Быстрый реактор для атомной энергетики будущего
МБИР (многоцелевой быстрый исследовательский реактор) – это новый научно-исследовательский реактор на быстрых нейтронах, сооружаемый госкорпорацией «Росатом» в г. Димитровграде (Ульяновская область) на площадке ГНЦ НИИАР. Его физический пуск запланирован на 2027 год, а в 2028-м МБИР начнёт выдавать электроэнергию на площадку и приступить к опытно-экспериментальной программе. Данный реактор станет ключевым звеном инфраструктуры для развития ядерных технологий будущего на ближайшие 50 лет. Он необходим для ускоренных испытаний новых видов ядерного топлива, материалов и технологий, требуемых для запуска промышленных реакторов IV поколения и замыкания ядерного топливного цикла – то есть многоразового использования ядерного топлива и существенного снижения радиоактивных отходов. Благодаря уникальным характеристикам МБИР позволит решать широкий спектр научных задач по созданию новых безопасных и конкурентоспособных атомных установок, включая реакторы на быстрых нейтронах с замкнутым топливным циклом. Проект реализуется с 2015 года в рамках федеральной программы развития атомной науки и технологий, и ведётся при участии ведущих научных организаций России (НИИАР, НИКИЭТ, ФЭИ и др.).
Рекордная мощность и трехконтурная схема
МБИР станет самым мощным исследовательским реактором на быстрых нейтронах в мире: его тепловая мощность составляет 150 МВт (электрическая – около 50–55 МВт). Для сравнения, это в 2,5 раза больше мощности ныне работающего в НИИАР опытного быстрого реактора БОР-60 (≈60 МВт тепловых), который эксплуатируется с 1969 года. Высокая мощность и интенсивность реактора позволят МБИР производить некоторое количество электроэнергии и тепла для нужд НИИАР и города Димитровграда – в состав установки входит паротурбинный генератор, подключённый к третьему контуру. Реакторная установка имеет три контура охлаждения: два первых – на жидком натрии (первичный и вторичный натриевые контуры), и третий – пароводяной контур. Натрий служит теплоносителем в активной зоне, благодаря чему МБИР – это натриево-охлаждаемый реактор без использования воды под давлением в зоне деления топлива. Третий контур через натриевый теплообменник приводит в действие паровую турбину и генератор, что не только даёт энергию, но и позволяет отрабатывать в реальных условиях связку «быстрый реактор + энергоблок» для будущих установок.
Сверхвысокий нейтронный поток и ускорение экспериментов
Главное преимущество МБИР – сверхвысокая плотность потока быстрых нейтронов в активной зоне. По расчетам, нейтронный поток превысит 5·10^15 нейтронов/см^2·с – это примерно вдвое больше, чем у действующего БОР-60. Такой интенсивный поток означает, что образцы топлива и материалов будут облучаться гораздо сильнее за единицу времени. Это позволит в несколько раз сократить длительность экспериментов по ресурсным и радиационным испытаниям новых материалов. Например, достижение уровня радиационного повреждения ~180–200 dpa (смещений на атом) в реакторе БОР-60 требует около 10 лет непрерывного облучения, тогда как в МБИР тот же эффект накопится примерно за 6 лет. Таким образом, цикл исследований прочности и стойкости материалов для реакторостроения существенно ускорится. Более высокая доза нейтронного облучения за короткое время означает, что ученые смогут быстрее проверять работоспособность конструкционных сплавов, поглощающих материалов, покрытий твэлов и других инновационных решений для новых типов реакторов. МБИР фактически заменит собой БОР-60 (который планируется окончательно остановить после ввода нового реактора), обеспечив исследователей более мощным инструментом для материаловедческих работ.
