Реакторы на быстрых нейтронах: как Россия оказалась впереди планеты всей

В России стартовала реализация уникального проекта в области энергетики. В Томской области начато строительство опытно-демонстрационного энергоблока под названием БРЕСТ-300-ОД с реактором на быстрых нейтронах, использующим свинцовый теплоноситель. По факту нашу «страна-бензоколонка» приступила к созданию технологии замкнутого ядерного цикла. Как же такое стало возможным, и что это означает для отечественной и мировой энергетики?

При всем уважении к модной нынче «зеленой» энергетике, полностью заменить собой традиционную она не в состоянии. Последняя тоже не является панацеей, поскольку запасы ископаемого топлива для нее (угля, газа, нефти) являются исчерпаемыми. Хорошие перспективы имеются у ядерной энергетики с привычными реакторами на тепловых нейтронах, но для их работы также требуется редкий и дорогой уран U-235. Однако есть вариант с так называемым «замкнутым топливным циклом», где ставка делается на реакторы на быстрых нейтронах, которые могут перерабатывать природный U-238 и торий. Что же это за технология такая, и почему будущее именно за ней?

Во время работы обычного ядерного реактора тяжелое ядро урана, плутония или тория при делении выпускает несколько «лишних» нейтронов, что приводит к эффекту наведенной радиоактивности. В российских ВВЭР это ведет к накоплению в водяном носителе трития, тяжелого изотопа водорода. После этого его приходится выделять путем сложных и дорогостоящих манипуляций. Новый перспективный отечественный реактор БРЕСТ на быстрых нейтронах решает одновременно множество проблем.

Во-первых, в качестве носителя используется не вода, а жидкий свинец, циркулирующий при температуре в 1751 °C. Большим преимуществом расплавленного металла является то, что он практически не поглощает нейтроны и не набирает наведенную радиоактивность. Как известно, свинец – это очень радиационно стойкий элемент. При этом он химически пассивен при контакте с воздухом или водой, поэтому исключены возможные взрывы при нештатной разгерметизации контура реактора. Это чрезвычайно важно для безопасности современной ядерной энергетики. Даже если реактор будет поврежден и рабочий носитель выйдет наружу, он просто медленно вытечет, охладится и застынет, сам собой закупорив повреждение во внешнем контуре. Никаких радиационных ужасов, вроде катастрофы на Чернобыльской АЭС, уже не будет.

Во-вторых, новый реактор сможет работать на водном паре, имеющем температуру до 600 °C. По сравнению с обычными ВВЭР, имеющими критическую отметку в 374 °C, это придаст дополнительный коэффициент полезного действия, который сможет достигнуть невероятных 40-45%. В перспективе КПД может вырасти еще больше, если вместо паровой турбины к реактору будет подключена газовая турбина с замкнутым циклом.

В-третьих, реакторы на быстрых нейтронах, благодаря особенностям своей конструкции, сами воспроизводят ядерное топливо. Внутри БРЕСТ уран-238 будет поглощать свободные нейтроны и превращаться в изотоп другого химического элемента – в плутоний-239. А это, к слову, начинка для ядерного оружия. При оптимальных условиях при делении одного ядра урана-235 можно будет получить 1,25 ядра нового оружейного плутония-239 из урана-238. Это означает, что при каждом рабочем цикле реактора на быстрых нейтронах внутри него образуется до 20-25% нового делящегося материала. Звучит фантастически.

Заметим, что Российская Федерация в области подобных передовых энергетических технологий реально находится впереди планеты всей. Ни США, ни Франция, ни Япония, начав эксперименты с жидким натрием в качестве носителя в реакторах на быстрых нейтронах, так и не смогли добиться их устойчивой работы. В СССР еще в 1968 году был осуществлен запуск БОР-60, реактора на быстрых нейтронах мощностью в 60 Мегаватт, и он успешно работает по сей день. Срок его эксплуатации продлен до 2025 года. Реактор следующего поколения БН-600 был запущен в Свердловской области в 1980 году, и он по-прежнему функционирует. Его мощность составляет 600 Мегаватт, для сравнения, у экспериментального китайского CEFR (China Experimental Fast Reactor), запущенного в 2010 году, этот показатель составляет 45 Мегаватт. Самый свежий уже российский реактор на быстрых нейтронах БН-800 был запущен в строй в 2015 году на все той же Белоярской АЭС. Помимо промышленного назначения, ядерная установка, использующая натриевый теплоноситель, послужила платформой для обкатки передовых технологий.

И вот на их основе под Томском начато сооружение опытно-демонстрационного энергоблока БРЕСТ-300-ОД со свинцовым носителем. Помимо самого реактора, в рамках одного комплекса будут построены завод по сборке топливных элементов, а также завод по переработке отработанного топлива. В перспективе получается практически замкнутый ядерный топливный цикл. Неплохо для «страны-бензоколонки».

• Автор: Сергей Маржецкий