«Прорыв» в будущее
В год 80-летия отечественной ядерной промышленности будущее мирного атома вырисовывается ясно: оно двухкомпонентное. Связка реакторов двух типов — привычных тепловых и перспективных быстрых — позволит замкнуть топливный ядерный цикл. В рамках такой модели мирный атом становится возобновляемым, горизонт энергетической обеспеченности расширяется на тысячи лет, решается проблема радиоактивных отходов. Технологии, которые это обеспечат, «Росатом» стремительно воплощает в рамках проекта «Прорыв». Как они устроены и на каком этапе находится эта работа — в материале «Ъ-Науки».
Два компонента атомной энергетики будущего
80% существующей промышленной атомной генерации обеспечивают так называемые водно-водяные энергетические реакторы (PWR (ВВЭР), BWR). Они относятся к тепловым: цепную реакцию деления урана в их активной зоне поддерживают нейтроны с энергией, как при тепловом движении обычных атомов окружающей среды. То есть это нейтроны, которые растеряли кинетическую энергию после столкновения с ядрами атомов специального вещества-замедлителя. В ВВЭР в качестве такого замедлителя применяют воду, она же выступает теплоносителем и рабочим телом для генерации пара, на котором с использованием преобразования энергии в паротурбинном цикле вырабатывают электрический ток.
Быстрый реактор устроен иначе: в нем не используются замедлители нейтронов, деление ядер в его активной зоне обеспечивают так называемые быстрые нейтроны. Их энергия превышает 100 тыс. электронвольт, что в миллионы раз больше, чем у тепловых нейтронов, чья энергия составляет лишь порядка 0,025 электронвольт. Поскольку теплоноситель быстрого реактора не должен замедлять нейтроны, вместо воды применяют легкоплавкие металлы или газы.
Работа двух типов реакторов в связке заключается в том, что уран и плутоний из отработавшего ядерного топлива тепловых используется для старта быстрых, а плутоний, эффективно нарабатываемый быстрыми, служит сырьем для вторичного «горючего», которым могут питаться оба типа реакторов. В рамках такого подхода топлива для ядерных установок хватит на тысячелетия — мирный атом превращается в практически возобновляемый ресурс.
«Быстрые реакторы не только производят электроэнергию, но и воспроизводят делящееся топливо из сырьевых изотопов, а тепловые блоки гибко следуют за графиком нагрузки. Тем самым создается новая крупномасштабная энергетика, способная гарантировать энергетическую безопасность России и сохранить запасы углеводородов для высокотехнологичных отраслей»,— говорит Евгений Адамов, научный руководитель НИКИЭТ им. Н. А. Доллежаля, инициатор и научный руководитель проекта «Прорыв» госкорпорации «Росатом».
Россия сегодня единственная страна, которая успешно эксплуатирует промышленные быстрые реакторы. Действующих сейчас два: БН-600 и БН-800, пущенные в 1980 и 2015 году на Белоярской АЭС (Свердловская область). Суммарно они вырабатывают 1485 МВт — 16% установленной мощности всех электростанций свердловской энергосистемы.
На БН-600 технология быстрых нейтронов была впервые отработана в промышленном масштабе, а БН-800 дал старт работам по промышленным испытаниям «горючего» для реакторов, которое получают из отработавшего ядерного топлива.
Преимущества быстрого спектра
Достоинств у реакторов на быстрых нейтронах немало, и одно из них — возможность полного использования урана в топливном цикле, что само по себе обеспечивает топливную базу на сотни лет. Дело в том, что добываемый из недр природный уран на 99,3% состоит из урана-238, а остальные 0,7% составляет уран-235. Последний стабильностью не отличается — чтобы обеспечить цепное деление его ядер, хватает энергии тепловых нейтронов, так что именно на нем работает почти вся сегодняшняя атомная энергетика.
Для достижения параметров, необходимых для работы энергетических тепловых реакторов, на заводах по обогащению доля 235‑го изотопа в уране доводится до 5%, а образующийся при этом обедненный уран, на 99,7% состоящий из 238-го изотопа, отправляется в отвалы. После работы топлива в тепловом реакторе только небольшая доля 238-го изотопа превращается в новый делящийся материал — плутоний.
Для быстрых же нейтронов на уране-238 получается делящихся изотопов больше, чем закладывается, поэтому нет необходимости в подпитке изотопом урана-235. Таким образом, возникает возможность использовать для получения энергии не 0,7%, а все 100% добываемого урана, что кратно увеличивает топливную базу мирного атома. Одних только отвалов урана238, которые скопились на российских заводах по обогащению, хватит, чтобы обеспечивать электроэнергией всю страну сотни лет.