Аль­тер­на­тив­ная ядер­ная энер­ге­ти­ка

Да, есть такая. Да­ле­ко за го­ри­зон­том газет и по­пу­ляр­ных ста­тей, на пе­ри­фе­рии и так не очень-​то по­пу­ляр­ной в мире ядер­ной энер­ге­ти­ке, тоже идёт ра­бо­та.

Об ин­но­ва­ци­ях в ядер­ной энер­ге­ти­ке не очень слыш­но, но тому есть при­чи­ны.

Ядер­ная энер­ге­ти­ка - от­расль крайне ка­пи­та­ло­ём­кая, как и энер­ге­ти­ка во­об­ще, а ка­пи­та­ло­ём­кие от­рас­ли очень кон­сер­ва­тив­ны (цена ошиб­ки в про­ек­те очень ве­ли­ка, а затеи "вы­ки­нуть и за­ме­нить новым уже по­стро­ен­ное" душит вполне ра­зум­ная жаба). Ядер­ная энер­ге­ти­ка - крайне опас­ное про­из­вод­ство, а любое опас­ное про­из­вод­ство, про­цесс, от ко­то­ро­го за­ви­сят жизни и смер­ти людей - ги­пер­кон­сер­ва­тив­но (а ну как сэко­но­мим на ко­пей­ку, а оно жах­нет убыт­ку на хо­ро­ший трил­ли­он?). До­ба­вим слож­ность про­ис­хо­дя­щих про­цес­сов и по­лу­чим вывод, что даже на то, чтобы опро­бо­вать идею вчерне, тре­бу­ют­ся безум­ные по мер­кам дру­гих от­рас­лей вло­же­ния и годы-​десятки лет (без шуток) по­лу­че­ния ли­цен­зий, про­хож­де­ния экс­пер­тиз и со­гла­со­ва­ний. По­это­му путь от идеи до во­пло­ще­ния за­ни­ма­ет де­сят­ки лет. Ис­клю­че­ние со­став­ля­ли разве что пер­вые годы атома, когда о без­опас­но­сти ду­ма­ли мало или не ду­ма­ли во­об­ще, си­сте­мы ли­цен­зи­ро­ва­ния не было, а поток денег от во­ен­ных и их ад­ми­ни­стра­тив­ное при­кры­тие поз­во­ля­ло ра­бо­тать очень быст­ро и не думая о вся­ких "ме­ло­чах" типа денег и жиз­нях.

Про­сто как при­мер: ре­ак­то­ры на быст­рых ней­тро­нах были пред­ло­же­ны в 40-х, чуть ли не сразу после пуска пер­во­го ре­ак­то­ра во­об­ще. Пер­вый в мире ре­ак­тор на быст­рых ней­тро­нах - Clementine - был пущен в 1946-м. Идея о раз­мно­же­нии топ­ли­ва была вы­ска­за­на в те же годы... а вот хоть сколь-​нить ре­аль­но­го во­пло­ще­ния этой идеи нет до сих пор - разве что ожи­да­ет­ся где-​то к 2025-2030-м годам. Почти сто лет.

Но ре­ак­то­рам на быст­рых ней­тро­нах по­вез­ло: их успе­ли по­про­бо­вать в раз­ных видах до того, как Че­ло­ве­че­ство оце­ни­ло опас­ность новых своих иг­ру­шек и атом пре­вра­тил­ся в ги­пер­кон­сер­ва­тив­ную от­расль. За 30 лет до пер­вых пуб­лич­ных круп­ных ядер­ных ка­та­строф и при­хо­да ре­гу­ля­тор­но­го катка были вы­ска­за­ны почти все идеи, во­пло­ще­ния ко­то­рых сей­час обе­ща­ют как фан­та­сти­че­ское бу­ду­щее и опи­сы­ва­ют­ся фа­на­та­ми как какой-​то неве­ро­ят­ный про­рыв в свет­лые дали. Мно­гие из них были и опро­бо­ва­ны.

Одной из таких идей яв­ля­ет­ся под­кри­тич­ный ядер­ный ре­ак­тор с под­свет­кой от уско­ри­те­ля (и в Рос­сии есть фрики-​фанаты её, не чуж­дые пиара - бес­смыс­лен­но­го и бес­по­щад­но­го; бла­го­да­ря са­мо­пи­а­ру то­ва­ри­ща Ост­ре­цо­ва все и так знают ми­ни­мум один при­мер). По-​буржуйски это на­зы­ва­ет­ся Accelerator-​Driven System, ADS (было пред­ло­же­но в тех же 50-х, и в по­след­нее время по­пу­ля­ри­зо­ва­но уси­ли­я­ми ита­льян­ско­го но­бе­лев­ско­го ла­у­ре­а­та Карло Руб­биа, кста­ти, одно время ещё и ди­рек­то­ра ЦЕРНа, то есть, че­ло­ве­ком име­ю­щим ре­аль­но боль­шой вес).

