Давайте помечтаем. Вы купили автомобиль, залили полный бак бензина и забыли о заправках — потому что его не нужно больше никогда заправлять. Или закинули в топку космического корабля брикеты, через несколько лет достали их, стряхнули сажу от сгоревшей упаковки, обернули в новую — и снова заправили ими двигатель. Как скоро эти мечты станут реальностью? Пока неизвестно. Но именно по такому принципу на Белоярской АЭС в Свердловской области уже целый год работает реактор. О том, что за топливо там используют и почему его называют «вечным», мы поговорили с руководителем отдела технологий топлива для быстрых и газовых реакторов АО «ВНИИНМ» Андреем Давыдовым.
Всего 0,7% в природе
— Андрей, в начале октября 2022 года четвёртый энергоблок Белоярской АЭС с реактором БН-800 на быстрых нейтронах был полностью переведён на инновационное МОКС-топливо. По мнению специалистов, это знаковое для всего мира событие, которое дало старт энергетике будущего. Почему?
— В стандартных водо-водяных энергетических реакторах (ВВЭР) используется обогащённый уран-235, потому что тот, который выкопали из шахты, для ВВЭР не годится. Но, во-первых, 235-го изотопа в природном уране всего 0,7% — надолго этого не хватит, во-вторых, он полностью сжигается в реакторе.
А вот МОКС-топливо — это уранплутониевый оксид, который практически не горит, поэтому его можно использовать снова и снова. Для его производства подойдёт либо природный уран, которого в сотни раз больше, чем искусственно полученного изотопа, либо обеднённый — то есть отходы от технологии обогащения урана, которых и у нас в стране, и во всём мире накоплено огромное количество. Правда, использовать МОКС-топливо можно только в реакторах на быстрых нейтронах.
Для справки
Почти все реакторы на планете — тепловые, и работают они на изотопе уран-235. В них тепловыделяющие элементы (твэлы) отдают в воду большое количество тепла в процессе деления нейтронов.
Примерно раз в пять лет твэлы нужно заменять. Их деактивируют, а опасные элементы отправляют в спецхранилище для отработавшего ядерного топлива (ОЯТ). Такой принцип работы называют открытым ядерным топливным циклом (ОЯТЦ).
Быстрые же реакторы работают в условиях замкнутого ядерного топливного цикла (ЗЯТЦ). В таком цикле из ОЯТ выделяют немного веществ, которые требуют захоронения, а остальное можно использовать повторно.
В МОКС-топливе есть ещё один важный компонент — плутоний. Его у нас тоже очень много — ведь он копится в любом ядерном топливе при работе реактора. И когда мы перерабатываем отработавшее топливо, то извлекаем из него плутоний.
Этот материал представляет собой отличный энергетический источник — собственно, в МОКС-топливе он выступает основным энерговыделителем. Когда работает быстрый реактор, плутоний делится, отдаёт свою энергию натрию, а тот преобразует её в электричество.
Но это ещё не всё. В ходе ядерных реакций из урана тоже образуется плутоний, который также благополучно делится и в конце концов отдаёт свою энергию в провода. То есть в процессе работы реактора плутоний тратится, но при этом нарабатывается из второго компонента — урана.
Подарок будущим поколениям
— Получается, что для производства МОКС-топлива у нас компонентов намного больше, чем для работы реакторов на тепловых нейтронах?
— Конечно. Для тепловых реакторов нужно постоянно добывать уран из-под земли, обогащать его, а потом этот драгоценный изотоп уран-235 выгорает. А в случае уранплутониевого топлива получается так: мы берём обеднённый уран и плутоний, кладём в реактор, там плутоний одновременно и выгорает, и нарабатывается. И дальше уже вопрос баланса.
