Быст­рые ней­тро­ны в энер­ге­ти­ке

Недав­но в ми­ро­вой энер­ге­ти­ке про­изо­шло со­бы­тие, ко­то­рое можно срав­нить разве что с со­зда­ни­ем веч­но­го дви­га­те­ля. Учё­ные шли к этому без ма­ло­го 80 лет, 50 из ко­то­рых ушло на от­ра­бот­ку тех­но­ло­гии по до­сти­же­нию без­опас­ной экс­плу­а­та­ции ре­ак­то­ра.

Чет­вёр­тый энер­го­блок Бе­ло­яр­ской АЭС с ре­ак­то­ром на быст­рых ней­тро­нах "БН-800" пол­но­стью пе­ре­ве­ли на ин­но­ва­ци­он­ное МОКС-​топливо ещё в сен­тяб­ре 2022 года, а недав­но была про­ве­де­на ре­ви­зия, ко­то­рая по­ка­за­ла устой­чи­вую ра­бо­ту ре­ак­то­ра на но­ми­наль­ной мощ­но­сти без каких-​либо от­кло­не­ний.

Впер­вые в мире про­мыш­лен­ный атом­ный ре­ак­тор начал штат­но ра­бо­тать на ядер­ных от­хо­дах, ис­поль­зуя их в ка­че­стве топ­ли­ва.

МОКС-​топливо, за­гру­жа­е­мое в ре­ак­тор "БН-800", пред­став­ля­ет собой смесь несколь­ких видов ок­си­дов де­ля­щих­ся ма­те­ри­а­лов, в число ко­то­рых вхо­дят изо­то­пы урана-​235 и урана-​238, а также энер­ге­ти­че­ский плу­то­ний.

То есть ре­ак­тор "БН-800" ра­бо­та­ет на от­ра­бо­тан­ном ядер­ном топ­ли­ве дру­гих АЭС с до­бав­ле­ни­ем обед­нён­но­го урана, ко­то­рый ранее не ис­поль­зо­вал­ся в ядер­ной энер­ге­ти­ке и шёл в отвал как про­дукт от­хо­да про­из­вод­ства ядер­но­го топ­ли­ва после про­це­дур обо­га­ще­ния урана.

Ре­ак­тор БН-800

От­ра­бо­тан­ное ядер­но­го топ­ли­во от тра­ди­ци­он­ных АЭС пред­став­ля­ет собой боль­шую опас­ность из-за его ра­дио­ак­тив­но­сти, ко­то­рая гу­би­тель­на для всего жи­во­го на про­тя­же­нии 100 тысяч лет.

И что с этим доб­ром де­лать? Про­бле­ма за­хо­ро­не­ния ядер­ных от­хо­дов - очень се­рьёз­ная. И ре­шить её ока­за­лось чрез­вы­чай­но слож­но.

Ин­фо­гра­фи­ка ре­а­ли­за­ции про­грамм по со­зда­нию си­сте­мы за­хо­ро­не­ния вы­со­ко­ак­тив­ных РАО.

Почти все стра­ны, име­ю­щие же­ла­ние ре­шить дан­ную про­бле­му, сошли с ди­стан­ции, несмот­ря на за­тра­чен­ные уси­лия. Так, Шве­ция, ко­то­рая со­би­ра­лась про­сто за­хо­ро­нить от­ра­бо­тан­ные ядер­ные от­хо­ды в чи­стом виде без какой-​либо пе­ре­ра­бот­ки, при­оста­но­ви­ла в 2020 году свой про­ект "веч­но­го глу­бин­но­го за­хо­ро­не­ния РАО" и со­би­ра­ет­ся его ре­а­ли­зо­вать толь­ко к 2045 году.

Гер­ма­ния во­об­ще окон­ча­тель­но оста­но­ви­ла научно-​исследовательские ра­бо­ты по этому на­прав­ле­нию в 2013 году, при­знав пол­ное фиа­ско перед про­бле­мой. Это по­ста­ви­ло окон­ча­тель­ную точку в ядер­ной энер­ге­ти­ке Гер­ма­нии, ко­то­рую она была вы­нуж­де­на за­кры­вать по со­об­ра­же­ни­ям без­опас­но­сти, и ни­ка­кие ман­тры о том, что Гер­ма­ния за­кры­ла все свои АЭС из-за эко­ло­гии, не имеют под собой ре­аль­ных до­во­дов.

В США сошли с ди­стан­ции в 2009 году, и окон­ча­тель­но за­кры­ли во­прос в 2016 году, несмот­ря на 42 мил­ли­ар­да дол­ла­ров, по­тра­чен­ные на это. Всё от­ра­бо­тан­ное ядер­ное топ­ли­во с АЭС в США при­рав­не­но к ядер­ным от­хо­дам.

В Фин­лян­дии в сле­ду­ю­щем году за­ра­бо­та­ет пер­вое в мире хра­ни­ли­ще ядер­ных от­хо­дов.

Хра­ни­ли­ще рас­по­ло­же­но на ост­ро­ве Ол­ки­лу­ото близ юго-​западного по­бе­ре­жья Фин­лян­дии. Там же рас­по­ла­га­ет­ся АЭС «Ол­ки­лу­ото».

Хра­ни­ли­ще будет пред­став­лять собой тун­не­ли из гра­нит­ной по­ро­ды, в ко­то­рых на глу­бине 400 мет­ров будут за­ко­па­ны и при­кры­ты гли­ной мед­ные кон­тей­не­ры с 6500 тон­на­ми ра­дио­ак­тив­ных от­хо­дов. Там эти от­хо­ды будут на­хо­дить­ся несколь­ко сотен тысяч лет, пока уро­вень ра­ди­а­ции не ста­нет био­ло­ги­че­ски при­ем­ле­мым.

Ана­ло­гич­ные про­ек­ты ве­дут­ся во Фран­ции «CIGEO» и Рос­сии «Ени­сей­ский». Вот толь­ко для Рос­сии про­бле­ма от­ра­бо­тан­ных ядер­ных от­хо­дов недав­но пол­но­стью ре­ши­лась: те­перь это будет топ­ли­во для но­во­го по­ко­ле­ния АЭС.