Испытание топлива IV поколения и замкнутого топливного цикла
Основное предназначение МБИР – проведение масштабных реакторных испытаний инновационных видов топлива и реакторных технологий IV поколения. В частности, речь идет о перспективах новых быстрых реакторов, способных эффективно использовать переработанное ядерное топливо (плутоний и минорные актиниды) и замыкать топливный цикл. На базе МБИР будут исследоваться макеты тепловыделяющих сборок (ТВС) будущих реакторов – как быстрых, так и малых/modular реакторов теплового спектра – с целью проверки их поведения под интенсивным облучением. Реактор будет работать на смешанном уран-плутониевом оксидном топливе (МОКС) – аналогичном тому, что рассматривается для многих проектов Gen IV, – и это позволит отрабатывать технологии обращения с таким топливом и его многократного использования. В высокопоточной среде МБИР ученые смогут быстро выявлять, как ведет себя ядерное топливо нового типа при больших выгораниях, какие предельные нагрузки оно выдерживает, и как эффективно утилизируются долгоживущие актиниды при повторном цикле. Кроме того, МБИР откроет путь к отработке технологий замыкания топливного цикла – например, будет служить полигоном для испытаний топлива, изготовленного из переработанного ОЯТ (отработавшего ядерного топлива) и смешанных топливных композиций, включая добавление минорных актинидов. По словам заместителя гендиректора «Росатома» Юрия Оленина, на МБИР планируется расширенное изучение технологий двухкомпонентной атомной энергетики (сочетание тепловых и быстрых реакторов) и замыкания топливного цикла, а также обоснование создания безопасных реакторов IV поколения. Эти исследования призваны приблизить переход атомной энергетики к по-настоящему возобновляемому циклу использования ядерного топлива, при котором из отработанного топлива извлекаются и повторно используются ценные элементы, сводя к минимуму долгоживущие радиоактивные отходы.
Многоцелевые возможности: петлевые установки и эксперименты
МБИР – многоцелевой реактор, что отражено в его названии. Уникальная конструкция позволяет проводить разнообразные эксперименты как внутри активной зоны, так и во внешних облучательных контурах одновременно. В составе реактора предусмотрено несколько петлевых экспериментальных установок – специальных автономных каналов, проходящих через активную зону, внутри которых можно создать условия, отличающиеся от среды самого реактора. В эти петли можно заложить собственные теплоносители, макеты ТВС и регулировать температуру и поток нейтронов по нужному сценарию. Таким образом, в одном реакторе можно имитировать условия различных типов реакторов – например, газоохлаждаемых, свинцово-бизмутовых или даже перспективных реакторов с расплавами солей. МБИР способен испытывать новые варианты теплоносителей: помимо основного натрия, в петлевых каналах будут проводиться опыты с жидким свинцом и свинцово-бизмутовым эвтектиком, гелиевым (газовым) охлаждением и другими средами. Это позволит отработать материалы и оборудование для будущих реакторов разных типов – от натриевых бридеров до тяжёлых свинцовых и газовых реакторов. В петлях можно будет моделировать даже нештатные ситуации: например, исследовать последствия разгерметизации топливных элементов, взаимодействие материалов с альтернативными теплоносителями, или имитацию попадания воздуха в жидкий металл. Уникальная многозадачность МБИР заключается в том, что на одном реакторе одновременно смогут проводиться более десятка различных экспериментов, обслуживающих потребности разных организаций и направлений науки. Это резко повышает эффективность использования установки: исследования, которые раньше занимали годы на разных реакторах, теперь можно параллельно реализовать на одном комплексе.
Кроме того, часть специальных каналов МБИР предназначена для прикладных технологических целей. Например, вертикальные каналы реактора планируется использовать для нейтронного легирования кремния – облучения кремниевых слитков нейтронами с целью улучшения свойств полупроводников для электронной промышленности. Технология нейтронного допирования кремния востребована для производства мощных микросхем и электроники, и МБИР сможет облучать даже крупные кремниевые болванки, благодаря высокому потоку нейтронов. Горизонтальные каналы будут выводить пучки нейтронов за пределы активной зоны в экспериментальные залы, где установят лабораторные стенды и детекторы. Это даст возможность проводить фундаментальные исследования по нейтронной физике, материаловедению, радиационной биологии и другим направлениям, не извлекая образцы из реактора. Таким образом, МБИР объединит функции ядерного реактора и источника нейтронов для научных экспериментов, подобно установкам класса mega-science. Фактически, благодаря МБИР российские ученые (и их зарубежные коллеги) получат инфраструктуру, покрывающую весь спектр нейтронных исследований – совместно с недавно введенным реактором ПИК (высокопоточный исследовательский реактор на тепловых нейтронах Курчатовского института) он образует взаимодополняющий дуэт для научных работ на нейтронах разных энергий. Кроме исследований в интересах энергетики, на МБИР смогут выполняться эксперименты для смежных отраслей – от испытаний материалов и электроники для космических программ до наработки медицинских изотопов и радиобиологических исследований. Всё это делает МБИР по-настоящему многоцелевой установкой мирового уровня.
