Почему атомный реактор, который охлаждается жидким свинцом, — это прорыв? Рассказываем, как рождается БРЕСТ — строящийся первый в мире быстрый атомный реактор со свинцовым теплоносителем.
Ни знаменитая героическая крепость, ни город в Беларуси тут ни при чём: БРЕСТ — это Быстрый Реактор Естественной безопасности со Свинцовым Теплоносителем. В мире такого ещё нет, но он уже строится. Стройплощадка в 2021 году развернулась в Сибири, в городе Северске Томской области. Полное название этого реактора — БРЕСТ-ОД-300: Опытный Демонстрационный мощностью 300 МВт.
Одной воды мало
Реакторы почти всех АЭС в мире охлаждаются водой. Это самый простой и очевидный теплоноситель, именно его использовали на первой в мире АЭС, запущенной в 1954 году в Обнинске. Сегодня существует несколько типовых моделей охлаждаемых водой реакторов, и это — самая отработанная технология в атомной энергетике. Мы рассказывали, как она работает, на примере реактора ВВЭР-1200.
Однако водные, или тепловые, реакторы работают на уране-235, которого в природе очень мало. В урановой руде всего несколько процентов урана, и 99,3% — это изотоп уран-238, и лишь 0,7% — уран-235. Он тоже может служить топливом для АЭС, но для реакторов на быстрых нейтронах. Дело в том, что вода в атомных реакторах не только прекрасный охладитель, но и замедлитель: она замедляет нейтроны. Медленные, или, как их называют физики, тепловые, нейтроны втянуть в ядерную реакцию деления могут только уран-235. Вовлечь в процесс уран-238 могут быстрые нейтроны, но в водном реакторе вода их замедляет. Чтобы дать им действовать, воду нужно чем-то заменить. Вот тут на сцене и появляется жидкий металл.
Охлаждать атомный реактор жидким металлом — даже звучит фантастически! И это действительно очень сложная технология: обращаться с жидким металлом, конечно, труднее, чем с водой, даже очень горячей. Так всё-таки зачем связываться с металлом?
Прелесть быстрых реакторов не только в том, что топлива для них в природе куда больше. Быстрые реакторы умеют работать на топливе, изготовленном из отработавшего топлива других АЭС: то, что тепловые реакторы использовать уже не могут, для быстрого реактора — топливо. Мало того, в ходе ядерной реакции в быстром реакторе образуется плутоний, из которого можно потом изготовить свежее топливо. Получается почти «вечный двигатель» — замкнутый ядерный топливный цикл, в котором топливо воспроизводится практически без добавления свежего урана. Такой принцип «рециклинга» уже используется с медью: её человек научился использовать вторично. Точно так же можно работать и с ураном.
Это стоит того, чтобы научиться обращаться с жидким металлом-охладителем.
Какой металл краше?
Подходящих для охлаждения металлов на самом деле не так много: нужно, чтобы у него была температура плавления как можно ниже, чтобы он обладал высокой нейтронной активностью, был текучим. Кандидатов в таблице Менделеева всего два — натрий и свинец. Среди учёных-атомщиков развернулась целая дискуссия, мнения по сей день разнятся.
В середине 20 века победил натрий: он плавится при +98 °С, его много в природе, он не вступает в реакцию со сталью, из которой изготовлены трубопроводы систем отвода тепла. В 1959 году в Обнинске был запущен первый быстрый реактор с натриевым теплоносителем БР-5. В 1980 году на Белоярской АЭС — первый промышленный БН-600, а в 2015-м — и второй, БН-800, которые успешно работают до сих пор. Однако в процессе исследования и эксплуатации этой технологии стали очевидны как её плюсы, так и минусы. И главный недостаток в том, что при контакте с водой и воздухом натрий горит. Это не только усложняет конструкцию реактора, но и делает её дороже.
Свойства свинца во многом похожи на свойства натрия. Хотя его температура плавления выше — +327 °С, поэтому, если реактор со свинцовым теплоносителем будет остановлен, разогреть его обратно будет сложно и дорого. Зато у него нет «горючей» проблемы: свинец спокойно контактирует и с водой, и с воздухом.
С 1980-х годов в России активно разрабатывается технология быстрого реактора со свинцовым теплоносителем. Но тут атомщики пошли дальше: в Северске строят не просто АЭС с реактором БРЕСТ, но сразу ещё и завод по переработке ОЯТ, и модуль для производства топлива — целый комплекс с замкнутым топливным циклом для отдельно взятой атомной станции. Это нечто принципиально новое в атомной промышленности, и это — часть масштабного проекта «Прорыв».
