Разгадан секрет бесконечно возобновляемого источника энергии: замкнутый ядерный топливный цикл

Специалист по атомной энергетике рассказал об основных эволюционных процессах в атомной отрасли

Люди будущего, возможно, перестанут добывать уран для атомных электростанций. Необходимость в этом отпадет в связи с появлением ядерной энергетики замкнутого цикла, при которой уже имеющееся природное вещество можно будет использовать повторно бессчетное количество раз. Когда это станет возможным, что уже сегодня делают атомщики для приближения светлого будущего, мы узнали, поговорив с советским и российским специалистом по безопасности ядерной энергетики, членом Совета Центра экологической политики России Валерием Меньщиковым.

Реактор БН-800

Уже сейчас действующие АЭС демонстрируют на порядки меньший удельный расход топлива, чем ТЭС, они не выделяют углекислый газ, а по эффективности значительно выигрывают у солнечной, ветряной генерации. Наша страна была первой, где появилась АЭС, которая была подключена к единой электроэнергетической сети в Обнинске в 1954 году.

В России 11 АЭС, включающих в свой состав 37 энергоблоков. Большинство из них сегодня – это реакторы с водой под давлением в качестве теплоносителя ВВЭР. Суммарная мощность всех атомных станций в России около 30 ГВт. Для сравнения: в Китае – более 50 ГВт, в США – 95 ГВт.

Но научная мысль идет дальше. Будущее ядерной энергетики (ЯЭ) – за замкнутым топливным циклом. Российские ученые давно и активно приближают наше будущее с самым безопасным и перспективным источником энергии. Давайте проследим за эволюцией ядерных реакторов и разберемся, что же нас ожидает впереди.

Реактор РИТМ-200

Сегодня мы топим «корой от деревьев»

Итак, сегодня мировая ЯЭ функционирует на тепловых (или медленных) нейтронах низких энергий, в которых используется только уран-235.

– Поскольку его в природе очень мало – около 1%, урановую руду с другим массовым числом (ураном-238) приходится долго обогащать до нужного уровня. Обогащение стоит дорого. А после отработавшее ядерное топливо (ОЯТ), в котором еще остается  около 95% «не сгоревшего» урана, перевозят на площадку долговременного хранения, – объясняет принцип обращения с ОЯТ Валерий Меньщиков.

Однако, используя только уран-235-й, энергетики, образно говоря, топят корой от деревьев, а саму древесину, которой большинство, выбрасывают. Подобный подход выглядит не слишком эффективно.

Решение вопроса – переход к замкнутому ядерному топливному циклу (ЗЯТЦ).

Церемония заливки первого бетона БРЕСТ-ОД-300

«Кому понадобятся залежи плутония через 25 тысяч лет?»

По мнению специалистов, ЗЯТЦ должен будет решить сразу несколько проблем современной ЯЭ: с хранением отработавшего ядерного топлива (ОЯТ), с сырьевым обеспечением и с безопасностью.

– Самый главный минус существующих реакторов –  в том, что после них накапливается ОЯТ, – говорит Валерий Федорович. – Судите сами. Свежее топливо, помещенное в активную зону реактора, работает примерно четыре года –  дальше его надо выгружать, потому что в ТВЭЛах (тепловыделяющих элементах) за время рабочего цикла в результате трансмутаций образуются другие радиоактивные элементы: цезий, стронций, йод, плутоний и др. ОЯТ помещают в бассейн выдержки, где оно постепенно «остывает» в течение 4–5 лет, после чего его увозят подальше на полигоны, где оно хранится десятилетиями. В России одним из крупнейших таких полигонов является Горно-химический комбинат в Красноярском крае. Однако полураспад плутония составляет 24 тысячи (!) лет, а урана-238 – 4,5 млрд лет. Для кого мы их копим? Вы понимаете, что будет на Земле через такие периоды времени?

Церемония заливки первого бетона БРЕСТ-ОД-300

Таким образом, открытый ЯТЦ не выглядит эффективным решением вопроса долгосрочного энергообеспечения. По этой причине атомщики стали думать, как его можно замкнуть, тем самым решив множество других важных проблем. 

По словам Меньщикова, физики еще в 50-е годы прошлого века поняли, что можно создать другой реактор – не на медленных, а на быстрых нейтронах, которые способны расщеплять атомы урана-238, того самого «балласта», составляющего основную массу ОЯТ.

Быстрые нейтроны – нейтроны с энергиями больше 0,1 МэВ. Медленные (или тепловые) нейтроны имеют энергию меньше 0,1 эВ.

Первыми экспериментальный реактор «Бридер» (размножитель) с быстрыми нейтронами построили американцы. Эксперименты шли сложно. Главное было  – понять, как будет вести себя уран-238 при бомбардировке быстрыми нейтронами.

