Как-то раз мы с коллегами на кафедре обсуждали КПД разных электростанций. Один из них выдал отличную аналогию. Классическая АЭС похожа на человека, который покупает большое яблоко, откусывает от него один крошечный кусок сбоку, а всё остальное отправляет в мусорное ведро.
Эффект недоеденного яблока
Примерно так работает ядерная энергетика сегодня. Обычные реакторы на тепловых нейтронах сжигают в лучшем случае пару процентов изотопа урана-235. Оставшаяся масса — уран-238 и целая таблица Менделеева в виде плутония и других тяжелых элементов — превращается в отработавшее ядерное топливо, или ОЯТ. Это фонящий и горячий шлак.
С ним нужно что-то делать: охлаждать годами в специальных бассейнах, остекловывать, зарывать глубоко в геологические хранилища и надеяться, что контейнеры продержатся сотни тысяч лет. Мы оставляем после себя горы материала, который просто не смогли доесть.
Быстрые нейтроны и трансмутация
Проблему можно решить, если поменять саму физику процесса. Сейчас в городе Северске Томской области, на территории Сибирского химического комбината, строят первый в мире опытный энергокомплекс IV поколения. Стратегический проект носит название «Прорыв», а его сердце — реактор БРЕСТ-ОД-300.
Его главная особенность кроется в использовании быстрых нейтронов. В классическом реакторе нейтроны специально тормозят водой или графитом. Медленному нейтрону проще «зацепиться» за ядро урана-235 и запустить реакцию деления. Но если нейтрон не замедлять, он летит с огромной энергией. На таких скоростях он способен разбивать тяжелые изотопы из отработавшего топлива, которые в обычном реакторе просто копились бы как балласт.
Быстрые нейтроны заставляют этот ядерный мусор снова делиться и давать тепло. Получается замкнутый цикл: мы берем отходы, делаем из них новое топливо, загружаем в установку и снова получаем электроэнергию. БРЕСТ-ОД-300 буквально доедает то, что не смогли переварить станции предыдущих поколений.
Свинец в трубах
Физика на бумаге — это всегда красиво, но в реальности всё упирается в суровые законы материаловедения. Главная техническая боль проекта — это охлаждение.
В обычных реакторах тепло отводит вода. В БРЕСТ-ОД-300 вместо неё используют расплавленный свинец. С точки зрения ядерной безопасности это изящно: жидкий свинец не вступает в реакцию с водой или воздухом и не горит. Если произойдет непредвиденное обесточивание, теплоноситель просто постепенно остынет и застынет, намертво запечатав активную зону реактора.
Но для металлургов и проектировщиков жидкий металл — это постоянный повод для головной боли. Свинец сам по себе коррозионно активен. Горячий поток тяжелого металла, циркулирующий при температуре от 450 до 600 градусов по Цельсию, способен буквально растворять стальные трубы и оболочки топливных элементов.
Чтобы металл не «съел» установку изнутри, исследователям приходится филигранно настраивать химию процесса. Если поддерживать в свинцовом контуре строго выверенное количество кислорода, коррозионная активность падает: на стальных трубах образуется тонкая защитная оксидная пленка, спасающая металл.
Ошибёшься в меньшую сторону — теплоноситель начнет разрушать сталь. Переборщишь — контур рискует забиться шлаком из оксидов свинца и продуктов коррозии. Поиск этого тонкого инженерного баланса и испытания материалов прямо сейчас идут в лабораториях Урала и Сибири.
Не вечный двигатель
Иногда замкнутый цикл описывают так, будто инженеры придумали философский камень, который выдает электричество из ничего и не оставляет после себя грязных следов. Это не так.
БРЕСТ-ОД-300 не сможет уничтожить абсолютно всё. Радиоактивные отходы всё равно останутся, и их точно так же придётся отправлять на захоронение. Разница кроется в другом. В рамках проекта ученые пытаются достичь так называемой радиологической эквивалентности.
Выделяя из отработанного топлива самые «злые» и долгоживущие элементы — например, америций — и отправляя их обратно в топку на трансмутацию, можно кардинально сократить токсичность оставшегося шлака. Без этого процесса ядерный мусор оставался бы смертельно опасным сотни тысяч лет. В новой схеме срок опасности сокращается примерно до 300 лет. Спустя три века эти отходы будут фонить не сильнее, чем кусок природной урановой руды, который когда-то извлекли из шахты.
Чудес не бывает, и мы вряд ли когда-нибудь научимся получать энергию даром. Зато мы, кажется, постепенно учимся за собой убирать.
Интересно, в каких ещё отраслях нам предстоит понять, что лучший способ двигаться вперёд - это наконец-то научиться работать с тем, что мы уже когда-то выбросили?