Прорыв по всем направлениям
Собственно, а почему учёные так долго ждали? Что мешало сразу заняться свинцом и не усложнять жизнь горючим натрием? Потому что придумать рабочую технологию обращения со свинцовым теплоносителем оказалось даже сложнее. А поскольку БРЕСТ задуман как «реактор естественной безопасности», требуется целая серия совершенно новых технологических решений, которые нужно придумать, обосновать и отработать.
Первым вопросом стали материалы. В середине XX века не было таких сталей, которые были бы способны выдержать долгое соприкосновение с расплавленным свинцом: этот жидкий металл просто проедал стальные трубы. Понадобилось изобрести новые сплавы.
Свинцовый теплоноситель нейтроны не замедляет, однако взаимодействует с ними немного по-другому, нежели натрий, поэтому потребовалось изобрести, а потом и испытать новый тип топлива. Это смешанное нитридное уран-плутониевое (СНУП) топливо. Сейчас оно испытывается в исследовательских быстрых реакторах и на Белоярской АЭС, и испытания проходят успешно.
Сам комплекс реактора БРЕСТ и основного оборудования — это целый спектр принципиально новых технологических и конструкционных решений. А ведь кроме реактора здесь предполагается соорудить и ещё два крупных промышленных модуля: по переработке отработавшего и по производству свежего топлива, которые тоже будут первыми, а значит, требуют новых подходов и новых решений.
Пять задач будущего
Проект получился очень амбициозным. В Северске, на территории Сибирского химического комбината, строится ОДЭК — целый опытно-демонстрационный энергетический комплекс: энергоблок с реактором БРЕСТ-ОД-300, модуль переработки топлива и модуль фабрикации/рефабрикации топлива. Всё это — практически замкнутая система, в которой должно будет циркулировать ядерное топливо почти без добавления свежего материала.
Проект должен решать пять задач.
Первая — это безопасность атомной энергетики. Сердце комплекса, реактор, должен работать на принципах естественной безопасности, то есть вообще исключить аварии, которые угрожали бы населению. Конструкция реакторной установки продумана так, чтобы её безопасность обеспечивали не люди и не оборудование, а законы физики. Например, активная зона реактора помещена в металлобетонный бассейн, наполненный свинцом, то есть что бы ни случилось, свинец не вытечет за пределы корпуса. Циркулировать свинец в рабочем состоянии заставляют насосы, но если они отключатся, свинец продолжит перемешиваться благодаря разности температур, и реактор будет и дальше охлаждаться.
Вторая задача — атомная энергетика должна быть безопасна для окружающей среды. Это называется принципом радиационной эквивалентности и означает, что отходы, которые в итоге будет производить ОДЭК, будут не более радиоактивны, чем добытая для его работы урановая руда.
Третья — обеспечение атомной энергетики практически неограниченными ресурсами. БРЕСТ, по прогнозам, должен использовать природный уран в сто раз более эффективно, чем существующие сегодня атомные станции.
Четвёртая — нераспространение опасных радиоактивных материалов. В ОДЭК чистого плутония не получится ни на одном этапе, а значит, материала для ядерного оружия тут просто не будет.
И пятая — конкурентоспособность. ОДЭК, который сейчас строится, будет дороже практически любого другого комплекса с ядерным реактором, но на то он и демонстрационный. При этом в него закладываются такие технические решения, которые подразумевают более компактное оборудование и требуют меньше бетона, меньше стали, меньше других строительных материалов. В будущем при строительстве более мощных быстрых свинцовых реакторов они должны быть выгодными.
Всё получится?
Как минимум всё просчитано. БРЕСТ существует уже не только на бумаге: он активно строится. В январе 2024 года в уже готовую шахту реактора строители погрузили первую часть корпуса реакторной установки.
Вероятнее всего, первые годы ОДЭК ждут «детские болезни» — так случается со всеми новыми реакторами: в первое время эксплуатации оборудование и технологии требуют отладки. Но российской атомной промышленности всегда удавалось с ними справляться. Главное, чтобы получилось реализовать сами принципы, заложенные в ОДЭК. Если всё удастся, в жизнь воплотятся и следующие планы: будет построен большой промышленный энергокомплекс с двумя куда более мощными реакторами — по 1200 МВт каждый.
Первые киловатт-часы с реактора на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем БРЕСТ планируют получить в 2027 году.
Учёные, занятые разработкой проекта, и аналитики, рассуждающие о будущем, называют это революцией в атомной энергетике. Атомщики — проектом «Прорыв».
«Росатом», ТВЭЛ и СХК заботятся о будущем поколении: ремонт школьных территорий и новый автобус для спортсменов. В 2024 году госкорпорация «Росатом», топливная компания ТВЭЛ и СХК сделают значительный вклад в развитие социальной инфраструктуры города. Планируется ремонт асфальтового покрытия на территориях образовательных учреждений, а также приобретение автобуса для юных спортсменов, что позволит им активно участвовать в соревнованиях.