Ход строительства и международное сотрудничество
Строительство МБИР идёт высокими темпами с середины 2010-х годов. Фундамент реакторного комплекса был заложен в 2015 году, и к 2023 году основные сооружения – здание реактора, вспомогательные корпуса – были уже в высокой степени готовности. В январе 2023 года строители успешно установили на место корпус реактора МБИР длиной 12 м и диаметром 4 м (изготовленный на заводе «Атоммаш»), причём эта операция была выполнена на 8 месяцев раньше первоначального графика. Монтаж корпуса стал важным этапом, позволившим приступить к установке оборудования внутри шахты и возведению купола здания реактора. Общий объём бетонных работ превысит 220 тыс. кубометров, на строительстве занято около 2000 специалистов и более 100 единиц техники. Благодаря применению цифровых технологий и эффективной организации (консорциумная модель строительства), проект МБИР опережает график и ожидается, что в конце 2026 года может быть достигнута первая критичность (физпуск), хотя официально срок – 2027 год. Расчётный срок службы нового реактора – не менее 50 лет, что обеспечит научное сообщество современной экспериментальной базой на долгосрочную перспективу.
МБИР изначально задуман как международный проект. На его базе создаётся Международный центр исследований (МЦИ МБИР), призванный стать глобальной площадкой для экспериментов в области реакторных технологий. К сотрудничеству приглашаются страны и организации, заинтересованные в развитии быстрых реакторов и технологий замкнутого топливного цикла. Участие широкого круга зарубежных партнёров – от научно-исследовательских институтов до промышленных компаний – создаст синергетический эффект и ускорит прогресс в ядерной науке. Россия, обладая МБИР, упрочит свою роль мирового лидера в области реакторных исследований и компетенций по технологии быстрых нейтронов. Уже заключены соглашения о научном сотрудничестве с рядом стран (например, Вьетнам, Узбекистан и др.), и иностранные учёные будут проводить на МБИР собственные экспериментальные программы на основе двусторонних и многосторонних договорённостей. Таким образом, МБИР не только решает внутренние задачи развития российской атомной отрасли, но и становится частью мировой научной кооперации – своего рода «объект мегасайенс», открытый для глобального использования.
МБИР в мировом контексте
Создание МБИР выводит Россию на лидирующие позиции в области исследовательских реакторов на быстрых нейтронах. В мире лишь несколько стран располагают экспериментальными быстрыми реакторами, и ни один из них не обладает столь высокой мощностью и функциями, как МБИР. Действующий с 1978 года японский реактор JOYO (140 МВт тепловых) и китайский CEFR (China Experimental Fast Reactor, 65 МВт_тепл.) заметно уступают МБИР по мощности и плотности нейтронного потока. Индия эксплуатирует небольшой Быстрый опытный реактор FBTR (40 МВт_тепл.) с 1985 года, однако он также значительно слабее и старее новой российской установкиworld-nuclear.org. Что касается западных стран, то после остановки в 1990-х годах своих экспериментальных быстрых реакторов (таких как EBR-II в США или DFR в Великобритании) они долгое время не имели собственной быстрой исследовательской базы. В США лишь в 2010-х годах возник проект постройки нового универсального тестового реактора (Versatile Test Reactor, VTR) мощностью ~300 МВт_тепл., однако его финансирование было отменено в 2022 году. Евросоюз делает ставку на проект MYRRHA – это планируемый в Бельгии многоцелевой исследовательский комплекс с ускорителем и субкритическим реактором на смешанном свинцово-висмутовом охлаждении (~57 МВт_тепл.). Однако MYRRHA будет введена в строй лишь к середине 2030-х годов (полная эксплуатация ожидается около 2038 года), тогда как российский МБИР начнет работать уже в 2027–2028 гг. Таким образом, на ближайшее десятилетие МБИР не будет иметь аналогов по сочетанию возможностей. Он станет самым мощным действующим исследовательским реактором в мире, обеспечивая уникальные условия для испытаний топлива, материалов и технологий новых поколений. Международные партнеры рассматривают МБИР как мировую платформу для инноваций в атомной сфере, и участие в его экспериментах позволит разным странам продвигать собственные программы развития ядерной энергетики будущего.
Росатом, НИИАР, международные ядерные организации и профильные издания уже называют МБИР важнейшим элементом инфраструктуры для развития атомной энергетики в мире. Его успешное строительство и предстоящий пуск свидетельствуют о том, что технологии быстрых реакторов и замкнутого топливного цикла переходят от теории к практике. МБИР открывает широкие перспективы – от продления ресурса ядерного топлива и снижения накопления отходов до создания новых радиоизотопов и материалов – и тем самым демонстрирует, как научные инновации могут служить глобальным целям устойчивого развития энергетики.