Российские атомщики открывают новую эпоху атомной энергетики
Идея замкнутого ядерного топливного цикла примерно такая же, как у переработки пластика. Вместо того чтобы делать новые полимеры из нефти и газа, можно и нужно собирать и перерабатывать старые.
Замкнув цикл, можно избавиться от ядерных ракет времён холодной войны. Можно пустить в дело обеднённый уран, который в виде едкого, ядовитого и горючего соединения хранится сейчас в стальных бочках. В 2020 году в России было больше миллиона тонн этого неприятного и мало на что годного вещества. А главное, отработавшее ядерное топливо можно использовать повторно.
Но как вторичный пластик годится не для всякой цели - из него, например, сложно делать упаковку для еды, - так и вторичное ядерное топливо требует особых приспособлений. Обычные атомные реакторы с этой задачей не справятся.
Урановая кухня: небезотходное производство
Современная атомная промышленность начинается с добычи урана. В природных минералах его немного: на тысячу тонн руды - всего семь килограммов с нужным веществом. Всё остальное идёт в отвал. Из этих семи килограммов 99,3% составляет уран-238. В большинстве современных атомных реакторов этот изотоп - не самая нужная часть топлива. Большую часть энергии мы получаем от деления ядер второго, редкого изотопа - урана-235.
Семи десятых процента 235U слишком мало для обычного атомного реактора, поэтому прежде, чем использовать уран как топливо, его обогащают. Дело это долгое, энергозатратное и сложное. Заводы по обогащению урана - это длинные ряды центрифуг, в которых газообразный фторид урана раскручивают со скоростью в 10 раз выше скорости вращения турбины самолёта.
При перегрузке в сотню G молекулы распределяются в центрифуге немного неравномерно: в центре урана-235 оказывается чуть-чуть больше, чем по краям. Газ из центральной части забирают и отправляют в следующую установку, и так много раз. Даже сотням центрифуг едва удаётся поднять содержание 235U до 3-4%. Впрочем, для работы в тепловом реакторе этого достаточно.
Но и в обогащённом уране далеко не весь изотоп 235 делится и даёт энергию. В современных реакторах сжигается около четырёх пятых урана-235, а одна пятая остаётся в отработавшем топливе - и с ней уже ничего не поделать: приходится обрабатывать и хранить вместе с продуктами деления.
Получается, что уран в тепловых реакторах используется очень неэффективно: только 1% уранового топлива выделяет тепло в активной зоне реактора. Если с такой эффективностью чистить овощи, то на кастрюлю супа понадобится целый грузовик картошки и моркови. Но есть технология, которая позволяет использовать весь природный уран. Её преимущества были понятны уже первым строителям атомных электростанций, но всерьёз за неё берутся только сейчас.
Замкнутый круг
Почему, собственно, не использовать в ядерных реакторах весь уран-238? Дело в том, что он, в отличие от урана-235, не делится при бомбардировке тепловыми нейтронами. Ядра 238U склонны просто захватывать нейтрон, летящий слишком медленно. А изотоп, который не делится, не выделяет тепло - не очень-то такой и нужен.
Зато уран-238 умеет превращаться в другой изотоп - 239Pu, который делится даже лучше 235U. Это превращение происходит и в тепловых реакторах, но плутония в них получается слишком мало. Больше плутония можно наработать, если бомбардировать уран-238 быстрыми нейтронами.
Быстрые vs. тепловые: два типа нейтронов
Разговоры о типах реакторов могут показаться странными: одни работают на тепловых нейтронах, другие - на быстрых. Как в анекдоте про крокодилов: один зелёный, другой налево. На самом деле всё логично, просто для ядерных физиков нет разницы между температурой и скоростью частицы. Нейтрон, который летит быстро, можно назвать горячим: у него большая энергия. Летящий медленнее нейтрон называется тепловым: у него энергия меньше.
Нейтроны, которые образуются при делении ядра, обладают большой энергией. Чтобы сделать их более пригодными для деления урана-235, в тепловых реакторах есть замедлитель - вещество, пролетая через которое нейтроны теряют энергию и на выходе становятся тепловыми. Замедлителем может быть графит, тяжёлая или обычная вода.
