В шаге от безотходной ядерной энергетики

В чём смысл замыкания ЯТЦ

Разберём, в чём же уникальность этого энергоблока.

Аббревиатура БН-800 обозначает «быстрый, натриевый, мощностью 800 МВт». В реакторе используется цепная реакция на основе так называемых быстрых высокоэнергетических нейтронов, а в качестве теплоносителя используется жидкий натрий. Использование натрия связано с его низкой поглощающей способностью по отношению к нейтронам, в отличие от воды, у которой эта характеристика очень высока.

Абсолютное большинство АЭС в мире имеют реакторы на тепловых низкоэнергетических нейтронах, а в качестве теплоносителя используют воду. Для их работы требуется уран-238, обогащённый изотопом урана-235. Ресурсная база урана-235 весьма быстро истощается, и через 20–30 лет он станет очень большим дефицитом. Где выход? Выход – в использовании реакторов на быстрых нейтронах, которые в качестве топлива могут потреблять природный уран, торий (которых в недрах планеты очень много), а также отработанное ядерное топливо от реакторов с тепловыми нейтронами. Главная особенность реакторов на быстрых нейтронах состоит в том, что в них сгорают изотопы тяжёлых элементов, которые не делятся в реакторах на тепловых нейтронах. Быстрые нейтроны их буквально разбивают.

Теперь определим, какой смыл заложен в замыкании топливного ядерного цикла. В отработанном ядерном топливе от энергоблоков на тепловых нейтронах помимо несгоревших остатков урана-235 и урана-238 находятся так называемые актиноиды – плутоний, нептуний, америций, кюрий, а также изотопы палладия, технеция, стронция, цезия и других химических элементов. Многие из актиноидов (к примеру, америций) обладают высокой удельной радиоактивностью и периодом полураспада в несколько столетий. Что с ними делать? Пока отработанное ядерное топливо выдерживают несколько десятилетий в специальных охлаждаемых хранилищах (что очень затратно), а потом захоранивают в ядерных могильниках (что тоже недёшево и очень опасно). Однако отработанное ядерное топливо в смеси с оксидом природного урана и другими компонентами можно использовать в качестве топлива для реактора на быстрых нейтронах. Причём в качестве отходов этого реактора получается плутоний-239, который можно использовать в качестве компонента топлива на реакторах с тепловыми нейтронами. А наиболее опасные актиноиды превращаются в менее опасные продукты деления. Также на БН-800 можно использовать в качестве компонентов топлива оружейный плутоний и так называемый отвальный уран, оставшийся после обогащения ядерного топлива ураном-235.

В идеале реактор на быстрых нейтронах одновременно должен быть почти «всеядным» реактором, фабрикой для наработки топлива для АЭС на тепловых нейтронах и уничтожителем радиоактивных отходов.

История гонок на быстрых нейтронах

Уникальность быстрых нейтронов осознали ещё на заре атомной энергетики, и уже в 1950-е годы для отработки соответствующих технологий появились первые экспериментальные реакторы. В начале 1960-х годов достижение уже промышленных технологий казалось задачей самого ближайшего будущего. Теоретические основы физики такого типа реакторов просматривались как на ладони, и целая группа стран устроила неформальную гонку. Гнались за наработкой оружейного плутония и за вполне мирной целью – электроэнергией на дешёвом природном уране-238 или тории-232.
Если в военной области реакторы на быстрых нейтронах были созданы в короткие сроки, то с мирной энергетикой дело не заладилось. Американцы свой проект реактора «Клинч Ривер» (The Clinch River Breeder Reactor, (CRBRP)) мощностью 380 МВт анонсировали в 1970 году. В 1971 году президент США Ричард Никсон назвал эту технологию одним из высших приоритетов для научно-исследовательских работ страны. Первоначальная стоимость проекта оценивалась в 400 млн долларов. Однако в 1983 году из-за различных финансовых злоупотреблений «Клинч Ривер» был закрыт. К этому времени его стоимость оценивалась уже в 8 млрд долларов, причём предела роста расходов в обозримом будущем видно не было. Правительство благоразумно закрыло сию научно-техническую профанацию, справедливо посчитав, что она не имеет ни малейшего шанса на выход практически применимых и окупаемых технологий.

Японский реактор «Мондзю» с самого начала преследовали неудачи. В 1995 году на нём после утечки 640 килограммов металлического натрия произошёл грандиозный пожар. Когда после 14-летнего перерыва его вновь пытались запустить в работу, при перегрузке топлива в корпус реактора разрушился очень важный узел загрузочной машины. Сейчас финансирование реактора не производится и судьба его неизвестна.

Единственной страной кроме России, сумевшей запустить реактор на быстрых нейтронах промышленной мощности, оказалась Франция. Реактор «Феникс» был подключён к сети в 1973 году. За время эксплуатации зафиксировано четыре случая внезапного резкого снижения реактивности реактора, то есть нарушения цепной реакции. Выяснить физику этого явления не удалось, что стало одной из причин отказа Франции от дальнейшего развития направления быстрых реакторов. Другой причиной стала невозможность получить от «Феникса» хоть какую-то экономическую эффективность. В 2010 году проект был окончательно закрыт.