Как бы ни па­ра­док­саль­но это зву­ча­ло, но от­ра­бо­тан­ное топ­ли­во одних АЭС после пе­ре­ра­бот­ки ста­но­вит­ся пол­но­цен­ным топ­ли­вом для дру­гих АЭС - в част­но­сти, для ре­ак­то­ров на быст­рых ней­тро­нах.

И этот цикл можно про­дол­жать фак­ти­че­ски бес­ко­неч­но, одно и то же от­ра­бо­тан­ное топ­ли­во можно пе­ре­ра­ба­ты­вать, вклю­чая в него обед­нён­ный уран (ко­то­рый не пред­став­ля­ет осо­бой опас­но­сти) и снова за­гру­жать в ак­тив­ную зону ре­ак­то­ра. И так - по кругу, пока на Земле не за­кон­чит­ся весь при­род­ный уран.

По дан­ным Меж­ду­на­род­но­го агент­ства по атом­ной энер­гии, в раз­ве­дан­ных на се­го­дня ура­но­вых ме­сто­рож­де­ни­ях со­дер­жит­ся более 6 мил­ли­о­нов тонн урана.

Оцен­ка дана на из­вле­ка­е­мые ре­сур­сы урана (ра­зум­но га­ран­ти­ро­ван­ные ком­мер­че­ски из­вле­ка­е­мые ре­сур­сы).

По­треб­ность урана на се­го­дня со­став­ля­ет по­ряд­ка 65000 тонн в год, по дан­ным агент­ства по ядер­ной энер­гии.

Ми­ро­вое про­из­вод­ство урана и по­треб­но­сти в ре­ак­то­рах (в тон­нах Ед)

Неслож­но под­счи­тать, что при со­хра­не­нии ны­неш­не­го темпа по­треб­ле­ния урана, его хва­тит на 93 года. А при учёте воз­вра­ще­ния ин­те­ре­са к АЭС и к стро­и­тель­ству новых ре­ак­то­ров срок будет со­кра­щён до 50 лет.

И вот тут на­чи­на­ет­ся самое ин­те­рес­ное: из 65000 тонн из­вле­чён­но­го при­род­но­го урана толь­ко 464 тонны могут быть по­лез­но ис­поль­зо­ва­ны в АЭС, а всё осталь­ное - 64 535 тонн - идёт в отвал про­из­вод­ства в виде обед­нён­но­го урана, со­сто­я­ще­го на 99,7% из изо­то­па урана 238.

Всё дело в том, что при­род­ный уран со­сто­ит на 99,27% из изо­то­па урана-​238, ко­то­рый неспо­со­бен под­дер­жи­вать цеп­ную ре­ак­цию де­ле­ния атом­но­го ядра, и толь­ко изо­топ урана-​235 (0,72%) и очень неболь­шое ко­ли­че­ство урана-​234 (0,0050%) при­ме­ня­ют­ся как топ­ли­во для АЭС.

Энер­гия, ко­то­рая вы­де­ля­ет­ся из этих 0,72% ядер урана, с лих­вой пе­ре­кры­ва­ет все за­тра­ты на его до­бы­чу и обо­га­ще­ние, то есть до­ве­де­ние кон­цен­тра­ции изо­то­пов урана-​235 до 3-5 и более про­цен­тов.

Обо­га­ща­ет­ся уран на га­зо­вых цен­три­фу­гах. В Рос­сии смог­ли до­бить­ся наи­боль­шей эф­фек­тив­но­сти в тех­но­ло­гии обо­га­ще­ния урана, а га­зо­вые цен­три­фу­ги 9+ по­ко­ле­ния опе­ре­жа­ют своих кон­ку­рен­тов на 15 лет.

Кас­кад га­зо­вых цен­три­фуг вось­мо­го по­ко­ле­ния.

Более по­дроб­но про рос­сий­скую тех­но­ло­гию обо­га­ще­ния урана я писал тут:

Мощ­ность, ко­то­рая по­лу­ча­ет­ся вслед­ствие управ­ля­е­мой ре­ак­ции де­ле­ния ядра изо­то­па урана-​235, в мил­ли­о­ны раз пре­вос­хо­дит любой вид сжи­га­е­мо­го уг­ле­во­до­род­но­го топ­ли­ва.

Так, на­при­мер, ре­ак­тор "ВВЭР-1200", ко­то­рый "Ро­са­том" ак­тив­но стро­ит в Рос­сии и по всему миру, в год по­треб­ля­ет 1277,5 кг изо­то­па урана-​235, что эк­ви­ва­лент­но сжи­га­нию 3,5 мил­ли­о­на тонн угля.

3,5 мил­ли­о­на тонн угля про­тив 1,2775 тонн урана-​235 - то есть со­вре­мен­ное ядер­ное топ­ли­во с АЭС, при КПД 37,5%, про­из­во­дит энер­гии на еди­ни­цу массы в 2,7 мил­ли­о­на раз боль­ше, чем пол­но­цен­ная уголь­ная элек­тро­стан­ция.

Вот толь­ко есть одна боль­шая про­бле­ма, ко­то­рая му­ча­ет учё­ных мно­гие де­ся­ти­ле­тия (по­ми­мо ра­дио­ак­тив­ных от­хо­дов).

Ядер­ные про­цес­сы та­ко­вы, что от­валь­ный уран-238 под воз­дей­стви­ем ней­трон­но­го об­лу­че­ния может пре­вра­щать­ся в плутоний-​239, ко­то­рый даже ещё лучше, чем уран-235, под­да­ёт­ся управ­ля­е­мой ре­ак­ции де­ле­ния атом­но­го ядра.

Вы­гля­дит это так:

Ней­трон по­гло­ща­ет­ся изо­то­пом урана-​238, в ре­зуль­та­те чего по­лу­ча­ет­ся изо­топ урана-​239, и далее он транс­му­ти­ру­ет в изо­топ плутония-​239.

По­лу­чив­ши­е­ся изо­то­пы плу­то­ния (не толь­ко 239, но и 240, 241 и про­чие) из­вле­ка­ют­ся путём пе­ре­ра­бот­ки от­ра­бо­тан­но­го ядер­но­го топ­ли­ва. На­при­мер, к ним до­бав­ля­ет­ся обед­нён­ный уран, со­сто­я­щий в ос­нов­ном из изо­то­пов урана-​238, и далее из этой смеси де­ла­ют­ся новые ядер­ные сбор­ки (МОКС-​топливо), ко­то­рые по­ме­ща­ют­ся в ядер­ный ре­ак­тор АЭС, при­чем это топ­ли­во может ра­бо­тать как на тра­ди­ци­он­ных АЭС, так и на АЭС с быст­ры­ми ней­тро­на­ми, в ре­зуль­та­те чего от­валь­ный изо­топ урана-​238 вклю­ча­ет­ся в ядер­ный топ­лив­ный цикл АЭС.