Кроме энергии нейтронов и замедлителя, реакторы различаются по теплоносителю - веществу, которое омывает топливо и уносит с собой его тепло, чтобы получить пар для выработки электричества. В тепловых реакторах теплоносителем является обычная или тяжёлая вода. Иногда она же играет роль замедлителя; такие реакторы называются водо-водяными - по двойному назначению воды. В реакторах на быстрых нейтронах теплоносители - жидкие металлы или расплавы солей.
В России сейчас работают энергетические реакторы трёх типов: тепловые РБМК (реактор большой мощности канальный) и ВВЭР (водо-водяной энергетический реактор) и быстрые БН (реактор на быстрых нейтронах).
Итак, при бомбардировке медленными нейтронами уран-238 не делится. Значит, построив реактор, в котором нейтроны не замедляются, можно использовать распространённый в природе уран-238 по полной. Он эффективно превращается в плутоний-239, который делится и может работать как топливо для теплового реактора. Получается, что мы загружаем в котёл неделящийся уран-238, а на выходе получаем делящийся плутоний.
Поэтому быстрые реакторы называют "бридерами", или наработчиками. Их часто сравнивают с печками, которые выдают больше дров, чем в них положили. А ещё в быстром реакторе можно до конца использовать недожжённый в тепловом реакторе уран-235 (ту самую пятую часть) и дожигать самые вредные изотопы, которые образуются при работе топлива. Получается безотходное производство.
Казалось бы, выгода очевидна, почему тогда в мире сейчас работает больше сотни АЭС с тепловыми реакторами и всего одна - с быстрыми? Потому, что быстрые реакторы очень сложны в обращении.
Проблема теплоносителя
Если мы хотим, чтобы нейтроны в реакторе не замедлялись, в качестве теплоносителя нужно использовать более экзотические вещества - например, жидкие металлы. На эту роль в разное время пробовали ртуть и жидкий натрий, смесь свинца и висмута.
Эти материалы довольно капризны и требуют большой осторожности. Ртуть ядовита, а натрий горит на воздухе и взрывается в воде. Несмотря на это, эксперименты с ними ставили в разных странах: в США и СССР даже строили атомные реакторы для подводных лодок с жидкометаллическими теплоносителями.
На японской АЭС Мондзю реактор на быстрых нейтронах построили и запустили, но в 1995 году уронили в жидкий натрий трёхтонную трубу, что положило конец эксперименту. Во Франции опыты с жидким металлом пришлись на середину 1980-х и были свёрнуты под давлением общественности, напуганной Чернобылем.
В результате энергетические реакторы на быстрых нейтронах прижились только в России. Это БН-350 в Шевченко (ныне Актау, Казахстан; выведен из эксплуатации), БН 600 и БН-800 на Белоярской АЭС, все с жидким натрием, омывающим активную зону. Собираются строить и новый, более мощный натриевый реактор. Но это уже отработанная технология. На очереди новый тип реактора - с жидким свинцом. Первым должен стать БРЕСТ.
Операция Pb
У свинцового теплоносителя много преимуществ. Первое - он почти не замедляет нейтроны. Второе - свинец превращается в газ при огромной температуре, 1749 °C. Для сравнения: температура в активной зоне реактора - около тысячи градусов. Атомщики в целом благосклонно относятся к идее теплоносителя, который сложно вскипятить и из которого можно выделить водород: в 2011 году водород из воды, вскипев, взорвал реактор на Фукусимской АЭС.
Но главный плюс свинца - способность бороться с большинством видов радиации. Помните свинцовый фартук в рентгеновском кабинете? В случае аварии свинец как раз и послужит таким фартуком - или пробкой, которая застынет и навсегда похоронит радиоактивный материал.
Однако реакторов с жидким свинцом до сих пор не строили. Вероятно, сыграла роль его коррозионная активность: мало какие материалы могут долго соседствовать со свинцом. Строители нового реактора БРЕСТ заявляют, что решили эту проблему - научились контролировать содержание кислорода в свинцовом расплаве. Кислород создаёт на поверхности стали оксидную плёнку, устойчивую к действию свинца даже при высоких температурах, поэтому тот, кто управляет кислородом, управляет всеми материалами внутри активной зоны.