В чём суть?

Как все знают со школы, в ядер­ном ре­ак­то­ре идёт цеп­ная ядер­ная ре­ак­ция: каж­дое раз­де­лив­ше­е­ся ядро по­рож­да­ет два (с ко­пей­ка­ми) ней­тро­на, один из ко­то­рых пе­ре­да­ёт­ся по эс­та­фе­те сле­ду­ю­ще­му в це­поч­ке, а остав­ши­е­ся долж­ны быть для со­хра­не­ния мощ­но­сти по­гло­ще­ны (с точ­но­стью до де­ся­ти­ты­сяч­ных). Если это усло­вие не со­блю­да­ет­ся, ко­эф­фи­ци­ент раз­мно­же­ния чуть пре­вы­ша­ет 1, ре­ак­тор раз­го­ня­ет­ся. Если ко­эф­фи­ци­ент чуть ниже 1, ре­ак­тор сни­жа­ет мощ­ность. Этот очень тон­кий ба­ланс нужно со­блю­дать в усло­ви­ях, когда ко­эф­фи­ци­ент раз­мно­же­ния за­ви­сит от теп­ло­но­си­те­ля, те­ку­ще­го через ре­ак­тор, от тем­пе­ра­ту­ры, от дав­ле­ния (в ки­пя­щих - ещё как), от вре­ме­ни, ко­то­рое топ­ли­во ра­бо­та­ет, со­вер­шен­но нетри­ви­аль­ным об­ра­зом, и, на­ко­нец, безум­но слож­ные за­ви­си­мо­сти от мощ­но­сти и ис­то­рии ра­бо­ты ре­ак­то­ра, ко­то­рые опи­сы­ва­ют­ся сот­ня­ми диф­фе­рен­ци­аль­ных урав­не­ний. Все эти па­ра­мет­ры от­ли­ча­ют­ся в раз­ных ча­стях ак­тив­ной зоны и ме­ня­ют­ся по-​разному, с раз­ной ди­на­ми­кой в за­ви­си­мо­сти от предыс­то­рии.

До­ба­вим сюда, что управ­ле­нию во­об­ще под­да­ёт­ся лишь очень малая часть ней­тро­нов - за­паз­ды­ва­ю­щие ней­тро­ны (вы­ле­та­ю­щие не при де­ле­нии, а позже, спон­тан­но из про­дук­тов де­ле­ния с боль­шой за­держ­кой в се­кун­ды и даже де­сят­ки се­кунд). Ней­тро­ны де­ле­ния раз­мно­жа­ют­ся слиш­ком быст­ро - наносекунды-​десятки на­но­се­кунд на по­ко­ле­ние, ни­ка­кая ме­ха­ни­ка тут не успе­ет, ме­ха­ни­ка ре­а­ги­ру­ет в суч­шем слу­чае за доли се­кун­ды. Если бы не на­ли­чие за­паз­ды­ва­ю­щих ней­тро­нов, у нас во­об­ще не было бы ядер­ных ре­ак­то­ров, толь­ко ядер­ные бомбы. Но и с на­ли­чи­ем их тоже всё не очень хо­ро­шо: их мало. То есть, воз­мож­но­сти управ­ле­ния сидят в очень-​очень узком диа­па­зоне, ниже ко­то­ро­го - ре­ак­тор глох­нет, выше ко­то­ро­го - раз­гон на мгно­вен­ных и если уж не ядер­ный взрыв, то за­про­сто пе­ре­вы­пол­не­ние ме­сяч­но­го плана вы­ра­бот­ки за несколь­ко мил­лик­се­кунд. Со всеми вы­те­ка­ю­щи­ми и вы­ле­та­ю­щи­ми.

Как Чер­но­быль по­ка­зал на­гляд­но, даже в хо­ро­шо про­ду­ман­ной и рас­счи­тан­ной си­сте­ме это со­зда­ёт вполне ре­аль­ные риски о чём-​то не по­ду­мать или где-​то креп­ко об­счи­тать­ся. 