Ре­ак­ция де­ле­ния ядра плутония-​239 ана­ло­гич­на ре­ак­ции де­ле­ния урана-​235.

А это зна­чит, что за­па­сов урана хва­тит те­перь не на 50 лет, а на 7000 лет. Что ж, одной про­бле­мой мень­ше.

Все эти про­цес­сы были из­вест­ны ещё в конце 1940-х годов, и тогда пер­спек­ти­вы ис­поль­зо­ва­ния атом­ной энер­гии ка­за­лись бес­ко­неч­ны­ми.

Но мы живём се­го­дня, и что-​то пока не всё так ра­дост­но, как хо­те­лось бы. У нас даже энер­ге­ти­че­ские кри­зи­сы слу­ча­ют­ся, а мно­гие стра­ны во­об­ще ре­ши­ли от­ка­зать­ся от атом­ной энер­ге­ти­ки, несмот­ря на оче­вид­ную вы­го­ду и мощ­ность ядер­но­го ис­точ­ни­ка пи­та­ния.

Как все­гда, что-​то пошло не так.

Уран-238 прак­ти­че­ски не ре­а­ги­ро­вал на мед­лен­ные ней­тро­ны (ней­тро­ны с мень­шей энер­ги­ей), а имен­но они нужны для ка­че­ствен­ной ре­ак­ции с ураном-​235.

• На 10 мил­ли­о­нов слу­ча­ев ней­трон­но­го об­лу­че­ния Урана-​238 в тра­ди­ци­он­ной АЭС всего в одном слу­чае этот ней­трон по­гло­щал­ся, что за­пус­ка­ло це­поч­ку пре­вра­ще­ния урана-​238 в плутоний-​239.

Од­на­ко в ре­ак­то­рах на быст­рых ней­тро­нах, где ней­тро­ны не за­мед­ля­ют­ся, уран-238 пре­вра­ща­ет­ся в плутоний-​239 более про­дук­тив­но. Но тогда уран-235 пе­ре­ста­ёт нор­маль­но де­лить­ся. Палка о двух кон­цах...

Выход был най­ден в уве­ли­че­нии кон­цен­тра­ции урана-​235 до 20%, что стало при­чи­ной силь­но­го удо­ро­жа­ния ядер­но­го топ­ли­во для ре­ак­то­ров на быст­рых ней­тро­нах.

Если тра­ди­ци­он­ные АЭС ра­бо­та­ют на топ­ли­ве с 3-5% обо­га­ще­ния урана-​235, то для АЭС на быст­рых ней­тро­нах нужно обо­га­ще­ние до 16-20%.

Эти про­цес­сы от­ра­ба­ты­ва­лись на экс­пе­ри­мен­таль­ных ре­ак­то­рах в ла­бо­ра­тор­ных усло­ви­ях по всему миру на про­тя­же­нии 30 лет.

Научно-​исследовательские ре­ак­то­ры на быст­рых ней­тро­нах

После того, как были изу­че­ны про­цес­сы и были по­до­бра­ны необ­хо­ди­мые ма­те­ри­а­лы, а сам ре­ак­тор по­ка­зал свою без­опас­ную ра­бо­то­спо­соб­ность, тех­но­ло­гия ре­ак­то­ров на быст­рых ней­тро­нах на­ча­ла вы­хо­дить в про­мыш­лен­ную экс­плу­а­та­цию.

И вот тут учё­ных под­жи­да­ли ещё боль­шие слож­но­сти, неко­то­рые из ко­то­рых ока­за­лись непре­одо­ли­мы­ми.

Оста­нов­лен­ные про­мыш­лен­ные ре­ак­то­ры на быст­рых ней­тро­нах

Уве­ли­че­ние мощ­но­сти ре­ак­то­ра на быст­рых ней­тро­нах вы­зы­ва­ло всплес­ки ре­ак­тив­но­сти, ко­то­рых не на­блю­да­лось на научно-​исследовательских ре­ак­то­рах малой мощ­но­сти.

Всё это при­во­ди­ло к по­сто­ян­ным ава­ри­ям, утеч­кам теп­ло­но­си­те­ля, вы­хо­ду из строя на­со­сов и про­че­го обо­ру­до­ва­ния. Ре­ак­то­ры оста­нав­ли­ва­лись, про­бле­мы устра­ня­лись, но снова про­яв­ля­лись.

На­при­мер, в "БН-350" - пер­вой в ми­ро­вой ис­то­рии энер­ге­ти­че­ской ре­ак­тор­ной уста­нов­ке на быст­рых ней­тро­нах про­мыш­лен­но­го уров­ня мощ­но­сти - про­блем было столь­ко, что они до сих пор ре­ша­ют­ся.

Несмот­ря на то, что ре­ак­тор за­глу­ши­ли в 1999 году, но вы­ве­сти его из окон­ча­тель­ной экс­плу­а­та­ции стало неподъ­ём­ной про­бле­мой для Ка­зах­ста­на. При­шлось при­вле­кать "Ро­са­том".

Пе­ре­фра­зи­руя фразу Та­ра­са Буль­бы: "Я тебя по­ро­дил, я тебя и убью".

США, Гер­ма­ния, Ве­ли­ко­бри­та­ния и Япо­ния не смог­ли ре­шить про­бле­му без­ава­рий­ной экс­плу­а­та­ции про­мыш­лен­ных ре­ак­то­ров на быст­рых ней­тро­нах.

На­при­мер, ам­би­ци­оз­ный про­ект атом­ной от­рас­ли Япо­нии - АЭС Мон­дзю - был при­знан невоз­мож­ным при ны­неш­нем уровне раз­ви­тия тех­но­ло­гий. И это в одной из самых тех­но­ло­ги­че­ски раз­ви­тых стран мира. Их ре­ак­тор теп­ло­вой мощ­но­стью в скром­ные 714 МВт начал раз­ва­ли­вать­ся бук­валь­но с пер­вых ме­ся­цев экс­плу­а­та­ции - одна ава­рия за дру­гой. Всего же за 20 лет ра­бо­ты АЭС её ре­ак­тор на быст­рых ней­тро­нах фак­ти­че­ски ра­бо­тал мень­ше года. И за это всё на­столь­ко усу­гу­би­лось, что те­перь ути­ли­за­ция этой АЭС, на­чав­ша­я­ся в 2017 году, про­длит­ся аж до 2047 года.

