Так уж повелось, – причём в этом плане солидарны оказались и фантасты и футурологи, – атомные электростанции не включаются в картины «светлого будущего». Равным образом, как, кстати, и будущего апокалиптического, – неизменно предполагается что цивилизация погибнет от чего-то другого. Оптимизм по поводу перспектив использования ядерной энергии, лучившийся со страниц в шестидесятых, – когда первые станции строились, – быстро сменился обеспокоенностью, поскольку встала проблема хранения ядерных отходов…
Актуальность по мере развития ядерных технологий эта проблема утратила уже к восьмидесятым, и скоро оказалась забытой. Но тут начались аварии. И разгорелась дискуссия по вопросу, нужен ли человечеству мирный атом вообще. Выводы, в основном, делались для атома неутешительные, однако… С 2013 года количество действующих энергоблоков, – на фоне торжества «зелёной повестки» в мировом масштабе, – до этого два десятилетия не менявшееся, вновь начало быстро расти. Оказалось, что без АЭС обойтись, всё-таки, не получится.
...И тут стоит вспомнить старый анекдот, – сейчас его редко можно услышать, хотя и случается, – «по прогнозам учёных запасов нефти и газа хватит только на тридцать лет». Ироничным здесь является то, что впервые такие прогнозы появились более полутора веков (sic) назад, и долгое время принимались на веру, вплоть до попыток наладить производства синтетической нефти и автомобилей на газовых генераторах в СССР, – ведь же нефть скоро закончится… Вспомнить же этот анекдот (юмор в том, что геологи каждый раз говорили об уже разведанных и доступных на актуальном уровне развития добывающих технологий запасах), стоит потому, что таков же прогноз в середине прошлого века был и по запасам урана. Считалось, что они невелики, – хватит разве что бомб наделать, – вкладываясь же в атомную энергетику следует сразу иметь ввиду замкнутый цикл. Только в таком случае тяжёлые металлы обеспечат человечество энергией на тысячелетия. Или как минимум на пару веков, при условии экспоненциального роста потребления.
«Замкнутый цикл» подразумевает использование в качестве ядерного горючего не урана-235, которого всего 0.7% в естественной смеси изотопов урана, – да ещё и извлечь эти крохи очень непросто, – а плутония-239. Ядерное горючее тем и отличается от любого другого, что самовоспроизводится при сжигании. Оказавшийся в зоне цепной реакции ядра основного – 238 – изотопа урана, захватив нейтрон, претерпевают бета-распад, превращаясь в «цепной» 239 изотоп плутония. К аналогичной метаморфозе способно и ядро 90 элемента – тория. Нейтронное облучение превращает этот металл в ядерное горючее – уран-233. Таким образом, ядерная энергетика, не в ущерб получению энергии, может производить горючее для себя, – пока уран и торий вообще не кончатся…
А они – не кончатся. Что урана и тория на планете мало казалось только пока их никто не искал. При ближайшем же рассмотрении выяснилось, что урана столько же, сколько свинца, а тория – ещё больше. Это не дефицитные элементы, и думать об их экономии не приходится.
...И по этой, в частности, причине с замкнутым циклом – не срослось. Развитие технологий добычи и обогащения привело к тому, что экономически целесообразнее оказалось использовать уран-235, чем возиться с переработкой плутония. Это и сейчас так, хотя все технические проблемы решены. Недавно в России заработал первый промышленный реактор на плутонии, – БН-800. Заработал, но, несмотря на то что плутоний – сырьё «даровое», – энергия получаемая при его использовании всё ещё на 40% дороже, чем в случае использования обогащённого урана.
...И здесь, наконец, уже можно перейти к сути. Проблема-то в чём?.. Выше сказано в чём. Наработанный в реакторе плутоний надо извлекать, перерабатывать, – а он изобретательно этому сопротивляется, – смешивать с ураном-238, снова загружать в ТВЭЛы… А зачем? Если в реакторе нарабатывается ядерное горючее, пусть оно там сразу и горит.
Собственно, так – это сразу стало ясно, – и должен выглядеть идеальный реактор. В него загружается не обогащённый уран, после чего реакция разжигается (реализуемо, тяжеловодные реакторы не требуют обогащения урана), по мере расходования уран-235 с коэффициентом 1:1 переходит в плутоний (реализуемо, реакторы на быстрых нейтронах могут иметь коэффициент размножения до 5:8), после чего в реакторе, превращая уран-238 с коэффициентом 1:1 в себя, горит уже плутоний (и это реализовано в БН-800).
Идеал называется «реактором на бегущей волне». Запустив реакцию по описанной выше схеме, не заправлять топливом такую установку, – и, соответственно, не извлекать отходы, – можно целый век. Да и потом извлекать ничего не потребуется. За это время под градом нейтронов топливо прогорит до стабильных ядер железа и свинца, сам же реактор устареет в такой мере, что его, как памятник технической мысли, охотно возьмёт под охрану ЮНЕСКО. А значит дальнейшая судьба сооружения перестанет быть проблемой ядерной отрасли.
Почему идеал остаётся недостижимым должно быть, в принципе, уже ясно из вышеизложенного. Во-первых, хотя все проблемы преодолимы, для их преодоления, как легко видеть, требуется три разных реактора. В тяжеловодном, – вообще, в любом «урановом», – не будет гореть плутоний, ибо в цепную реакцию его ядра включаются в других условиях. А коэффициент размножения выше 3:2 достижим только для реакторов на быстрых нейтронах, требующих топлива с очень высоким обогащением.
Во-вторых, перезагрузка ТВЭЛов требуется не только из-за выгорания топлива, но и потому что ограничен срок службы самих ТВЭЛ, работающих в условиях колоссальных радиационных, тепловых и химических нагрузок. И данный момент даже более принципиален, чем предыдущий. С конструкцией реактора «три в одном» как-то извернуться можно, – и не так ещё изворачивались. Но единственный способ решения проблемы износа ТВЭЛ, – вообще обойтись без них.
Реактор на бегущей волне может быть только гомогенным. Таким, в котором топливо, замедлитель, поглотитель и теплоноситель представляют однородную смесь. По мере «горения» эта смесь, конечно, будет менять свойства, увеличиваясь в объёме, поскольку тяжёлые элементы переходят в лёгкие, менее плотные… Там начнётся ужасная, непредсказуемая химия, так как продукты распада, – вся таблица Менделеева, кроме шуток, – вступят в реакции друг с другом… Там начнутся трудопредставимые ядерные процессы, так как одни изотопы начнут нейтроны поглощать, а другие замедлять… Но всё это, в принципе, преодолимо. И даже, отчасти, преодолено.
В качестве действующей модели гомогенного реактора можно рассматривать российский «Аргус», представляющий собой 22 литровый бак из нержавейки, заполненный водой, в которой растворено 2 килограмма обогащённого до 90% уранилсульфата. Заправки хватает на 50 лет, а продукты распада удаляются из активной зоны сами, образуя осадок на дне ёмкости. Хотя, нужно иногда подливать воду.
В качестве энергетической установки, и даже её прообраза, требующий чрезвычайно дорогостоящего топлива и развивающий мощность всего 20 кВт «Аргус», едва ли можно рассматривать. Но, являясь по назначению размножителем, он окупает себя благодаря производству ценных изотопов. А значит, «жидкий реактор», теоретически, можно перенастроить на «замкнутый цикл», то есть на производство из урана или тория ядерного горючего для себя же.
Низкая мощность тоже вполне поправимое дело. Просто воды потребуется намного больше, - целая цистерна, а лучше бассейн.
