Представьте себе волшебную печь: вы закидываете в неё три полена, а после сгорания достаёте четыре. Именно так работают реакторы на быстрых нейтронах. Они производят больше ядерного топлива, чем потребляют, — хватит и себя обеспечить, и с другими поделиться.
Давайте разберёмся, что же такого быстрого в быстрых нейтронах и какая польза от их скорости для атомной промышленности.
Как устроены реакторы на быстрых нейтронах
Атомные реакторы дают энергию за счёт цепной реакции: ядра урана или плутония делятся и выделяют нейтроны, которые должны делить другие ядра. Но образующиеся нейтроны изначально настолько быстрые и «энергичные», что ядра не хотят с ними дальше взаимодействовать. Поэтому в «обычных» реакторах нейтроны специально замедляют, пропуская через воду. Так быстрые нейтроны становятся тепловыми — медленными и эффективными.
И всё было бы хорошо, но есть проблема с ресурсами: на Земле очень мало урана-235, который используют в качестве ядерного топлива. Его доля — всего 0,7% мирового запаса. Зато в природе широко распространён уран-238. А вот он-то как раз непригоден для обычных атомных реакторов.
Возможность адаптировать «неподходящий» уран-238 для ядерных реакторов всё-таки существует — благодаря быстрым нейтронам. Оказывается, если нейтроны не замедлять, они могут поддерживать ядерную реакцию в уране-238 и участвовать в образовании плутония-239, который, в свою очередь, тоже может быть топливом для реакторов. А главное, быстрые нейтроны могут разбивать ядра тяжёлых элементов, которых много в уже отработавшем ядерном топливе.
Для отработки технологий с быстрыми нейтронами и были разработаны специальные БН-реакторы.
Название реактора БН — это сокращение от «быстрый натриевый». В быстрых реакторах теплоносителем выступает не вода, как в обычных реакторах, а жидкий металл — натрий. Он хорошо отводит тепло, не тормозит нейтроны и может поддерживать их высокий поток в реакторе.
Сам реактор состоит из небольшой активной зоны размером в один кубический метр, где происходит деление ядер топлива, и зоны воспроизводства, где уран-238 улавливает нейтроны и мутирует в плутоний-239. Который после обработки может стать новым топливом.
Через активную зону реактора по замкнутому кругу циркулирует натрий первого контура. Он охлаждает реактор и несёт тепло в зону теплообменника. Через теплообменник проходят трубы с другим натрием. Это натрий второго контура. Через стенки трубы натрий первого контура передаёт тепло натрию второго контура. Натрий второго контура нагревается и уходит в парогенератор. В парогенераторе — трубы с водой. Это третий контур. Вода превращается в пар и уходит на турбину. Турбина вырабатывает электроэнергию.
В обычных реакторах достаточно двух контуров: вода первого контура забирает у реактора тепло и передаёт его воде второго контура, а та превращается в пар и крутит турбину. Реакторам БН для безопасности двух контуров мало из-за химически активного натрия. Если случится ЧП и вода третьего контура попадёт в натрий второго контура, то поражённый участок будет отсечён задвижками. А вот на первый контур, который является радиоактивным, это вообще никак не повлияет.
Насколько безопасны быстрые реакторы
Особенность БН-реактора — это его самозащищённость от внешних и внутренних воздействий. Если что-то пойдёт не так, реактор заглушается, даже если не успеет среагировать автоматика или человек. Система безопасности опирается на физические законы. Например, противоаварийное охлаждение реактора устроено за счёт тяги, как в русской печке: воздух циркулирует естественным образом.
Ещё один элемент защиты, применяемый в БН-800, — регулирующие стержни, «плавающие» в потоке натрия. Если отключится электричество и насосы, эти стержни под действием силы тяжести опускаются в активную зону и останавливают реактор. Точно как строгий учитель, который выходит на перемене в коридор и одним своим присутствием останавливает бешеную беготню детей.