Но не нужно сме­ять­ся над япон­ца­ми. Они всё де­ла­ли вы­ве­рен­но и пра­виль­но. И по за­ко­нам ядер­ной фи­зи­ки все долж­но было ис­прав­но ра­бо­тать. Од­на­ко всё-​таки не ра­бо­та­ет...

Про­бле­му от­но­си­тель­ной без­опас­ной экс­плу­а­та­ции ре­ак­то­ров на быст­рых ней­тро­нах уда­лось ре­шить толь­ко во Фран­ции и в СССР.

Во Фран­ции это были ре­ак­то­ры "Фе­никс" и "Су­пер­фе­никс", а в СССР - "БН-350" и "БН-600".

Од­на­ко сле­ду­ю­щая пор­ция "сюр­при­зов" была ещё впе­ре­ди. Сама суть со­зда­ния ре­ак­то­ров на быст­рых ней­тро­нах была как раз во вклю­че­нии в топ­лив­ный цикл изо­то­па урана-​238, а также в ис­поль­зо­ва­нии в ка­че­стве топ­ли­ва от­ра­бо­тан­но­го ядер­но­го топ­ли­ва тра­ди­ци­он­ных АЭС.

Фран­цуз­ские атом­щи­ки пер­вы­ми на­ча­ли экс­пе­ри­мен­ты с МОКС-​топливом, а ре­ак­тор "Фе­никс" стал пер­вым в мире ре­ак­то­ром, ак­тив­ная зона ко­то­ро­го ра­бо­та­ла пол­но­стью на МОКС-​топливе.

И вна­ча­ле всё шло успеш­но. Было при­ня­то ре­ше­ние о стро­и­тель­стве более мощ­но­го ядер­но­го ком­плек­са - "Су­пер­фе­никс". Это был не про­сто ре­ак­тор, а целый завод по пе­ре­ра­бот­ке и про­из­вод­ству МОКС-​топлива, ко­то­рый дол­жен был экс­пе­ри­мен­таль­но ра­бо­тать в ре­жи­ме за­мкну­то­го ядер­но­го цикла.

Од­на­ко на­ча­лась че­ре­да "очень стран­ных дел", и "Фе­никс" на МОКС-​топливе начал про­яв­лять при­зна­ки неста­биль­но­сти, а далее пошли снова скач­ки ре­ак­тив­но­сти, при­во­див­шие к ава­ри­ям. Про­бле­ма, ко­то­рую, ка­за­лось бы, уже ре­ши­ли, при­об­ре­ла новые крас­ки, из-за ис­поль­зо­ва­ния МОКС-​топлива. Ре­ак­тор мог пойти враз­нос в любой мо­мент, а устра­нить непо­лад­ки так и не по­лу­ча­лось. Элек­три­че­ская мощ­ность ре­ак­то­ра была сни­же­на с 250 МВт до 140 МВт, и толь­ко тогда ано­маль­ные скач­ки ре­ак­тив­но­сти пре­кра­ти­лись, так он и про­ра­бо­тал до за­кры­тия.

"Су­пер­фе­никс" элек­три­че­ской мощ­но­стью 1200 МВт так никто и не ре­шил­ся за­пу­стить на МОКС-​топливе, а на уране он имел очень низ­кий КПД. Пра­ви­тель­ство Фран­ции все­рьёз опа­са­лось за за­пуск ре­ак­то­ра на МОКС-​топливе ввиду нере­шён­ных про­блем экс­плу­а­та­ции ре­ак­то­ра "Фе­никс" при мень­шей мощ­но­сти.

Superphoenix

Это могло при­ве­сти к ядер­ной ка­та­стро­фе, по­это­му по­ли­ти­ки вся­че­ски огра­ни­чи­ва­ли его ра­бо­ту.

В итоге про­ект "Су­пер­фе­никс" был окон­ча­тель­но за­крыт в 1998 году, а ре­ак­тор "Фе­никс" за­глу­шен в 2009 году. С тех пор фран­цуз­ские атом­щи­ки не воз­вра­ща­ют­ся к те­ма­ти­ке ре­ак­то­ров на быст­рых ней­тро­нах.

Од­на­ко их опыт экс­пе­ри­мен­таль­но по­ка­зал, что при ис­поль­зо­ва­нии МОКС-​топлива ядер­ные про­цес­сы та­ко­вы, что уран-238 пре­вра­ща­ет­ся в плутоний-​239 в 70 раз эф­фек­тив­нее, что на прак­ти­ке поз­во­ля­ет до­бить­ся вос­про­из­вод­ства ядер­но­го топ­ли­ва. При этом ре­ак­тор пре­крас­но ра­бо­тал на малых мощ­но­стях и обес­пе­чи­вал сам себя топ­ли­вом с из­быт­ком.

• Ко­эф­фи­ци­ент вос­про­из­вод­ства топ­ли­ва со­ста­вил 1,16 ед, то есть про­из­во­ди­лось на 16% боль­ше плу­то­ния, чем по­треб­ля­лось во время ра­бо­ты.

Фран­цу­зы в 1970-х годах со­зда­ли самую пе­ре­до­вую на тот мо­мент тех­но­ло­гию по пе­ре­ра­бот­ке ядер­но­го топ­ли­ва для про­из­вод­ства МОКС-​топлива.

И это были уни­каль­ные тех­но­ло­гии, ко­то­рые не уда­лось по­стро­ить даже аме­ри­кан­цам, они после 50 лет ис­пы­та­ний окон­ча­тель­но от­ка­за­лись от стро­и­тель­ства за­во­да по про­из­вод­ству МОКС-​топлива в 2018 году.

В Ве­ли­ко­бри­та­нии завод по про­из­вод­ству МОКС-​топлива (Thermal Oxide Reprocessing Plant) был по­стро­ен в 1994 году, но он так и не вышел на про­ект­ную мощ­ность, в 2011 году было при­ня­то ре­ше­ние о по­сте­пен­ной его оста­нов­ке, а в 2018 году завод окон­ча­тель­но за­кры­ли.

