Недавно в СМИ прошла новость о важном событии в мировой ядерной энергетике. Что же произошло? А ничего особенного, просто в сентябре 2022-го года один из двух существующих в мире промышленных ядерных реакторов на быстрых нейтронах БН-800 полностью перешёл на работу на продуктах, остающихся от работы классических атомных станций и отходов обогатительных производств — произошло т.н. замыкание ядерного цикла. И весьма примечательно, что оба вышеупомянутых промышленных реактора расположены в России.
В качестве топлива в реакторе БН-800 используется т.н. МОКС-топливо (смесь диоксидов урана и плутония).
МОКС-топливо (англ. MOX — Mixed-Oxide fuel) — ядерное топливо, содержащее несколько видов оксидов делящихся материалов. В нашем случае это двуокись плутония-239 и двуокись урана-238.
В других странах, имевших или имеющих реакторы на быстрых нейтронах, подобный режим либо так и не смогли запустить, либо отказались от него из-за различных нерешённых технических или финансовых проблем (например, в Японии, Франции или США), либо запустят его только в будущем, как это собирается сделать, например, Китай и Индия.
И да, это знаковое событие произошло в нашей «отсталой» стране «не имеющей своих технологий» с «убитой наукой и промышленностью», как говорят наши всёпропальщики, естественно, радостно поощряемые нашими заграничными конкурентами. И это несмотря на перерывы в работе над этим проектом.
Проект энергоблока БН-800 был разработан ещё в 1983 году, но дважды пересматривался — в 1987 году после аварии на Чернобыльской АЭС и в 1993 году в соответствии с новой нормативной документацией по безопасности. В 1994 году проект прошёл все необходимые экспертизы и согласования и только в 1997 году была получена лицензия на сооружение реактора.
Реактор был построен и его вывод на минимальную контролируемую мощность произошёл в 2014 году, а в 2015 году энергоблок был включён в энергосистему Урала. Тогда в нём использовалось урановое топливо, которое к 2022 году полностью заменено МОКС-топливом.
Справедливости ради, во многих отраслях у нас действительно пока отставание, кое-где даже очень серьёзное. Например, в той же самой микроэлектронике. Действительно, собственных технологий там в процентном отношении не так много. Да и микроэлектронных производств у нас явно недостаточно.
Да что там говорить, даже универсальные микропроцессоры для компьютеров мы печатали на Тайване, производя у себя только процессоры специального назначения и контроллеры, которым достаточно технологических норм 90 нм или толще. Правда, по таким технологическим нормам в мире производится больше половины всего рынка микросхем, но хотелось бы и на топовый уровень выйти :-)
И в настоящее время в России прикладываются большие усилия, чтобы наверстать своё отставание в этой отрасли.
А вот в разработке и строительстве реакторов мы действительно достигли и сохраняем лидерство в мире. И теперь нашим злопыхателям приходится выдумывать что-то другое, например, что атомные станции, якобы, настолько опасны, что от ядерной энергетики нам следует отказаться совсем. Или даже что переработка отработанного ядерного топлива опасна, и его лучше, внимание, захоранивать! Умиляет, однако.
Хитрым США (имеющим большой парк устаревших АЭС, многие из которых уже нужно закрывать по объективным причинам), такую аферу почти полностью удалось провернуть с Европой, чтобы и самим не обидно было, и чтобы впоследствии иметь рынок сбыта своего сжиженного газа, к чему они всегда и стремились. Лавры мировой бензоколонки давно не давали им покоя )))
И подсаженная на «зелёную повестку» Европа, конечно, радостно принялась полностью закрывать свои атомные станции вместо того, чтобы их совершенствовать, планово меняя устаревающие энергоблоки на новые постфукусимского поколения. Правда, сейчас процесс притормозился по понятным причинам, да и Франция не спешит сдавать свои позиции.
В общем, реактором БН-800 в России на черновую реализовали пресловутый «замкнутый ядерный цикл». На самом деле, это название не совсем корректное, потому что в целом цикл не может быть абсолютно замкнутым, хотя некоторое очень полезное кольцо внутри цикла, несомненно, присутствует. Ниже я постараюсь описать его максимально просто, но по возможности ёмко.