От­ку­да и рас­тут корни идеи "за­гнать ре­ак­тор в глухую под­кри­ти­ку, сни­зить раз­мно­же­ние ней­тро­нов до уров­ня, при ко­то­ром раз­гон невоз­мо­жен, а потом до­бав­лять недо­ста­ю­щие ней­тро­ны сна­ру­жи". Это ис­клю­ча­ет ядер­ные ава­рии (хотя со­хра­ня­ет все риски, свя­зан­ные с пе­ре­гре­вом и вы­хо­дом ра­ди­ак­тив­но­сти) и до­бав­ля­ет (не во всех кон­струк­ци­ях, но в прин­ци­пе) воз­мож­ность на­ра­ба­ты­вать топ­ли­во как это могут де­лать тра­ди­ци­он­ные ре­ак­то­ры на быст­рых ней­тро­нах. Что, ко­неч­но, - хо­ро­шо.

Од­на­ко, есть огром­ная про­бле­ма. Ней­тро­ны нужно откуда-​то брать, и брать в то­вар­ных ко­ли­че­ствах за­дё­ше­во. Один из спо­со­бов - ис­поль­зо­вать уско­ри­тель, ко­то­рый будет да­вать мощ­ный пучок быст­рых элек­тро­нов (или, что удоб­нее, про­то­нов) дол­бя­щий в ми­шень. Быст­рый элек­трон или про­тон при по­па­да­нии в ядро за­ка­чи­ва­ет туда энер­гию, и про­ис­хо­дя­щее даль­ше можно срав­нить с пе­ре­гре­той кап­лей воды. Ядро те­ря­ет ста­биль­ность, и дело за­кан­чи­ва­ет­ся либо сбро­сом "брызг" в виде лиш­них ней­тро­нов, про­то­нов или целых ядер гелия, либо де­ле­ни­ем ядра, если ядро было тя­жё­лым, часто - опять же с вы­де­ле­ни­ем ней­тро­нов.

Ну то есть, дол­бим чем-​то быст­рым в ядра, их раз­но­сит на куски, среди кус­ков летят ней­тро­ны, ко­то­рые уже сами делят ядра и по­рож­да­ют свои це­поч­ки. Спо­соб хо­ро­шо из­вест­ный, про­ве­рен­ный, прак­ти­ка стро­и­тель­ства уско­ри­те­лей есть... по­че­му это во­об­ще на­зы­ва­ет­ся про­бле­мой? По­че­му люди стро­ят обыч­ные ре­ак­то­ры, а не под­кри­тич­ные?

(тре­бу­е­мый для ADS пол­ный раз­мер ли­ней­но­го уско­ри­те­ля - сотня+ мет­ров, может быть несколь­ко сотен м; на кар­тин­ке - несколь­ко сек­ций уско­ри­те­ля с сверх­про­во­дя­щи­ми RFQ-​ячейками, наи­бо­лее ком­пакт­но­го на ны­неш­ний день)

Дело в па­ра­мет­рах тре­бу­е­мо­го уско­ри­те­ля, его сто­и­мо­сти и слож­но­сти. Чтобы затея имела какой-​то смысл, как ми­ни­мум 5% ней­тро­нов (лучше более) нужно по­став­лять сна­ру­жи ре­ак­то­ра. Это огром­ное число ней­тро­нов и тре­бу­ет со­вер­шен­но жут­ко­го по па­ра­мет­рам уско­ри­те­ля, чья мощ­ность со­став­ля­ет 10-20% от мощ­но­сти са­мо­го ре­ак­то­ра. Что ещё хуже, от уско­ри­те­ля тре­бу­ет­ся не толь­ко боль­шая мощ­ность, но и огром­ный ток (ко­ли­че­ство уско­рен­ных ча­стиц в шту­ках за се­кун­ду). Уско­ри­тель­щи­ки, ра­бо­тав­шие на фун­да­мен­таль­ную науку до­стиг­ли впе­чат­ля­ю­щих па­ра­мет­ров по энер­гии, но с током ("све­ти­мо­стью" в при­ня­тых у них тер­ми­нах) всё не так хо­ро­шо, в том числе и по фун­да­мен­таль­ным при­чи­нам (объ­ём­ный заряд ча­стиц на­чи­на­ет силь­но ме­шать), хотя можно за­бить болт на обыч­ные для фи­зи­ки ча­стиц тре­бо­ва­ния по энер­гии и тем­пе­ра­ту­ре пучка. Ну или, как ва­ри­ант, ста­вить таких уско­ри­те­лей на один ре­ак­тор несколь­ко. Сто­и­мость уско­ри­те­лей пре­вы­ша­ет сто­и­мость са­мо­го ре­ак­то­ра в разы, об­слу­жи­ва­ние уско­ри­те­ля весь­ма до­ро­го.

