загрузить в реактор. Его нужно предварительно обогатить и поднять долю урана-235 в общей массе урана-238 приблизительно в 700 раз.
Получается, что, несмотря на огромные мировые запасы, реально подходящего для топлива урана хватит по усредненным расчетам только на 50 лет.
Все не так мрачно, как кажется на первый взгляд. Уран-238 все-таки можно адаптировать для ядерных реакторов. Правда, для этого нужно преобразовать уран-238 в плутоний-239, причем этот процесс возможен только при воздействии быстрых нейтронов.
Как оказалось, сделать это преобразование не так просто. Ведь большинство современных реакторов работают на «медленных» нейтронах, которые специально замедляются, так как уран-235 «не хочет общаться» с быстрыми нейтронами. А вот уран-238, наоборот, не вовлекается в процесс трансформации на медленных нейтронах.
Отдельно выполнять трансформацию урана-238 в плутоний-239 экономически нецелесообразно. Гораздо эффективней использовать для этого так называемые лишние нейтроны, которые образуются во время реакции распада. Поэтому в современных реакторах они специально удаляются с помощью поглотителей.
А значит нам нужно соединить «мусорный» уран -238 и «правильный» уран - 235 в одном месте - атомном реакторе. И тогда будет возможность как вырабатывать электроэнергию, так и специально трансформировать «ненужный» уран-238 в новое ядерное топливо для реакторов. Но обязательным условием при этом является тот факт что, он (реактор) должен работать именно на быстрых нейтронах.
А вот создать такой реально работающий реактор на быстрых нейтронах оказалось большой проблемой для многих инженеров. И с задачей справились только российские инженеры-ученые.
Реакторы на быстрых нейтронах, в чем их особенность
Итак, нам нужен реактор, работающий на уране-235 и при этом, нужно сделать так, чтобы он работал на быстрых нейтронах. Для того, чтобы это было возможно, нужно существенно повысить плотность нейтронного потока (чтобы уран-235 стал охотней взаимодействовать с быстрыми нейтронами).
Значит, придется применять более обогащенное топливо, при этом температурный режим и нейтронные потоки будут существенно жестче — понадобятся более устойчивые материалы.
Кроме того, нужно избегать материалов, которые будут замедлять нейтроны. То есть классический вариант — вода — в этом случае не подходит, так как она отлично замедляет нейтроны.
Именно поэтому в качестве теплоносителя на первых этапах разработки реакторов на быстрых нейтронах использовали ртуть, но из-за высокой токсичности металла быстро отказались от этого варианта.
На следующих этапах экспериментов пробовали такие металлы как свинец, висмут и натрий.
Самыми перспективными материалами оказались натрий и свинец. И на первом этапе советским инженерам удалось «приручить» именно натрий.
Первым коммерческим полноценно работающим реактором на быстрых нейтронах стал еще советский реактор БН-600. А уже в 2015 году Росатом запустил реактор БН-800 (натрий). Это уникальный в своем роде реактор, который уже приспособлен для работы на плутониевом топливе с полным замкнутым циклом воспроизводства.
В чем преимущество реакторов на быстрых нейтронах
Предварительные расчеты показывают, что благодаря такой технологии процент пригодного для ядерного топлива для реакторов со скромных 0,7% резко возрастает до 30%.
Следовательно, эффективные запасы топлива увеличатся примерно в 43 раза, а значит их должно хватить не на каких-то 50 лет, а больше, чем на два тысячелетия. Думаю, разница даже при очень грубом подсчете налицо.
Кроме того, такие реакторы способны полноценно функционировать на отработанном ядерном топливе от «медленных» реакторов, что сулит решение самой большой головной боли экологов — как утилизировать отработанное ядерное топливо.
Также такие реакторы гораздо безопаснее. Ведь в них используется натрий вместо разогретой воды под высоким давлением. Натрий становится жидким при 100 градусах по Цельсию, а переходит к стадии кипения только при 900 градусах.
Давайте вспомним, как устроена система охлаждения на «обычных» ядерных реакторах. Там в качестве охладителя выступает вода под огромным давлением. Очевидно, что высокое давление — высокий риск разгерметизации и аварии.
С натрием таких проблем нет. Так как температура кипения высока, его можно держать при нормальном давлении, а значит, нет вероятности прорыва и аварии.
Даже в случае возникновения нештатной ситуации химическая активность натрия и тут сыграет на пользу безопасности. При взаимодействии с кислородом и парами влаги в атмосфере натрий будет связан в стойкие химические соединения, которые останутся на территории станции, а не разлетятся по округе, распространяя радиоактивное загрязнение.
Россия впереди планеты всей
Несмотря на многочисленные попытки самых разных стран, только Россия и в частности Росатом обладает полноценным коммерческим вариантом реактора на быстрых нейтронах.
Ведь даже у французов (с их перспективной разработкой «реактор Феникс») так и не получилось разобраться с проблемой периодического срабатывания систем защиты, и они остановили проект в 2010 году.
Также японцы тестировали свой вариант — реактор «Мондзю», но после череды аварий приняли решение его разобрать.
Индийцы тоже хотели создать собственный реактор на быстрых нейтронах, но ничего не получилось.
В России же идет плавное развитие технологии, и уже активно ведутся работы над проектом быстрого реактора БН-1200, в котором в качестве теплоносителя используется расплавленный свинец. По плану он будет запущен в полноценную эксплуатацию уже к 2030 году.
Получается, что Россия — единственная страна, которая может сделать атомную энергетику действительно эффективной и по-настоящему безопасной за счет уникальной разработки — реактора на быстрых нейтронах.