Ресурсное обеспечение ядерной энергетики

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

Наиболее распространенными в России в данный момент являются реакторы типа РБМК и типа ВВЭР.

Если объяснять различие «на пальцах», то РБМК – это котел, т.е. в ядреном топливе реакция идёт за пределами теплоносителя, и тепло передается воде снаружи, примерно также, как от сгорающего снаружи газа вода закипает в трубках котла.

Реактор ВВЭР – это чайник с ТЭНами, т.е. бак, в котором находится и вода и ядерное топливо, и за счет реакций, идущих в нем, нагревающий воду, находящуюся снаружи этих ТЭНов.

Тот реактор, который рванул в Чернобыле – был типа РБМК. По факту аварии сделали выводы, систему безопасности существенно усилили,  но в настоящий момент принято решение от них избавляться. Само собой , в России никто их не закрывает (из за страха или требований третей стороны), как поступила Украина со своими реакторами (три из четырех чернобыльских реакторов нормально работали после аварии, и были остановлены принудительно), но никто и не строит: существующие планово дорабатывают свой срок службы, и замещаются реакторами типа ВВЭР. Они считаются более безопасными.

В итоге можно констатировать, что в настоящий момент мейнстримом являются как раз реакторы типа ВВЭР.

ВВЭР-1000, КАК НАИБОЛЕЕ МАССОВЫЙ РЕАКТОР СССР

Наиболее популярные реакторы серии ВВЭР, это реакторы ВВЭР-440 и ВВЭР-1000. 

В настоящий момент ВВЭР-440 имеют довольно долгий срок службы, и постепенно выводятся из эксплуатации. Хотя, судя по Википедии, словаки два блока достраивают, но думаю, это устаревшая информация.

ВВЭР-1000 был дальнейшей разработкой серии ВВЭР-440, и в настоящий момент является наиболее массовым реактором, который строил Союз.

В качестве топлива в реакторе ВВЭР-1000 стандартно используется уран.

При запуске нового реактора его загружают топливом в количестве примерно 72 тонны, а потом примерно раз в год останавливают и заменяют 24 тонны. Т.е. каждый год реактор потребляет 24 тонны свежего топлива, и каждый год из него выгружается 24 тонны ОЯТ (облученного ядерного топлива). Это называется годичная кампания, т.е. топливо меняют раз в год.

При годичной кампании стандартно используется урановое топливо, обогащенное по урану-235 до 4,5%.

Это означает, что в каждой загрузке 24 тонн топлива в реактор, 4,5% - это уран-235, т.е. тот изотоп урана, который, собственно, и начинает самоподдерживающуюся реакцию.

Т.е. общая масса топлива в количестве 24 тонны состоит из 1,08 тонны урана-235, а остальное – «балласт» в виде урана-238.

Когда работает реактор, то уран-235 в нём выгорает, и к моменту, когда надо извлекать отработавшее топливо, его остается около 1%.  Т.е., при начальном содержании урана-235 в количестве 1,08 т, к концу кампании его остается 0,24 т. Т.е. в реакторе сгорело 0,84 тонны урана-235.

При этом получается парадоксальная ситуация: в ОЯТ его осталось 1%, а в природном уране его 0,7%, т.е. ОЯТ – это не отход, а ресурс, еще богаче, чем природный уран. Собственно, именно так его и воспринимают в России и поэтому хранят, и во Франции, где перерабатывают, извлекая этот 1% урана-235, и запуская в дальнейший оборот.

Но рассматривая эти процессы в целом, видно, что потенциально ядерную энергетику в данном процессе может ограничить наличие именно урана-235.

Поэтому ядерщики уже сейчас задумываются, чем потенциально можно заменить уран-235, или существенно уменьшить его потребление. И при этом желательно до конца использовать конструкцию реактора в виде чайника, т.е. ВВЭР.

И ТУТ ПОЯВЛЯЕТСЯ ПЛУТОНИЙ

Для объяснения дальнейшей идеи следует пояснить, откуда берется энергия в реакторе. Чуть выше были приведены вычисления, что в реакторе сгорает (делится) 0,84 т урана-235, которые и дают эту энергию. Но на самом деле при делении этих 0,84 т, часть нейтронов также поглощается ураном-238. В результате он превращается в плутоний, который также далее делится и дает свою долю энергии. По оценкам, доля этой энергии, т.е. энергии, полученной из плутония, составляет до 50% от общей полученной энергии. И это в реакторе, который изначально был загружен ТОЛЬКО ураном.. Поэтому чуть выше уран-238 как «балласт» и был взят в кавычки, потому что он далеко не балласт. Также, как итог, в выгружаемом ОЯТ, помимо остатка урана-235 в количестве 1%, также содержится и плутоний, примерно в таком-же количестве.  

В итоге возникла идея: раз у нас в реакторе дает энергию и уран-235, и плутоний, почему не загружать сразу топливо, состоящее и из урана, и из плутония? Тем самым можно сэкономить уран-235…

Посчитали, промоделировали, и действительно, так делать можно. Для реактора ВВЭР-1000 определили, что плутониевым топливом можно заменить треть реакторной зоны. Т.е. из 24  тонн изначально уранового топлива (уран:235+уран:238), 8 тонн можно заменить плутониевым топливом (плутоний+уран:238).

Такое топливо называется МОКС-топливо, при этом экономия урана-235 составит 33%.

В итоге в УЖЕ СУЩЕСТВУЮЩИХ массовых реакторах типа ВВЭР-1000 есть возможность экономить до 33% урана-235, а значит, на треть увеличить потенциальные запасы ядерного топлива.

К сожалению, реакторы ВВЭР-1000 нельзя полностью перевести на МОКС-топливо, без переделки его конструкции. Поэтому и экономия составляет всего 33% урана-235. Но Росатом в настоящее время выпускает более совершенные реакторы типа ВВЭР-ТОИ, и для него заявлено, что он может работать на 100% загрузке МОКС-топливом. Насколько это правда, у меня данных нет, но если это так, то потенциально ядерная энергетика в принципе может до минимума снизить потребление урана-235, перейдя на плутоний, и за счет этого СУЩЕСТВЕННО (буквально, на сотни лет) «увеличить» запасы ядерного топлива.

В итоге можно сделать вывод, что даже на уже существующих, а также перспективных реакторах типа ВВЭР вполне может развиваться мировая энергетика, и ресурсное ограничение этому не грозит.

Единственное, что сейчас этому мешает, это то, что извлечение плутония и изготовление из него МОКС-топлива существенно дороже (до 2,5 раз), чем топливо, изготовленное из природного урана, и поэтому особо эти возможности в ход не идут.

Правда, кроме французов... У них, судя по информации в интернете, уже есть реакторы со 100% загрузкой МОКС..