Ну и уско­ри­тель для по­лу­че­ния ней­тро­нов - это "ядер­ный ре­ак­тор на­обо­рот". Вме­сто того, чтобы де­лить ядра по­лу­чая энер­гию, мы тра­тим элек­тро­энер­гию, чтобы де­лить ядра. Это бьёт по эко­но­ми­ке та­ко­го ре­ак­то­ра со страш­ной силой. До­пу­стим, у нас есть ре­ак­тор рав­ный БН-1200 - 3500МВт по теплу (1200МВт элек­три­че­ских после па­ро­вой тур­би­ны). Нам нужно по­тра­тить 10-20% от его теп­ло­вой(!) мощ­но­сти на уско­ри­тель. Это 400-700МВт, и от 1200МВт элек­три­че­ства оста­ёт­ся 500-800МВт, при том что всё осталь­ное - ядер­ное (как у БН) и па­ро­вое хо­зяй­ство как ми­ни­мум тех же раз­ме­ров, а свер­ху к нему в до­ве­сок ещё мощ­ней­ший уско­ри­тель с кучей спе­цов по об­слу­жи­ва­нию весь­ма нетри­ви­аль­но­го обо­ру­до­ва­ния. 

(на кар­тин­ке - ком­плекс MYRRHA, ~30МВт(э), мощ­ность неод­но­крат­но ме­ня­лась, так что 30МВт от­но­сит­ся к кар­тин­ке пред­по­ло­жи­тель­но)

За­пла­тить втрое-​вчетверо боль­ше, чтобы по­лу­чать энер­гии вдвое-​втрое мень­ше? уве­ли­чить сто­и­мость энер­гии в 5-10 раз? при том, что ядер­ную энер­ге­ти­ку ру­га­ют за до­ро­го­виз­ну?

Боль­шие люди про­сто го­во­рят "нет" или в луч­шем слу­чае спра­ши­ва­ют "а зачем?".

Ответ и на "зачем?" - несколь­ко бОль­шая без­опас­ность (Чер­но­быль невоз­мо­жен, хотя оста­ют­ся все ва­ри­ан­ты ава­рий а-ля Трёх­миль­ный Ост­ров или Фу­ку­си­ма). Вто­рой ар­гу­мент - чуть бОль­шая все­яд­ность под­кри­тич­но­го ре­ак­то­ра и воз­мож­ность на­ра­бот­ки топ­ли­ва (на чём осо­бен­но на­ста­и­ва­ет Ост­ре­цов): имея из­бы­ток ней­тро­нов и воз­мож­ность легко управ­лять им на­пря­мую, можно не так за­бо­тить­ся о ней­тро­ни­ке зоны, вы­ки­нуть боль­шую часть эле­мен­тов управ­ле­ния (ко­то­рые по сути бес­по­лез­но жрут ней­тро­ны, спо­соб­ные на­ра­ба­ты­вать топ­ли­во). 

