Каждый слышал о пользе рециклинга – переработки бытовых и промышленных отходов. Но мало кто знает, что такой подход эффективен не только, когда встает вопрос, куда деть использованные пластиковые бутылки или старую одежду, но и в атомной энергетике.
Ядерный рециклинг – так называют вторичное использование отработавшего ядерного топлива (ОЯТ). Что такое ОЯТ? Урановое топливо, отработавшее необходимое время в реакторе, не «выгорает» до конца. Доля «выгоревшего» урана в современных водо-водяных реакторах (ВВЭР) не превышает 5%. Вместе с тем за время облучения в топливе накапливается значительное количество (до 1% от массы топлива) плутония. И оставшийся в ОЯТ уран, и накопившийся плутоний являются ядерными материалами, то есть способны вновь делиться в ядерном реакторе и выделять тепло, преобразуемое в электричество. Помимо урана и плутония отработавшее топливо содержит относительно небольшое количество радиоактивных продуктов называемых минорными актинидами.
Фактически ОЯТ – это ценный продукт, состоящий из смеси различных веществ, значительная часть которых может быть вновь использована. Это и есть ядерный рециклинг. Уран и плутоний идут на изготовление нового топлива.
По такому принципу работает замкнутый ядерный топливный цикл (ЗЯТЦ). Это процесс, в котором выгруженное из ядерного реактора ОЯТ перерабатывается для извлечения делящихся материалов и повторного изготовления из них ядерного топлива, которое затем вновь загружается. К примеру, реактор на быстрых нейтронах БН-800 Белоярской АЭС сегодня работает на смешанном оксидном уран-плутониевом топливе: оно содержит плутоний, который был извлечен при переработке облученных в реакторе ТВС реакторов ВВЭР.
Чтобы отправить отработавшее ядерное топливо с АЭС на предприятие для фабрикации и переработки, ему нужно дать «остыть». Это занимает время (удлиняет цикл) и приводит к большей потребности в плутонии, поэтому лучший вариант – если переработка будет вестись рядом с реактором. Эту концепцию будут тестировать в Северске (Томская область), на площадке Сибирского химического комбината (входит в состав Топливной компании Росатома «ТВЭЛ»), где реализуется проект «Прорыв».
В 2021 году там началось строительство энергоблока с реактором на быстрых нейтронах БРЕСТ-ОД-300. На одной площадке будут размещены реактор, модуль фабрикации-рефабрикации и модуль переработки. Работа здесь будет роботизирована, а минорные актиниды быстрый реактор будет сжигать.
БРЕСТ максимально защищен от аварий. Внутри него свинцовый теплоноситель, который при внештатной ситуации застынет, и нитридное СНУП-топливо, имеющее очень высокую температуру плавления. К тому же свинец поглощает нейтроны, поэтому в экстренном случае реактор можно просто законсервировать на площадке.
Быстрые реакторы большой мощности есть только в России. Но скоро такие установки появятся и в Китае, где на АЭС «Сяпу» в провинции Фуцзянь строят CFR-600. Это флагманский проект Поднебесной в области быстрой атомной энергетики. Строительство реактора началось в 2017 году. Его мощность – 1500 МВт тепловой и 600 МВт электрической энергии. Топливо для него поставляет Машиностроительный завод в Электростали, который входит в состав ТВЭЛа.
Во всем остальном мире реакторы преимущественно тепловые. Они работают только на чистом урановом топливе или на однократно переработанном. Но их тоже можно вовлечь в цепочку рециклинга, если использовать РЕМИКС-топливо, которое разработано российскими атомщиками. Его производят из регенерированных урана и плутония, извлеченных из отработавшего топлива. РЕМИКС-топливо планируется использовать в качестве одного из штатных видов топлива для новой линейки реакторов ВВЭР.
Российским РЕМИКС-топливом можно загружать 100% активной зоны реактора (к примеру, французским МОКСом только треть). После каждого цикла облучения топлива плутоний становится «хуже», но специалисты ТВЭЛа знают, как улучшить состав и обеспечить возможность многократного использования топлива, параллельно «сжигая» образующиеся при переработке ОЯТ минорные актиниды.
Это очень экономично. Ведь 80% стоимости сборки приходится на уран и обогащение, только 15% – на фабрикацию, 3% – на конверсию. Главное преимущество такого подхода – кардинальное снижение объемов и токсичности ядерных отходов. Все минорные актиниды будут «сжигать» в России в быстрых реакторах. Останется лишь «короткоживущая» фракция с периодом полураспада около 80 лет. Ее можно залить в боросиликатное стекло и поместить в приповерхностное хранилище, где со временем она станет полностью безопасной.
РЕМИКС-топливо производят на Сибирском химическом комбинате (входит в ТВЭЛ) в кооперации с Горно-химический комбинатом в Железногорске и уже используют на Балаковской АЭС. Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов имени академика А. А. Бочвара (тоже входит в ТВЭЛ) – главный технолог РЕМИКС-топлива, а также главный конструктор-технолог твэлов для таких топливных таблеток.