Как ядерная реакция вырабатывает электричество
Ядерное топливо — это материал, который наподобие обычных дров может поддерживать собственное «горение», только это не горение, а самоподдерживающееся, самовоспроизводящееся расщепление ядер, цепная ядерная реакция с выделением тепла.
Цепная ядерная реакция – самоподдерживающая реакция деления тяжелых ядер, в которой непрерывно воспроизводятся нейтроны, делящие все новые и новые ядра.
Фрагмент цепной реакции, а именно, деление ядра урана, можно визуально представить следующим образом.
Ядро урана, поглотившее нейтрон, находится в возбужденном нестабильном состоянии и подобно капле ртути при толчке начинает колебаться, изменяя свою форму. Если энергия возбуждения оказывается больше энергии связи, то за счет кулоновских сил ядро разрывается на две части (например, криптон и барий, или другие элементы из набора 300 изотопов, в основном с атомными весами, варьирующими вокруг 95 и 139), которые разлетятся в противоположные стороны, и это сопровождается ещё высвобождением из разорванного ядра двух, а иногда и трёх нейтронов, которые также разлетаются, в свою очередь поглощаясь соседними ядрами, и цикл повторяется.
Надо сказать, что при делении ядер вылетающие нейтроны обладают слишком высокими энергиями (т.н. «быстрые» нейтроны), что препятствует их максимально эффективному поглощению ядрами урана-235, использующемуся в классических реакторах, поэтому для устойчивого воспроизводства цепной реакции их специально замедляют, пропуская сквозь воду, превращая в медленные «тепловые» нейтроны, энергия которых близка к энергии теплового состояния с окружающей среды. Такие нейтроны уже довольно эффективно взаимодействуют с ядрами урана-235.
А откуда же в цепной реакции берётся электричество? А оно берётся не в цепной реакции, а после.
Цепная реакция сопровождается выделением огромной энергии в виде кинетической энергии осколков ядер, энергии гамма-квантов и энергии вторичных нейтронов. При торможении осколков кинетическая энергия превращается в тепло, которое и используется для превращения циркулирующего возле реактора теплоносителя в пар, который в свою очередь и раскручивает турбину генератора.
Да, именно так. И когда я в детстве впервые об этом узнал, я был сильно разочарован... Я-то думал, что цепная реакция как-то сама рождает поток электронов... ну и т.д. Но нет, суровая правда жизни — атомная станция это всего лишь большая паровая машина! )))
Что за уран работает в классическом реакторе?
Двигаемся дальше. У природного урана есть три стабильных изотопа (238, 235 и 234). Атомы изотопов одного и того же вещества отличаются друг от друга количеством нейтронов в ядре и, как следствие, разным атомным весом. Изотопы помечают массовыми числами (суммарным количеством нейтронов и протонов в ядре).
Больше всего в природе изотопа урана-238 — 99,2742%. Изотопа 235 всего 0,7204%, а об изотопе 234 и говорить нечего, его вообще 0,0054%.
Так вот, изотоп урана-238 практически не делится в классических реакторах на медленных (т.н. тепловых) нейтронах. Но в таких реакторах особенно хорошо делится и поддерживает цепную реакцию деления уран-235 (из 0,7204% которого после процесса разделения изотопов по факту остаётся вообще только около 0,5% от всего переработанного урана, оставшиеся проценты уходит в отвал). То есть, полезного изотопа урана очень мало среди всего урана.
Уран-235 делится и быстрыми нейтронами, но наиболее эффективно он это делает именно под воздействием «медленных» нейтронов, для чего их в реакторах специально замедляют водой.
Так как цепная реакция урана-235 слишком интенсивная (фактически взрывная), в реакторах сжигают не чистый уран-235, а смесь урана-235 с ураном-238 (т.н. обогащённый уран, то есть уран, в котором доля изотопа 235 выше, чем у природного). В такой смеси часть нейтронов, выделяющихся при делении ядер изотопа 235, уходит не на деление следующих ядер, а тихо поглощается небольшой частью ядер изотопа 238, что снижает интенсивность реакции.
При поглощении нейтрона изотоп урана-238 не делится, а превращается в β-радиоактивный изотоп урана-239, затем в изотоп нептуния-239, а затем и в плутоний-239.