– Уран-238 оказался способен делиться в «Бридере», к тому же в результате трансмутаций он превращался в плутоний. Плутоний в свою очередь сам являлся делящимся веществом, а потому на выходе ученые получали топлива больше, чем закладывали в активную зону, – говорит Меньщиков. – Между тем «Бридер» в эксперименте показал себя крайне небезопасной конструкцией, и в дальнейшем в США развитие направления реакторов на быстрых нейтронах не получило масштабного развития.

Быстрые нейтроны          

 К получению энергии при помощи реактора на быстрых нейтронах первыми опять же подошли советские атомщики.

– Первый в мире опытно-промышленный реактор на быстрых нейтронах был построен в городе Шевченко (ныне Актау) в 1973 году  –  БН-350 (БН – «быстрый натриевый». – Авт.). – Одновременно с нами такие реакторы начали строить французы, которые позже, как и американцы, все-таки от нас отстали.

Церемония заливки первого бетона БРЕСТ-ОД-300

Следующий реактор – БН-600, построенный на Урале, работает до сих пор, как и тот, что был построен за ним, –  БН-800. Главное отличие тех реакторов на быстрых нейтронах от реактора на медленных нейтронах – заключалось в том, что теплоносителем в них являлась не вода, а натрий.

В реакторах типа «БН» возможно использовать топливо, изготовленное из продуктов переработки ОЯТ, – это регенерат урана-235 и урана-238, а также наработанный плутоний (так называемое МОХ-топливо).

От Обнинска до  «БРЕСТа»

Однако работать с натрием весьма непросто, ввиду взрыво- и пожароопасности. Более надежным с этой точки зрения был бы негорючий свинец, имеющий свои особенности.

– Сложнейшая физика свинца, – говорит Валерий Федорович, – покорилась группе исследователей  из НИКИЭТ им. Н.А. Доллежаля и их коллегам из других научных организаций. Проект по созданию нового опытно-демонстрационного реактора БРЕСТ-ОД-300 на свинце назвали «Прорыв», возглавил его бывший министр атомной энергии РФ Евгений Адамов.

В БРЕСТ-ОД-300, по словам Меньщикова, предполагается впервые в мире реализовать замкнутый ЯТЦ на одной площадке. В ЗАТО  Северск Томской области появится не только реактор, но и завод по производству нового топлива. Это будет  уран-плутониевое топливо, изготовленное из ОЯТ. Только, в отличие от первых БН-реакторов, оно будет не оксидное, а нитридное.

Выгруженное ОЯТ будет переработано тут же на площадке в Северске и направлено на изготовление свежего топлива. Это и называется замыканием цикла, и его можно повторять бессчетное количество раз.

Церемония заливки первого бетона БРЕСТ-ОД-300

Сам же реактор БРЕСТ-ОД-300, благодаря использованию свинцового теплоносителя, будет обладать внутренне присущим свойством естественной безопасности, которая позволяет исключить аварии, требующие эвакуации, а тем более отселения населения.

–  После успешного эксперимента планируется постепенно начинать создавать реакторы на быстрых нейтронах серийно, – добавляет Валерий Федорович, – чтобы к концу  XXI века создать на их основе базу для утилизации всего хранящегося сейчас ОЯТ. Поменяв парадигму использования топлива для АЭС, перейдя на его самовоспроизводство, атомщикам удастся значительно снизить долю его добычи в природе.

Справка. Запасы урана по странам

Всего в мире насчитывается 6147800 тонн урановой руды.

Четверка стран, лидирующих по ее запасам:

Австралия – 1692700 тонн (28% от общемировых запасов) Казахстан – 906800 тонн (15%) Канада — 564900 тонн (9%) Россия — 486000 тонн (8%)

Малые формы

В последние годы в мире набирает популярность идея минимизации традиционных реакторов типа ВВЭР. Реакторы до 200 МВт могут быть востребованы в изолированных регионах с относительно низким уровнем потребления энергии.

Пока в мире только думают над малыми формами, «Росатом» готовится в 2027 году запустить первую такую станцию в Якутии.

Генеральный директор Росатома Алексей Лихачев

– Российские разработчики взяли за основу реакторную установку РИТМ-200, хорошо зарекомендовавшую себя на атомных ледоколах. Вдумайтесь, сколько людей, живущих в отдаленных уголках Земли, нуждаются в таких компактных АЭС. США сейчас изо всех сил стараются нас догнать по нескольким технологическим направлениям. Но вряд ли им это удастся. Ведь кроме уникального  колоссального опыта у нас есть то, что ценится во всем мире дороже всего, – ответственный подход к эксплуатации станций и уверенность в том, что наша ЯЭ обладает высоким уровнем безопасности.

Реклама. Информация о рекламодателе на сайте www.myatom.ru

 

Источник: www.mk.ru