Сейчас в мире действует около десятка экспериментальных реакторов на быстрых нейтронах мощностью не более 20 МВт. Ближе всех к России пока подошла Индия, планирующая пуск своего демонстрационного энергетического реактора PFBR-500.

Кто нас догонит?

Первые быстрые реакторы в нашей стране использовались для наработки плутония, который после обогащения превращался в компонент атомной бомбы. Последний реактор для этих целей располагался в Железногорске и был закрыт в 2012 году. А мирное применение быстрых нейтронов в ядерной энергетике впервые реализовали в СССР на реакторе БН-350 на Шевченковской АЭС. Состоящая из одного энергоблока, эта станция мощностью 350 МВт располагалась на полуострове Мангышлак вблизи г. Шевченко (ныне Актау, Казахстан). Кроме выработки электроэнергии в тандеме с реактором работала опреснительная установка, дававшая расположенному в пустыне городу 120 тысяч кубометров воды в сутки. На момент эксплуатации БН-350 был единственной атомной опреснительной установкой в мире. Он отработал с 1972 по 1999 год, затем был выведен из эксплуатации.

Вторым промышленным энергоблоком стал БН-600 (Белоярская АЭС), запущенный в 1980 году, который прибыльно и безаварийно работает до сих пор. На сегодня Россия является единственной страной, имеющей в промышленной эксплуатации два энергоблока на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем.

На нашем пути трудностей тоже хватало. К примеру, как и у японцев, в 2014 году на БН-800 был сломан узел загрузочной машины, затем в процессе загрузки топлива обнаружились конструкционные недочёты элементов крепления на тепловыделяющих сборках. И всё же проект полностью довели до ума.

В чисто технологическом плане в создании и эксплуатации реакторов на быстрых нейтронах США, Франция, Индия, Китай, Япония, Южная Корея и все остальные страны, имеющие отношение к ядерной энергетике, отстали от России на много лет. И не факт, что вообще когда-то догонят. Технологии промышленного реактора на быстрых нейтронах невозможно воспроизвести, зная лишь физику происходящих в нём процессов.

Чем БН-800 отличается от БН-600

Отличий здесь куда больше, чем у мерседеса и запорожца. Если БН-600 является площадкой для использования некоторых экспериментальных видов топлива, то БН-800 предполагает переход к практически безотходной ядерной энергетике и возможность широкого расширения топливной базы.

Предполагается, что на нём будут отработаны промышленные технологии переработки облучённого топлива и изготовление из него новых тепловыделяющих элементов (технология рециклинга). Решение этих проблем позволит увеличить эффективность использования топлива в десятки раз и во столько же уменьшить количество радиоактивных отходов. Это также позволит практически до бесконечности продлевать ресурсную базу для АЭС.

Чем ещё уникален новый блок?

БН-800 уникален и тем, что имеет только ему свойственный метод самозащиты. При отклонении от нормального режима работы реактор сам останавливает ядерную реакцию. Это происходит из-за того, что в основу некоторых элементов защиты заложены естественные законы природы – к примеру, сила тяжести опустит стержни-замедлители, даже если система защиты не получит команду от человека или автоматики. В корпусе реактора отсутствует высокое давление (оно всего лишь чуть выше обычного атмосферного), а сам корпус состоит из двух (основного и страховочного) защищённых объёмов, вложенных друг в друга по принципу матрёшки. К тому же реактор имеет интегральную компоновку: всё оборудование первого контура, подвергающееся радиационному воздействию, заключено внутрь его корпуса.

В отличие от российских реакторов на тепловых нейтронах типа РБМК и ВВЭР, использующих в качестве теплоносителя воду, на БН-800 в качестве теплоносителя, как уже упоминалось, используется жидкий натрий. Его большая теплоёмкость и большой температурный запас в течение нескольких суток не позволят реактору перегреться, даже если он останется вообще без охлаждения. В случае с водой перегрев наступает за считаные часы.

Кстати, количество циркулирующего в энергоблоке жидкого натрия просто огромно – 2000 тонн, то есть примерно 45 железнодорожных цистерн.

Так АЗС или АЭС?

В заключение – несколько мыслей на тему высказывания президента США Обамы, что Россия – это всего лишь большая страна-бензоколонка.

БН-800 ̶ прекрасный повод указать Америке место в высоких технологиях, которое она занимает относительно нашей страны. Владимир Путин в октябре этого года подписал указ о приостановке соглашения с США об утилизации оружейного плутония, имея в виду два аспекта. Политический – это санкции против России, и технологический – США не способны перерабатывать оружейный плутоний в топливо для АЭС. У Америки нет энергоблоков на быстрых нейтронах и нет соответствующих технологий переработки. И возможно, никогда не будет.

При подготовке статьи использованы материалы АО «Концерн Росэнергоатом»