Есть так называемый коэффициент воспроизводства, то есть соотношение между тем, сколько плутония мы запихнули в реактор, и тем, сколько выгрузили после того, как сборка отработает. Если он меньше единицы, значит, выработалось меньше, чем сгорело. На тепловых реакторах коэффициент воспроизводства топлива гораздо меньше единицы. Коэффициент воспроизводства у быстрого реактора БН-800 на Белоярской АЭС — больше единицы.
Для справки
Идею быстрых реакторов предложил ещё в 30-е годы XX века лауреат Нобелевской премии по физике Энрико Ферми, «папа» первого в мире ядерного реактора. Он доказал, что быстрые реакторы способны создавать делящиеся материалы и поэтому в них можно попробовать максимально использовать возможности урана.
Эту идею тут же подхватили в СССР. Первый быстрый реактор, БН-1, построили в нашей стране в 1955 году. Он обладал низкой мощностью, зато проведённые на нём исследования доказали: в быстрых реакторах действительно можно воспроизводить топливо.
Эксперименты продолжились. Начиная с 1969 года в НИИ атомных реакторов в Димитровграде работает БОР-60 — в нём исследуют топливо и материалы для быстрых реакторов. Затем был БН-600, который запустили в 1980-м, — он, кстати, также действует до сих пор. В январе 1997 года получил лицензию на производство проект реактора БН-800, в декабре 2015-го блок с этим реактором заработал на Белоярской АЭС. Его постепенно переводили на МОКС-топливо, и с октября 2022-го он полностью работает только на МОКСе.
— Что же происходит в быстром реакторе? Мы берём ядерные отходы, делаем из них МОКС-топливо, кидаем его в реактор, оно там выделяет энергию, производит плутоний — и так до бесконечности?
— Не совсем. Если говорить простым языком, из отработанного МОКС-топлива сначала удаляются вредные и ненужные продукты ядерной реакции — осколки деления. А уран и плутоний остаются. Мы «подливаем» в них недостающие элементы — и вот тогда снова отправляем работать в реактор.
У МОКС-топлива есть ещё одно преимущество, как подарок будущим поколениям, — замыкание топливного цикла с точки зрения утилизации америция и нептуния. Это два очень вредных продукта деления ядерной реакции в любом реакторе. И реактор на быстрых нейтронах немного уменьшает их количество. То есть если топливо изначально содержит америций или нептуний, то можно таким образом облучить это топливо в реакторе на быстрых нейтронах, что они выгорят или превратятся во что-то более нейтральное, — и всё, не нужно это опасное вещество где-то хранить.
Для справки
В чём различие между тепловым и быстрым реактором? В первом случае в качестве теплоносителя используется вода: ядерное топливо нагревает её до температуры кипения, полученный пар вращает турбины, которые вырабатывают электричество. В БН-800 вместо воды берут натрий. Он не только позволяет использовать в качестве топлива уран-238, которого много на Земле, но ещё и намного безопаснее, потому что при одинаковой мощности давление в быстром реакторе в разы меньше, чем в тепловом, хотя вода нагревается только до 300 градусов Цельсия, а натрий — до 500, что даёт больше тепла и электричества.
Плутоний в природе уже давно закончился
— Реактор БН-800 на Белоярской АЭС работает уже год. Не знаете, каковы результаты этого эксперимента?
— Прекрасно всё работает.
— Означает ли это, что нам в ближайшем будущем стоит ждать повсеместного введения в эксплуатацию реакторов на МОКС-топливе?
— Правильнее сказать — реакторов на уранплутониевом топливе. Помимо МОКСа есть ещё и другие инновационные виды топлива. Но МОКС — пока самый перспективный вариант, просто потому, что уже есть и отлично работает. Реактор построен, чертежи на него есть, никто не мешает взять и в любом подходящем месте построить ещё один такой реактор.
Для справки
Помимо МОКС-топлива ВНИИНМ разрабатывает топлива РЕМИКС и СНУП, которые очень похожи на МОКС.