Вывод из экс­плу­а­та­ции за­во­да будет про­из­ве­дён через несколь­ко де­ся­ти­ле­тий. Как ожи­да­ет­ся, это про­изой­дёт между 2075 и 2095 го­да­ми из-за вы­со­ко­го уров­ня ра­ди­а­ции.

На за­во­де боль­ше не будут пе­ре­ра­ба­ты­вать топ­ли­во и сде­ла­ют из него базу хра­не­ния от­ра­бо­тан­но­го ядер­но­го топ­ли­ва с бри­тан­ско­го парка АЭС.

В СССР с про­из­вод­ством МОКС-​топлива для ре­ак­то­ров не то­ро­пи­лись, со­сре­до­то­чив все свои уси­лия на до­ве­де­нии про­мыш­лен­ных ре­ак­то­ров "БН-350" и "БН-600" до уров­ня без­опас­ной экс­плу­а­та­ции.

Ре­ак­тор "БН-600", за­пу­щен­ный в 1980 году, фак­ти­че­ски про­шёл через все про­бле­мы, с ко­то­ры­ми не спра­ви­лись все про­чие быст­рые ре­ак­то­ры. Там было всё: ава­рии, утеч­ки на­трия, выход обо­ру­до­ва­ния из строя, ошиб­ки пер­со­на­ла. МОКС-​топливо для ре­ак­то­ра не ис­поль­зо­ва­ли, но зато смог­ли пре­одо­леть все труд­но­сти экс­плу­а­та­ции этого типа ре­ак­то­ра, в ко­неч­ном итоге от­ра­бо­тав тех­но­ло­гию без­опас­ной экс­плу­а­та­ции.

На это по­тре­бо­ва­лось без ма­ло­го 35 лет кро­пот­ли­вых ис­сле­до­ва­ний. И толь­ко после того, как учё­ные убе­ди­лись в штат­ной и без­опас­ной ра­бо­те ре­ак­то­ра, было при­ня­то ре­ше­ние о со­зда­нии в Рос­сии пол­но­го цикла про­из­вод­ства МОКС-​топлива.

Опыт экс­плу­а­та­ции "БН-600" поз­во­лил в от­но­си­тель­но ко­рот­кие сроки (10 лет) со­здать про­из­вод­ства МОКС-​топлива в Рос­сии. Од­на­ко не всё топ­ли­во оди­на­ко­во по­лез­но, и чтобы не по­вто­ри­лись ошиб­ки фран­цуз­ско­го "Фе­ник­са", к во­про­су при­ме­не­ния МОКС-​топлива по­до­шли с фун­да­мен­таль­ной точки зре­ния. На­при­мер, было про­те­сти­ро­ва­но более сотни раз­лич­ных ком­би­на­ций МОКС-​топлива, пока не был най­ден оп­ти­маль­ный по своим ха­рак­те­ри­сти­кам со­став МОКС-​топлива.

И толь­ко в 2015 году на "БН-600" успеш­но про­шли фи­наль­ные ис­пы­та­ния по те­сти­ро­ва­нию уран-​плутониевого топ­ли­ва, что и опре­де­ли­ло бу­ду­щее ин­ду­стрии по про­из­вод­ству этого вида топ­ли­ва.

С 2015 года в Рос­сии на­ча­лось про­мыш­лен­ное про­из­вод­ство МОКС-​топлива на Же­лез­но­гор­ском горно-​химическом ком­би­на­те, и далее про­из­вод­ство было на­ла­же­но на "НИИАР" и ПО «Маяк».

Научно-​исследовательский ин­сти­тут атом­ных ре­ак­то­ров (НИИАР)

На­ра­бот­ки и опыт экс­плу­а­та­ции "БН-600" по­слу­жи­ли для даль­ней­ше­го раз­ви­тия более мощ­ных ре­ак­то­ров на быст­рых ней­тро­нах. В 2015 году был за­пу­щен ре­ак­тор но­во­го по­ко­ле­ния "БН-800", ак­тив­ная зона ко­то­ро­го была пред­на­зна­че­на для 100%-ной за­груз­ки МОКС-​топливом. Спу­стя 7 лет, после экс­пе­ри­мен­тов и адап­та­ции, слу­чи­лось то, о чём меч­та­ли все атом­щи­ки мира: наконец-​то че­ло­ве­че­ству уда­лось со­здать мощ­ный ре­ак­тор теп­ло­вой мощ­но­стью 2100 МВт, ко­то­рый ра­бо­та­ет на МОКС-​топливе.

• За год ра­бо­ты ни­ка­ких ин­ци­ден­тов вы­яв­ле­но не было. Ре­ак­тор на МОКС-​топливе ра­бо­та­ет так же без­опас­но, как и АЭС на тра­ди­ци­он­ном ура­но­вом топ­ли­ве.

Ав­то­ри­тет­ный аме­ри­кан­ский жур­нал по энер­ге­ти­ке «POWER» на­звал ре­ак­тор "БН-800" луч­шим ядер­ным ре­ак­то­ром в ис­то­рии че­ло­ве­че­ства и пер­вым ре­ак­то­ром чет­вёр­то­го по­ко­ле­ния.

Рос­сий­ские учё­ные со­зда­ли "все­ма­ши­ну", ко­то­рая про­из­во­дит по­лез­ную элек­три­че­скую мощ­ность (880 МВт), ути­ли­зи­руя при этом ору­жей­ный плу­то­ний и от­ра­бо­тан­ное ядер­ное топ­ли­во, а также про­из­во­дя изо­то­пы для раз­но­го рода про­мыш­лен­но­сти и играя ре­ша­ю­щую роль в фор­ми­ро­ва­нии эко­ло­ги­че­ски чи­сто­го «за­мкну­то­го» ядер­но­го топ­лив­но­го цикла.

Но мало со­здать без­опас­ный ре­ак­тор на быст­рых ней­тро­нах - к нему нужно ещё со­здать без­опас­ный вид МОКС-​топлива. И "БН-800" стал пер­вым ре­ак­то­ром, вы­пол­нив­шим все эти тре­бо­ва­ния.

