Плутоний и замыкание ядерного топливного цикла.

На афтершоке много обсуждают атомную энергетику и ее будущее - быстрые реакторы, работающие на плутонии (тория в этом обзоре касаться не будем). Я хочу рассказать о малоизвестных аспектах замыкания.

Как известно, ядерная физика подарила нам возможность создать реактор, который при работе может превращать не поддерживающий цепную реакцию U238 в Pu239, т.е. сжигая делящийся материал нарабатывать новый. Более того, в специально сконструированном реакторе нарабатываться материала может больше, чем расходываться. Коэффициент, показывающий соотношение наработанного материала к затраченному называется Кв (воспроизводства). Теоретически, Кв может принимать значения вплоть до ~2, в реальных же быстрых реакторах, которые должны еще и электроэнергию вырабатывать он скорее всего попадет в диапазон 1.1-1.3 (современные варианты) 1.4-1.5 (перспективные).

Рассмотрим поподробнее, что такое воспроизводство топлива, на примере БН-1200. Итак, у БН-1200 кампания топлива (время между частичными перезагрузками) - 1 год, каждая ТВС находится в реакторе 4 лет, постепенно выгорая и  еще один год во внутриреакторорном хранилище. После чего ТВС извлекается, отмывается и отправляется в бассейн выдержки. В бассейне ей придется простоять, судя по французкому опыту 3-4 года. После этого ее можно переработать, извлечь оставшийся и вновь наработавшийся плутоний. Кроме такой сборки есть еще сборки боковых экранов воспроизводства, которые имеет смысл извлекать каждый год, выстаивать еще 4 года и так же перерабатывать.

Вся эта информация позволяет нам прикинуть цикл плутония: каждый год мы загружаем Х кг. плутония в реактор и извлекаем 1 Х начиная со второго года работы и 1.2Х начиная с 5ого (для БН). Но извлекаем в виде сборок, для того, что бы засунуть обратно, мы должны еще подождать 4-5 лет, пока сборки "остынут" и еще где-то полгода на переработку и фабрикацию новых сборок.

Таким образом получается, что за первые 5 лет мы вложим в реактор 5Х плутония, затем за счет воспроизводства нам начнется возвращаться плутоний темпом 0.2Х в год. Получается, что при работе реактора размножителя плутония на следующий реактор мы накопим аж за 25 лет работы первого! Осталось добавить, что для БН-1200 Х=2.1 тонны плутония, а в целом необходимый инвертарь плутония на каждый пускаемый блок - ~10 тонн. 

Рис. 1. Гибридный замкнутый цикл с БН-1200 и ВВЭР-1200.

Получившееся время удвоения топлива - 25 лет, характеризует темп, с которым мы можем строить новые блоки.  Количество блоков, которое мы сможем построить за T лет будет равно N = A*2^(T/D), где N - количество, A - стартовое количество блоков, которое зависит от инвертаря плутония на момент начала строительства, а D - как раз время удвоения топлива. 

Критично важной величиной становится величина стартового запаса плутония. Ситуация для России оценивается так:

- 92 тонны оружейного плутония находятся в боеголовках и стратегическом резерве
- 34 тонны мы должны по договору с США уничтожить путем сжигания в БН-800. (тема для отдельного большого поста, очень много нюансов)
- ~50 тонн плутония разного качества было выделено из ТВС разных реакторов
- ~100 тонн плутония находится в отработанном топливе РБМК и ВВЭР-1000, которое сейчас перерабатывать экономически нецелесообразно.

По поводу последнего хотелось бы отметить, что в современном реакторе с глубоким выгоранием нарабатывается плутоний, богатый четными изотопами (Pu-240, Pu-242, до 40%), которые не делятся и сильно ухудшают качество плутония, как топлива. Поэтому приходится последнюю цифру (100 тонн) половинить. 

Итак, мы можем сказать, что на 2020 год в России будет ~150 тонн плутония. Это позволит построить ~20 реакторов БН-1200. Я сделал простенькую модель воспроизводства плутония, на чуть более оптимистичных установках, и получил, что развиваясь от 150 тонн 360ый блок БН-1200 (из известного расчета) мы сможем позволить себе на 74 год развития.

Более того, серьезные исследователи из Курчатовского института Н. Пономарев-Степной и В. Цибульский, эту модель построили гораздо более внимательно, и получили вот такой график (слева - 2100 год, а не 2010): 

Ну что, есть идеи, как победить такой график?