Таким образом, в реакторах из некоторой части изотопа урана-238 нарабатывается небольшое количество плутнония-239. Примечательно, что плутоний-239 тоже может делиться и поддерживать цепную реакцию, как и уран-235. Пока просто запомним это.
Замечу, что обогащённый уран содержится в таблетках тепловыделяющих элементов не в чистом виде, а в виде диоксида, обладающего некоторыми дополнительными удобными для использования характеристиками.
После сжигания в реакторе отработанное ядерное топливо (большая доля которого приходится на уран-238), более неспособно эффективно поддерживать цепную реакцию, но, в отличие от свежего, имеет повышенную радиоактивность за счёт содержания большого количества продуктов деления и его, как правило, захоранивают, а при наличии у страны соответствующих технологий, перерабатывают. Напомню, что Россия такими технологиями обладает.
Зачем нужны быстрые нейтроны?
Незамедленные специально, то есть «быстрые» нейтроны высоких энергий могут поддерживать ядерную реакцию в изотопе урана-238, которого в природе намного больше урана-235 (цепная реакция которого поддерживается только медленными нейтронами). Также быстрые нейтроны эффективно работают в цепной реакции деления изотопа плутония-239.
Чтобы описать вероятность деления изотопа, в ядерной физике используют понятие «сечение деления». На графике ниже видно, как вероятность деления того или иного изотопа зависит от энергии нейтрона. Видно, что уран-238 действительно делится только при высоких энергиях, уран-235 эффективнее делится при низких энергиях, а плутоний-239 более-менее одинаково делится в любых случаях:
Главная же особенность быстрых нейтронов состоит в том, что они разбивают также изотопы тяжёлых элементов, с которыми не справляются тепловые (низкоэнергетичные) нейтроны, а таких элементов достаточно в отработанном ядерном топливе.
Исходя из этого, можно построить реактор на быстрых нейтронах, в котором использовать и плутоний-239, нарабатывающийся в классических реакторах, и уран-238, тоже остающийся после работы классических реакторов в виде основной составной массы отработанного ядерного топлива.
Так и сделано в российском реакторе на быстрых нейтронах БН-800. Он использует в активной зоне в качестве МОКС-топлива смесь из диоксида плутония-239 и диоксида урана-238. При этом активная зона окружена зоной воспроизведения (бланкетом). В бланкете расположены сборки из обедненного диоксида урана-238.
Под действием нейтронов, вылетающих из активной зоны и замедляющихся, уран-238 в бланкете превращается в плутоний-239, который снова станет составной частью МОКС-топлива. Что касается урана-238, являющегося частью МОКС-топлива, то под бомбёжкой быстрых нейтронов он наряду с плутонием-239 тоже частично принимает участие в основной цепной реакции, а частично превращается в тот-же плутоний-239.
Примечательно, что при течении в активной зоне цепной реакции деления плутония-239, образующихся нейтронов хватает для наработки из урана-238 бо́льшего количества плутония, чем его сжигается в активной зоне. Таким образом, для функционирования реактора нам достаточно урана-238, которого полно как в природе, так и в имеющимся отработанном ядерном топливе, из которого и воспроизводится плутоний-239. Таким образом БН-800 вполне может работать на отработанном уране-238, превращая его для этого в плутоний-239.
Вывод
Реактор БН-800 не является конечной целью разработок. Это всего лишь важный этап на пути к максимально эффективному замыканию ядерного цикла. Ещё многое нужно отработать и довести до ума, улучшить некоторые важные характеристики, в том числе и экономические.
В настоящее время в России уже ведётся работа над новым реактором на быстрых нейтронах БН-1200М а также ещё над несколькими реакторами разных типов. Однако запуск реактора БН-800 полностью на МОКС-топливе является важным этапом идущих сегодня работ.
На сегодня всё. Ставьте нравлики и подписывайтесь на мой канал. Если вы нашли ошибки в моей статье, обязательно укажите на них в комментариях. Хотя тема мне отчасти и близка, но я не являюсь специалистом в этой области, и могу что-то написать не совсем корректно. Также делитесь своими соображениями на тему ядерных технологий. Удачи! :-)