Рос­сий­ские атом­щи­ки успеш­но со­зда­ли "РЕМИКС-​топливо" — это рос­сий­ский ана­лог фран­цуз­ско­го МОКС-​топлива для тра­ди­ци­он­ных АЭС, пред­став­ля­ю­щий собой смесь ок­си­дов изо­то­па урана и энер­ге­ти­че­ско­го плу­то­ния. Дан­ное топ­ли­во раз­ра­бо­та­но спе­ци­аль­но для ре­ак­то­ров на теп­ло­вых ней­тро­нах и не может быть ис­поль­зо­ва­но в ре­ак­то­рах на быст­рых ней­тро­нах.

• Од­на­ко тра­ди­ци­он­ные АЭС, при­ме­няя этот вид топ­ли­во, тоже смо­гут ра­бо­тать на про­дук­тах пе­ре­ра­бот­ки сво­е­го же ядер­но­го топ­ли­ва.

Такая прак­ти­ка рас­про­стра­не­на в мире, и это за­слу­га фран­цуз­ских атом­щи­ков. Бу­дучи пи­о­не­ра­ми в раз­ра­бот­ке МОКС-​топлива, они су­ме­ли адап­ти­ро­вать ре­ак­то­ры тра­ди­ци­он­ных АЭС для ис­поль­зо­ва­ния МОКС-​топлива при его доле от 30 до 50% от общей за­груз­ки ядер­но­го топ­ли­ва в ак­тив­ную зону ре­ак­то­ра.

Тра­ди­ци­он­ные теп­ло­вые ре­ак­то­ры могут быть на 100 % за­гру­же­ны МОКС-​топливом при со­от­вет­ству­ю­щей адап­та­ции. Од­на­ко се­го­дня на MOКС-​топливо при­хо­дит­ся всего 2% от об­ще­го объ­ё­ма ядер­но­го топ­ли­ва, ис­поль­зу­е­мо­го в мире.

Япон­ская АЭС "Ома", ввод в экс­плу­а­та­цию ко­то­рой пла­ни­ру­ет­ся на 2026 год, долж­на стать пер­вой в мире тра­ди­ци­он­ной (теп­ло­вой) АЭС, преду­смат­ри­ва­ю­щей 100%-ную экс­плу­а­та­цию на МОКС-​топливе.

Од­на­ко плу­то­ний, хоть и об­ра­зу­ет­ся в тра­ди­ци­он­ной АЭС, со­дер­жит­ся там в очень малом ко­ли­че­стве, и из­вле­кать его более тру­до­за­трат­но, по­это­му сто­и­мость по­лу­чив­ше­го­ся в итоге МОКС-​топлива по­лу­ча­ет­ся су­ще­ствен­но выше, чем сто­и­мость тра­ди­ци­он­но­го ура­но­во­го топ­ли­ва.

Дру­гое дело - об­ра­зо­ва­ние плу­то­ния из от­ра­бо­тан­но­го ядер­но­го топ­ли­ва, ко­то­ро­го из­вле­ка­ет­ся в де­сят­ки раз боль­ше. Такое МОКС-​топливо по сто­и­мо­сти может при­бли­зить­ся к тра­ди­ци­он­но­му ура­но­во­му топ­ли­ву.

Учи­ты­вая объём на­ко­пив­ше­го­ся от­ра­бо­тан­но­го ядер­но­го топ­ли­ва и от­валь­но­го урана-​238 во всём мире, можно с уве­рен­но­стью за­яв­лять, что этих за­па­сов ми­ро­вой атом­ной энер­ге­ти­ке хва­тит на 300-400 лет. И это без учёта какой-​либо про­мыш­лен­ной до­бы­чи ура­но­вой руды. Нужно про­сто пе­ре­ра­бо­тать всё на­ко­пив­ше­е­ся "добро" в раз­лич­ные раз­но­вид­но­сти уран-​плутониевого топ­ли­ва.

А ре­ак­то­ры на быст­рых ней­тро­нах, как я писал выше, в ходе своей ра­бо­ты про­из­во­дит боль­ше энер­ге­ти­че­ско­го плу­то­ния, чем по­треб­ля­ют. И этот факт де­ла­ет из него ре­аль­ный "веч­ный дви­га­тель". После од­но­крат­ной за­груз­ки в него МОКС-​топлива он будет сам себя им же обес­пе­чи­вать на про­тя­же­нии всего срока экс­плу­а­та­ции ре­ак­то­ра (60-100 лет). Для этого тре­бу­ет­ся ком­плекс по пе­ре­ра­бот­ке от­ра­бо­тан­но­го ядер­но­го топ­ли­ва и цеха по про­из­вод­ству МОКС-​топлива.

Тео­ре­ти­че­ски это можно сде­лать прямо на пло­щад­ке с АЭС, ко­то­рая будет обес­пе­чи­вать теп­лом и энер­ги­ей ком­плект пе­ре­ра­бот­ки и про­из­вод­ства топ­ли­ва, а также вы­да­вать элек­тро­энер­гию для дру­гих по­тре­би­те­лей.

Имен­но такой про­ект во­пло­ща­ет­ся се­го­дня в Рос­сии. Про­ект "Про­рыв" - это самый ам­би­ци­оз­ный про­ект по за­мы­ка­нию ядер­но­го топ­лив­но­го цикла в ми­ро­вой ис­то­рии.

Строй­ка идёт пол­ным ходом (пло­щад­ка в г. Се­вер­ске).

Строй­ка идёт пол­ным ходом

Ос­нов­ная цель про­ек­та - окон­ча­тель­ная де­мон­стра­ция воз­мож­но­сти со­зда­ния ядерно-​энергетических ком­плек­сов, вклю­ча­ю­щих в себя АЭС, пе­ре­ра­бот­ку и про­из­вод­ства ядер­но­го топ­ли­ва, а также - под­го­тов­ку всех видов РАО к окон­ча­тель­но­му уда­ле­нию из тех­но­ло­ги­че­ско­го цикла для круп­но­мас­штаб­ной ядер­ной энер­ге­ти­ки но­во­го по­ко­ле­ния. И всё это будет на одной пло­щад­ке.

Дру­ги­ми сло­ва­ми, "веч­ный ядер­ный дви­га­тель" ста­нет ещё и эко­ло­ги­че­ски чи­стым.