Контр­ар­гу­мен­ты оп­по­нен­тов три­ви­аль­ны: да­вай­те лучше будем нор­маль­но ис­поль­зо­вать го­ло­ву на этапе про­ек­ти­ро­ва­ния, а нор­маль­но про­счи­тан­ный топ­лив­ный цикл быст­рых ре­ак­то­ров умно­жа­ет про­бле­мы на ноль. С учё­том того, что даже "обыч­ные" ре­ак­то­ры на быст­рых ней­тро­нах не стро­ят­ся по при­чине вы­со­кой сто­мо­сти, а ADS-​установки обе­ща­ют быть до­ро­же раз в 5-10 без учёта огром­ной сто­и­мо­сти раз­ра­бот­ки, это ста­вит точку на любой воз­мож­но­сти про­мыш­лен­но­го при­ме­не­ния идеи на те­ку­щем уровне зна­ний и тех­но­ло­гий. Спо­соб­ность же (прин­ци­пи­аль­ная, не у вся­кой си­сте­мы) ADS стар­то­вать во­об­ще "без топ­ли­ва", не ис­поль­зуя ма­те­ри­а­лы, при­год­ные для ядер­но­го ре­ак­то­ра - уран-235 или плутоний-​239 сей­час и на любое обо­зри­мое бу­ду­щее про­сто не вос­тре­бо­ва­на: за­па­сы граж­дан­ско­го и во­ен­но­го плу­то­ния до­ста­точ­ны на де­сят­ки лет стро­и­тель­ства и ввода "быст­рых" ре­ак­то­ров удар­ны­ми тем­па­ми, чего тоже даже не ви­дит­ся на го­ри­зон­те. Рос­сия может стро­ить мак­си­мум 1-2 ре­ак­то­ра раз­мер­но­сти БН-1200 в год, на каж­дый ре­ак­тор при­хо­дит­ся по 6 тонн на­чаль­ной за­груз­ки плу­то­ния, за­па­сы плу­то­ния - по­ряд­ка 160 тонн. С учё­том того, сколь­ко но­во­го топ­ли­ва на­ра­ба­ты­ва­ют уже по­стро­ен­ные ре­ак­то­ры, можно счи­тать, что Рос­сии плу­то­ния хва­тит на любую ре­аль­ную пер­спек­ти­ву. Это даже без учёта до­бы­чи урана и на­ра­бот­ки но­во­го плу­то­ния в теп­ло­вых ре­ак­то­рах. В дру­гих стра­нах слож­нее, но в дру­гих стра­нах слож­нее и с ядер­ной энер­ге­ти­кой в целом. Имеет ли смысл пе­ре­жи­вать о них, если они вы­бра­ли дру­гой ма­ги­страль­ный путь в обес­пе­че­нии себя энер­ги­ей?

Нужно, прав­да, до­ба­вить, что кон­цеп­ты ADS, раз­ра­бо­тан­ные в СССР (и сей­час вяло ко­вы­ря­е­мые в Дубне), имели-​имеют осо­бен­но­сти по срав­не­нию с кон­цеп­том Руб­биа (почти-​дошедшем до же­ле­за и со­всем недав­но за­кры­том MYRRHA), из-за чего дуб­нес­цы даже на­ста­и­ва­ли на осо­бом на­зва­нии си­сте­мы - мол, наш ЯРТ это не ваш там вся­кий ADS. На­при­мер, уско­ри­тель (что для уско­ри­тель­щи­ков, вполне по­ни­ма­ю­щих свои про­бле­мы, ло­гич­но) пред­ла­гал­ся на более вы­со­кие энер­гии и мень­ший ток (от­ку­да и на­зва­ние ЯРТ - "ядерно-​релятивисткие тех­но­ло­гии"), а зона пред­ла­га­лась глу­бо­ко под­кри­тич­ной. Это ре­ша­ло часть про­блем, но "стас­ки­ва­ло оде­я­ло" с дру­гих ча­стей си­сте­мы: на­при­мер, тре­бу­е­мая для за­свет­ки глу­бо­ко под­кри­тич­ной зоны мощ­ность уско­ри­те­ля го­раз­до боль­ше, чем у ита­льян­цев. У ита­льян­цев уско­ри­тель тре­бу­ет­ся в разы мень­ше, равно как и на по­ряд­ки мень­ше ма­те­ри­а­ло­вед­че­ских про­блем из-за более мяг­ко­го спек­тра в сред­нем по ре­ак­то­ру. 

Если вы­би­рать из раз­ных сор­тов этого тех­ни­че­ско­го безу­мия, то мне лично ближе ки­тай­ский ва­ри­ант - в каком-​то смыс­ле про­ме­жу­точ­ный: зона до­ста­точ­но близ­кая к кри­ти­ке и уско­ри­тель на боль­шие энер­гии (а зна­чит, и срав­ни­тель­но простой-​небольшой) . Но по­сколь­ку ки­тай­цы в своей тех­ни­че­ской по­ли­ти­ке более вме­ня­е­мы, чем ита­льян­цы, даль­ше раз­го­во­ров у них дело не зашло, и все­рьёз про­ек­ти­ро­вать свою фи­го­тень они даже не на­чи­на­ли. Как, впро­чем, и рус­ские.

Может быть, на новом витке, с какими-​то но­вы­ми на­уч­ны­ми иде­я­ми или новой уско­ри­тель­ной тех­ни­кой, кон­цепт ADS (или ЯРТ - на­зы­вай­те как хо­ти­те) вы­пол­зет из тех­ни­че­ско­го под­по­лья и нач­нёт об­суж­дать­ся все­рьёз. Пока её сто­рон­ни­ки ходят по пра­ви­тель­ствам, бор­мо­ча "дай ми­ли­ард, дай мил­ли­ард" без осо­бой на­дёж­ды.