Розробки та інновації

Реактори на швидких нейтронах-унікальна розробка російських вчених і майбутнє всієї атомної енергетики

Мирний атом – це один зі стовпів світової енергетики, без якого сучасне суспільство просто неможливо. Незважаючи на всі плюси існуючих ядерних станцій, головною вадою була і залишається утилізація відпрацьованого ядерного палива. Схоже, і ця проблема буде вирішена-завдяки унікальній російській розробці замкнутого ядерно-паливного циклу, реалізація якого можлива в ядерних реакторах на швидких нейтронах.

У чому проблема сучасної атомної енергетики, мирний атом вже не один десяток років служить людству для вироблення електроенергії по всьому світу. Але є одна дуже серйозна проблема. Далеко не весь природний уран підходить в якості палива для ядерних реакторів.

У природі широко поширений уран – 238 (92 протони, 146 нейтронів), і його частка в світових запасах становить 99, 3% від загального обсягу урану на Землі. Але він-то якраз не підходить для ядерних реакторів в якості палива. Паливом можуть служити лише залишилися 0, 7 % світового запасу у вигляді урану – 235 (92 протона, 143 нейтрона).

Але навіть цю частину урану не можна просто так взяти і завантажити в реактор. Його потрібно попередньо збагатити і підняти частку урану-235 в загальній масі урану-238 приблизно в 700 разів. Виходить, що, незважаючи на величезні світові запаси, реально підходящого для палива урану вистачить за усередненими розрахунками всього на 50 років.

Все не так похмуро, як здається на перший погляд. Уран – 238 все-таки можна адаптувати для ядерних реакторів. Правда, для цього потрібно перетворити уран-238 в плутоній-239, причому цей процес можливий тільки при впливі швидких нейтронів.

Як виявилося, зробити це перетворення не так просто. Адже більшість сучасних реакторів працюють на» повільних «нейтронах, які спеціально сповільнюються, так як уран-235» не хоче спілкуватися ” з швидкими нейтронами. А ось уран-238, навпаки, не втягується в процес трансформації на повільних нейтронах.

Окремо виконувати трансформацію урану – 238 в плутоній-239 економічно недоцільно. Набагато ефективніше використовувати для цього так звані зайві нейтрони, які утворюються під час реакції розпаду. Тому в сучасних реакторах вони спеціально видаляються за допомогою поглиначів.

А значить нам потрібно з’єднати “сміттєвий” уран -238 і» правильний ” уран – 235 в одному місці – атомному реакторі. І тоді буде можливість як виробляти електроенергію, так і спеціально трансформувати «непотрібний» уран-238 в нове ядерне паливо для реакторів. Але обов’язковою умовою при цьому є той факт що, він (реактор) повинен працювати саме на швидких нейтронах.

А ось створити такий реально працюючий реактор на швидких нейтронах виявилося великою проблемою для багатьох інженерів. І із завданням впоралися тільки російські інженери-вчені. Реактори на швидких нейтронах, в чому їх особенностьітак, нам потрібен реактор, що працює на Урані-235 і при цьому, потрібно зробити так, щоб він працював на швидких нейтронах.

Для того, щоб це було можливо, потрібно істотно підвищити щільність нейтронного потоку (щоб уран-235 став охочіше взаємодіяти з швидкими нейтронами). Значить, доведеться застосовувати більш збагачене паливо, при цьому температурний режим і нейтронні потоки будуть істотно жорсткіше — знадобляться більш стійкі матеріали. Крім того, потрібно уникати матеріалів, які будуть сповільнювати нейтрони.

Тобто класичний варіант-вода – в цьому випадку не підходить, так як вона відмінно уповільнює нейтрони. Саме тому в якості теплоносія на перших етапах розробки реакторів на швидких нейтронах використовували ртуть, але через високу токсичність металу швидко відмовилися від цього варіанту. На наступних етапах експериментів пробували такі метали як свинець, вісмут і натрій.

Найперспективнішими матеріалами виявилися натрій і свинець. І на першому етапі радянським інженерам вдалося “приручити” саме натрій. Першим комерційним повноцінно працюючим реактором на швидких нейтронах став ще радянський реактор БН-600.

А вже в 2015 році Росатом запустив реактор БН-800 (натрій). Це унікальний у своєму роді реактор, який вже пристосований для роботи на плутонієвому паливі з повним замкнутим циклом відтворення. У чому перевага реакторів на швидких нейтронахпредварітельние розрахунки показують, що завдяки такій технології відсоток придатного для ядерного палива для реакторів зі скромних 0, 7% різко зростає до 30%.

Отже, ефективні запаси палива збільшаться приблизно в 43 рази, а значить їх повинно вистачити не на якихось 50 років, а більше, ніж на два тисячоліття. Думаю, різниця навіть при дуже грубому підрахунку в наявності. Крім того, такі реактори здатні повноцінно функціонувати на відпрацьованому ядерному паливі від «повільних» реакторів, що обіцяє рішення найбільшого головного болю екологів — як утилізувати відпрацьоване ядерне паливо.

Також такі реактори набагато безпечніше. Адже в них використовується натрій замість розігрітої води під високим тиском. Натрій стає рідким при 100 градусах за Цельсієм, а переходить до стадії кипіння тільки при 900 градусах.

Давайте згадаємо, як влаштована система охолодження на «звичайних» ядерних реакторах. Там в якості охолоджувача виступає вода під величезним тиском. Очевидно, що високий тиск-високий ризик розгерметизації і аварії.

З натрієм таких проблем немає. Так як температура кипіння висока, його можна тримати при нормальному тиску, а значить, немає ймовірності прориву і аварії. Навіть у разі виникнення нештатної ситуації хімічна активність натрію і тут зіграє на користь безпеки.

При взаємодії з киснем і парами вологи в атмосфері натрій буде пов’язаний в стійкі хімічні сполуки, які залишаться на території станції, а не розлетяться по окрузі, поширюючи радіоактивне забруднення. Росія попереду планети всейНесмотря на численні спроби самих різних країн, тільки Росія і зокрема Росатом володіє повноцінним комерційним варіантом реактора на швидких нейтронах. Адже навіть у французів (з їх перспективною розробкою “реактор Фенікс”) так і не вийшло розібратися з проблемою періодичного спрацьовування систем захисту, і вони зупинили проект в 2010 році.

Також японці тестували свій варіант-реактор “Мондзю”, але після низки аварій прийняли рішення його розібрати. Індійці теж хотіли створити власний реактор на швидких нейтронах, але нічого не вийшло. У Росії ж йде плавний розвиток технології, і вже активно ведуться роботи над проектом швидкого реактора БН-1200, в якому в якості теплоносія використовується розплавлений свинець.
За планом він буде запущений в повноцінну експлуатацію вже до 2030 року. Виходить, що Росія-єдина країна, яка може зробити атомну енергетику дійсно ефективною і по-справжньому безпечною за рахунок унікальної розробки — реактора на швидких нейтронах.

Related posts

Leave a Comment