Вот так будет вы­гля­деть про­ект "Про­рыв" в 2029 году по окон­ча­нии стро­и­тель­ства всего ком­плек­са. И при­мер­но так же будет вы­гля­деть атом­ная энер­ге­ти­ка вто­рой по­ло­ви­ны 21 века.

Ком­плекс АЭС с за­мкну­тым ядер­ным топ­лив­ным цик­лом.

В про­ек­те ис­поль­зу­ет­ся ре­ак­тор "БРЕСТ-​ОД-300": Быст­рый Ре­ак­тор Есте­ствен­ной Без­опас­но­сти со Свин­цо­вым Теп­ло­но­си­те­лем - Опыт­но Де­мон­стра­ци­он­ный - элек­три­че­ской мощ­но­стью 300 МВт.

Для ре­ак­то­ра "БРЕСТ-​300" было раз­ра­бо­та­но спе­ци­аль­ное СНУП-​топливо, пред­став­ля­ю­щее собой смесь нит­ри­дов урана и плу­то­ния. Нит­рид плот­нее, чем ок­си­ды в МОКС-​топливе, у него выше теп­ло­про­вод­ность.

Се­го­дня Рос­сия - един­ствен­ная стра­на в мире, спо­соб­ная про­из­во­дить все виды топ­ли­ва для всех видов ре­ак­то­ров: тра­ди­ци­он­ное, МОКС-​топливо, Ремикс-​топливо и СНУП-​топливо.

На се­го­дня един­ствен­ные дей­ству­ю­щие про­мыш­лен­ные ре­ак­то­ры на быст­рых ней­тро­нах тоже на­хо­дят­ся в Рос­сии: "БН-600" и "БН-800". И глав­ное то, что они не про­сто ра­бо­та­ют, а ра­бо­та­ют без­опас­но.

И со­всем скоро у них будет по­пол­не­ние.

На ки­тай­ской АЭС "Сяпу" стро­ит­ся два энер­го­бло­ка "CFR-600" на быст­рых ней­тро­нах элек­три­че­ской мощ­но­стью 600 МВт. Это будет усо­вер­шен­ство­ван­ный де­мон­стра­ци­он­ный ана­лог на­ше­го "БН-600". Пер­вый энер­го­блок будет вве­дён в экс­плу­а­та­цию уже до конца 2023 года, а вто­рой энер­го­блок - до конца 2025 года. Ра­зу­ме­ет­ся, у ки­тай­цев нет опыта экс­плу­а­та­ции столь мощ­ных ре­ак­то­ров на быст­рых ней­тро­нах, и неиз­вест­но, как всё будет про­ис­хо­дить, да и на раз­ра­бот­ку топ­ли­ва для этого ре­ак­то­ра у них уйдёт не одно де­ся­ти­ле­тие. Но "Ро­са­том" ак­тив­но де­лит­ся опы­том с ки­тай­ски­ми атом­щи­ка­ми: в 2022 году он впер­вые осу­ще­ствил меж­ду­на­род­ную по­став­ку МОКС-​топлива для ре­ак­то­ра "CFR-600" на АЭС "Сяпу".

АЭС "Сяпу" будет ра­бо­тать на рос­сий­ском МОКС-​топливе. Думаю, с учё­том кон­суль­та­ции "Ро­са­то­ма" у ки­тай­ских атом­щи­ков по­лу­чит­ся без­опас­но экс­плу­а­ти­ро­вать новые ре­ак­то­ры.

Но и это еще не всё. Неожи­дан­но начал ре­шать­ся во­прос ути­ли­за­ции и хра­не­ния ра­дио­ак­тив­ных от­хо­дов. Да, без­от­ход­но­го про­из­вод­ства не могут дать даже быст­рые ре­ак­то­ры. Од­на­ко в ходе экс­пе­ри­мен­тов с "БН-600" было на прак­ти­ке до­ка­за­но, что мно­го­крат­ная пе­ре­ра­бот­ка с по­сле­ду­ю­щим цик­лом ис­поль­зо­ва­ния ядер­но­го топ­ли­ва в ре­ак­то­рах на быст­рых ней­тро­нах при­во­дит к вы­жи­га­нию самых вы­со­ко­ак­тив­ных изо­то­пов.

Впер­вые эти экс­пе­ри­мен­ты были пуб­лич­но пред­став­ле­ны в 2018 году в до­кла­де на­уч­но­го ру­ко­во­ди­те­ля про­ект­но­го на­прав­ле­ния «Про­рыв» Ада­мо­ва Ев­ге­ния Оле­го­ви­ча.

До­клад на­уч­но­го ру­ко­во­ди­те­ля про­ект­но­го на­прав­ле­ния «Про­рыв» Ада­мо­ва Ев­ге­ния Оле­го­ви­ча «Ос­нов­ные до­сти­же­ния и пер­спек­ти­вы про­ек­та "Про­рыв"» на ме­ро­при­я­тии в госкор­по­ра­ции «Ро­са­том» в «День Науки» 6 фев­ра­ля 2018 года.

В 2022 году ака­де­мик РАН Ада­мов Ев­ге­ний Оле­го­вич пред­ста­вил диа­грам­му ра­дио­ло­ги­че­ской эк­ви­ва­лент­но­сти на ос­но­ве про­ве­ден­ных мно­го­лет­них экс­пе­ри­мен­тов:

Ра­ди­а­ци­он­ная эк­ви­ва­лент­ность.

Экс­пе­ри­мен­ты по­ка­за­ли, что вклю­че­ние ре­ак­то­ров на быст­рых ней­тро­нах в топ­лив­ный цикл атом­ной энер­ге­ти­ки не про­сто поз­во­ля­ет рас­ши­рить топ­лив­ную базу в 140 раз, но и из­ба­вить­ся от про­бле­мы ра­дио­ак­тив­ных от­хо­дов.

Ещё МА­ГАТЭ в 2019 году по­ста­но­ви­ло, что после мно­го­крат­ной пе­ре­ра­бот­ки и ис­поль­зо­ва­ния ядер­но­го топ­ли­ва в ре­ак­то­рах на быст­рых ней­тро­нах ра­дио­ак­тив­ность сни­жа­ет­ся в 100-200 раз, а время вы­держ­ки со­кра­ща­ет­ся со 100 тысяч лет до 1000 лет.