«Мы можем находиться несколько суток без внешнего электроснабжения. Отсутствие электричества не приведёт к повреждениям или нарушениям предела безопасной эксплуатации — ни по топливу, ни по реактору, ни по оборудованию», — рассказывает старший инспектор по безопасности Белоярской АЭС, специалист с 24-летним стажем.
Давление в корпусе БН-реакторов лишь немного выше атмосферного, и это снижает нагрузку на конструкцию. Натрий практически не вызывает коррозии — трубы не заржавеют, и оборудование прослужит дольше. У натрия большой температурный запас, он закипит только при температуре почти 900 °C. А значит, топливу не грозит перегрев.
Если случатся протечки натрия на втором контуре, их можно будет быстро обнаружить и устранить. А при взаимодействии с кислородом натрий образует стойкие химические соединения, которые остаются на территории АЭС, а не распространяются по округе.
БН-реакторы безопасны и с точки зрения радиации. Все загрязнения — в герметичном объёме первого контура. А само устройство похоже на матрёшку: основной корпус и страховочный вложены друг в друга. Всё, что происходит в быстром реакторе, остаётся в быстром реакторе.
Почему технологию ещё не используют по всему миру, хотя у неё есть множество плюсов
Сегодня только Россия освоила и «приручила» реакторы на быстрых нейтронах, хотя эту тему развивают почти все страны Ядерного клуба. Только Россия прошла длинный путь от исследований 1950-х годов до применения БН в коммерческих целях.
Франция, один из лидеров ядерной отрасли, не смогла определиться с нормами безопасной эксплуатации своих быстрых реакторов и остановила проект «Феникс» в 2010 году. Сыграли роль также экологическая «зелёная повестка» в Европе и экономические причины.
«Есть сложности с точки зрения экономической выгоды. На данный момент строительство станции с реактором БН обходится в два раза дороже, чем реактор ВВЭР-1200», — в этом видит основную проблему БН старший инспектор по безопасности Белоярской АЭС.
Японцы также тестировали свой реактор на быстрых нейтронах, «Мондзю», но после ряда аварий решили его утилизировать. Разработки в области быстрых нейтронов ведут Индия и Китай, но пока безуспешно. Так что российский БН-600 — единственный быстрый реактор в мире, который преодолел 40-летнюю планку и продолжает надёжно и безопасно работать.
Будущее за быстрыми реакторами?
Реакторы на быстрых нейтронах помогают осуществить мечту атомщиков — создать замкнутый топливный цикл. Его основная идея в том, чтобы для производства топлива использовать отработанные продукты. Если БН-реакторы станут массовыми, не придётся тратить деньги на добычу и очистку урана, не будет проблем с хранением ядерных отходов.
Реакторы на быстрых нейтронах могут полноценно существовать на отработавшем ядерном топливе. Схема идеальная: обычные АЭС отдают свои отходы в быстрые реакторы, а те перерабатывают их в новое топливо. Это позволит во много раз увеличить ресурсную базу атомной энергетики.
«Экономическая выгода быстрых реакторов и в том, что они могут работать и на плутониевом топливе. В стране есть запасы выходящего из строя оружейного плутония, которые просто складируются за ненадобностью. Мы можем перерабатывать и утилизировать такое топливо».
Уже сейчас БН-800 функционирует только на МОКС-топливе. МОКС — от английского MOX, mixed oxide — «смешанный оксид». Для БН-800 это смесь оксидов плутония и урана, обеднённого или естественного. МОКС-топливо — это уже отработавшее топливо, а не свежее сырьё.
Сейчас на Белоярской АЭС обкатывают технологии для БН-1200, который станет образцом для последующего серийного производства. Быстрые реакторы БН-800 и будущий БН-1200 помогут дальнейшему развитию замкнутого топливного цикла. А значит, можно отложить на столетия проблему с изобретением дополнительных видов энергии.