РЕМИКС‑топливо — это смесь оксидов урана и плутония, однако уран в нём обогащён изотопом уран-235, а содержание плутония находится в пределах всего 5% (в МОКС — до 30%). Это топливо предназначено для тепловых реакторов.
СНУП-топливо представляет собой смесь обеднённого урана и плутония, однако не в оксидной, а в нитридной форме. СНУП может прийти на смену МОКСу, однако вряд ли это произойдёт в ближайшей перспективе.
— Есть мнение, что на основе МОКС-топлива в будущем можно будет создать практически вечный двигатель…
— Тут вопрос, скорее, к сырьевой базе. Сырьё здесь — обеднённый или природный уран и плутоний, который в природе уже давно закончился: весь плутоний, который есть на планете, создан человеком. Рано или поздно уран тоже закончится. Поэтому из имеющихся технологий построить что-то вечное пока сложно.
— А сможет ли МОКС-топливо стать той самой заменой привычным видам топлива, которую учёные всего мира ищут уже много лет?
— Почему бы и нет? Для чего используются нефть и газ? Для выработки тепла и электричества. Если рассуждать абстрактно, это источники энергии, как и МОКС-топливо, которое к тому же более экологично. Ведь реактор на быстрых нейтронах фактически сам перерабатывает все вредные вещества, никаких выбросов в природу нет, а то, что нужно утилизировать и хранить, имеет маленький объём.
Для справки
Сейчас в России хранится порядка 14 тыс. тонн ядерных отходов. Их можно использовать для производства МОКС-топлива. Одному быстрому реактору необходимо примерно 9 тонн топлива, на которых он работает несколько лет. То есть в ближайшие сотни лет можно не беспокоиться, что страна останется без электричества.
«Плутоний руками не трогать»
— Доживём ли мы до такого: взял таблеточку с МОКС-топливом, кинул в бензобак автомобиля, сел за руль и поехал?
— Нет. У нас есть основные правила радиационной безопасности, где написано: «Плутоний руками не трогать». Но есть замечательный пример такого полубытового использования — военный или ледокольный флот. Там вполне возможно такое: реактор на заводе загружают МОКС-топливом, устанавливают на корабль — и корабль ходит, условно, 20 лет без перезарядки. Сравните с обычными реакторами, у которых каждые полгода-год должна быть перегрузка.
Есть ещё такое понятие, как критическая масса материала, при которой начинается цепная ядерная реакция. Только тогда во все стороны летит энергия, которую мы улавливаем и в конце концов передаём в провода. А столовая ложка того же МОКСа будет лежать себе и лежать, пока её птички не растащат, — толку от неё не будет никакого. Так что одну таблетку в бензобак можно бросить с лёгкостью, но ничего от этого не произойдёт — только машина плутонием испачкается.
Для справки
Ещё в 70-е годы французы попробовали запустить работу своего быстрого реактора «Феникс» только на МОКС-топливе. Однако дело не пошло: реактор постоянно выходил из строя, его запускали снова и снова, однако в 2010 году окончательно закрыли. Сейчас во французских тепловых реакторах МОКС-топливо работает, но на повторную переработку ОЯТ не отправляется.
Китай в 2011 году запустил энергоблок с быстрым реактором CEFR, но использует в нём российское топливо с обогащённым ураном.
В Японии после двух неудач с быстрыми реакторами их эксплуатацию заморозили, а МОКС-топливо загружают в тепловые реакторы.
В США и Великобритании МОКСу тоже не нашли должного применения.
Теперь весь мир пытается воспроизвести удачную технологию производства нашего БН-800, а кто-то даже готов её у нас покупать.
Можно сказать, что неоспоримый успех реактора БН-800 уже доказал: мы стоим на пороге начала эпохи быстрых реакторов на МОКС-топливе или другом похожем уранплутониевом топливе. Оно эффективнее и экологичнее и в будущем, когда таких АЭС будут строить всё больше и больше, имеет все шансы стать дешёвым заменителем нефти и газа.