Экс­пе­ри­мен­ты рос­сий­ских атом­щи­ков даже пре­взо­шли стан­дар­ты МАГАТЭ-​2019. На­при­мер, до­ка­за­но, что уже через 100 лет ра­дио­ак­тив­ность ядер­ных от­хо­дов не будет на­но­сить вреда живой эко­си­сте­ме, в том числе че­ло­ве­ку, а через 150-500 лет (в за­ви­си­мо­сти от цик­лов вы­жи­га­ния топ­ли­ва), ра­дио­ак­тив­ность па­да­ет до есте­ствен­но­го уров­ня. Так до­сти­га­ет­ся пол­ный при­род­ный ра­дио­ак­тив­ный ба­ланс: сколь­ко мы из­влек­ли ра­дио­ак­тив­но­сти путём до­бы­чи при­род­но­го урана - столь­ко же мы туда и вно­сим после пол­но­го цикла ис­поль­зо­ва­ния ядер­но­го топ­ли­ва.

И это опре­де­ля­ю­щий фак­тор. Даже если бы ре­ак­то­ры на быст­рых ней­тро­нах не вы­ра­ба­ты­ва­ли новое топ­ли­во, то они всё равно бы были очень по­лез­ны че­ло­ве­че­ству как ути­ли­за­то­ры ра­дио­ак­тив­но­сти.

Те­перь ра­дио­ак­тив­ные от­хо­ды могут со­дер­жать­ся прямо на пло­щад­ке АЭС, не по­ки­дая её пре­де­лов, а по до­сти­же­нии 100 лет их можно за­хо­ро­нить более без­опас­ным спо­со­бом. И даже если про­ис­хо­дит утеч­ка в те­че­ние сле­ду­ю­щих 150-500 лет, это никак не по­вре­дит мест­ной эко­си­сте­ме.

Вот это дей­стви­тель­но ПРО­РЫВ!

При­ят­но знать, что Рос­сия не про­сто на­хо­дит­ся на самых пе­ре­до­вых по­зи­ци­ях в во­про­се быст­рых ре­ак­то­ров и за­мы­ка­ния ядер­но­го топ­лив­но­го цикла. Наши фун­да­мен­таль­ные на­ра­бот­ки уже се­го­дня опре­де­ля­ют бу­ду­щее ми­ро­вой энер­ге­ти­ки.

• Вот за что нужно но­бе­лев­ские пре­мии да­вать, а не за вся­кие ан­га­жи­ро­ван­ные За­па­дом ис­сле­до­ва­ния!

"Ро­са­том" на­де­ет­ся, что новые тех­но­ло­гии про­ек­та "Про­рыв" и ре­ак­то­ры на быст­рых ней­тро­нах ста­нут пред­ме­том экс­пор­та Рос­сии к 2040 году.

А тем вре­ме­нем в Рос­сии ре­ша­ют по­стро­ить ещё один "веч­ный ядер­ный дви­га­тель" на ос­но­ве на­коп­лен­но­го опыта в об­ла­сти ре­ак­то­ров на быст­рых ней­тро­на с на­три­е­вым теп­ло­но­си­те­лем - ре­ак­тор "БН-1200М".

Ра­бо­ты уже на­ча­лись. Про­цесс этот - небыст­рый.

Ре­ак­тор 4+ по­ко­ле­ния "БН-1200М" дол­жен быть по­стро­ен к 2031 году, а к 2035 - выйти на свой но­ми­наль­ный режим ра­бо­ты. Его элек­три­че­ская мощ­ность - 1200 МВт, он ста­нет пер­вым в мире ре­ак­то­ром, спо­соб­ным кон­ку­ри­ро­вать по се­бе­сто­и­мо­сти вы­ра­бот­ки элек­тро­энер­гии с тра­ди­ци­он­ны­ми АЭС, и это без учёта вос­про­из­вод­ства топ­ли­ва. С за­пус­ком этого ре­ак­то­ра в Рос­сии нач­нёт­ся по­сте­пен­ное за­мы­ка­ние ядер­но­го топ­лив­но­го цикла, а экс­порт этой тех­но­ло­гии поз­во­лит на­чать за­мы­кать топ­лив­ный цикл во всём мире.

Вот так! Тех­но­ло­гии, ко­то­рые За­па­дом были при­зна­ны неосу­ще­стви­мы­ми, всё же осу­ще­стви­лись в Рос­сии.

• Ми­ро­вой энер­го­кри­зис от­ме­ня­ет­ся, а "Грин­пис" можно рас­пус­кать. Бла­го­да­рить за это нужно рос­сий­ских учё­ных и атом­щи­ков.

Рос­сия стала не то что пер­вой, а во­об­ще един­ствен­ной стра­ной, ко­то­рая до­ве­ла тех­но­ло­гию ре­ак­то­ров на быст­рых ней­тро­нах до уров­ня без­опас­ной ком­мер­че­ской экс­плу­а­та­ции.

Зато те­перь, видя наши ре­зуль­та­ты, мно­гие ком­па­нии ре­ши­ли идти по та­ко­му же пути. На­при­мер, про­ект ре­ак­то­ра "PLFR-300" аме­ри­кан­ской ком­па­нии "Westinghouse" бук­валь­но ско­пи­ро­ван с воз­во­ди­мо­го се­го­дня ре­ак­то­ра "БРЕСТ-​ОД-300". И в роли теп­ло­но­си­те­ля у них сви­нец, и топ­ли­во нит­рид­ное, и даже мо­дуль­ная кон­струк­ция ана­ло­гич­ная. Про­сто взяли и сли­за­ли всё под ко­пи­роч­ку. Даже мощ­ность по­бо­я­лись из­ме­нять - мало ли что...

Пла­ги­ат во всей красе

Смо­гут ли они осу­ще­ствить свои планы - неиз­вест­но. "Westinghouse" пла­ни­ру­ет при­сту­пить к со­ору­же­нию про­то­тип­но­го ре­ак­то­ра "PLFR" при­бли­зи­тель­но в 2030-2035 годах.

Пост­скрип­тум.

«Пер­вая стра­на, ко­то­рая раз­ра­бо­та­ет ре­ак­тор на быст­рых ней­тро­нах, по­лу­чит кон­ку­рент­ное пре­иму­ще­ство в ис­поль­зо­ва­нии атом­ной энер­гии». Эн­ри­ко Ферми, 1945 год.

На это по­на­до­би­лось почти 80 лет...