Перед тем как запустить БРЕСТ, в него зальют 10 тыс. тонн свинца (960 м3). В отсутствие ядерного топлива его будут подогревать специальные батареи. Свинец останется в активной зоне навсегда - ну, или до конца жизни реактора; его только будут периодически чистить от радиоактивных примесей.
Скептики и энтузиасты
Построив БРЕСТ и предприятия по переработке топлива вокруг него, российские атомщики собираются продемонстрировать замкнутый ядерный топливный цикл. Из отработавшего топлива быстрого реактора будут делать новое топливо. В этом круговороте можно будет полностью использовать отработавшее ядерное топливо, запасы обеднённого урана, плутониевые боеголовки - всё, что сейчас лежит без дела.
Звучит здорово, но у проекта есть критики. Они указывают на то, как дорого стоят быстрые реакторы и технологии ресайклинга. Разработчики отвечают им своими доводами - получается такой пинг-понг из аргументов и возражений.
Тепловые реакторы требуют обогащённого урана, а обогащение - это очень дорого. В замкнутом цикле потребуется меньше урана-235, а однажды от него и вовсе можно будет отказаться.
Выделять плутоний из отработавшего топлива очень сложно. Если свежие тепловыделяющие сборки можно трогать руками в перчатках, то с топливом из активной зоны нужно обращаться с помощью роботов-манипуляторов - за метровой толщины стеклом. Это может свести на нет все экономические выгоды!
Тепловыделяющая сборка - это пучок тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ). Каждый ТВЭЛ представляет собой стержень, собранный из топливных таблеток - маленьких блоков ядерного топлива - и упакованный в металлическую оболочку.
Радиохимический завод специально строят рядом с БРЕСТом: всё будет на одной площадке, извлечённое из реактора топливо не придётся никуда везти. К тому же в БРЕСТе будут дожигать опасные изотопы, а значит, можно будет сэкономить на защищённых хранилищах опасных радиоактивных отходов.
Мирные превращения
В реакторах на быстрых нейтронах уран-238 эффективно превращается в плутоний. Изотоп 239Pu используется в атомных бомбах, поэтому рядом с названием этого элемента мы привыкли видеть слово "оружейный". В натриевых БН-реакторах на Белоярской АЭС плутоний - действительно оружейного качества - нарабатывается во внешнем слое активной зоны (так называемом бланкете). Цепная реакция в этом слое не идёт - только превращение урана в плутоний.
Эта встроенная функция не делает быстрым реакторам рекламы, даже наоборот: из-за возможности наработки оружейного плутония в бланкете МАГАТЭ не может одобрить экспорт таких реакторов. Виноват во всём натрий: именно из-за него БН-реакторам нужны бланкеты. А вот свинец действует на нейтроны иначе, поэтому в таком реакторе бланкетов нет - плутоний и так замечательно нарабатывается, но не в том виде, который могут использовать военные.
Реактор, который не умеет делать начинку для бомб, - это хорошо. Сейчас в мире действует множество международных соглашений, задача которых - обеспечить режим нераспространения ядерного оружия, чтобы те страны, у которых такого оружия нет, продолжали в том же духе. Свинцовый реактор на быстрых нейтронах поддерживает режим нераспространения сразу с двух сторон: он и не нарабатывает плутоний, и снижает необходимость в обогащении урана, который при желании тоже можно использовать не в мирных целях.
На стройплощадке БРЕСТа пока залит лишь бетонный "стакан" для будущей активной зоны, но реактор давно существует в виртуальной реальности. Инженеры Росатома создали компьютерную модель со всеми полутора сотнями топливных сборок, в каждой по сотне-другой тепловыделяющих элементов, в каждом по сотне топливных таблеток. Компьютер позволяет моделировать ядерные реакции и другие процессы, идущие в сердце реактора.
Эта модель - одно из главных доказательств надёжности будущего БРЕСТа. Она позволяет жонглировать параметрами и режимами, проводить виртуальные испытания. Настоящие начнутся с пуском реактора в 2026 году. Ещё через два года топливо из активной зоны можно будет направить на переработку. Оболочки топливных стержней растворят, остатки урана-238 отделят от плутония, и последний пойдёт на новое топливо. Ну как новое? Ядерное топливо second hand.