Атомный «Прорыв». Как создают энергетические ядерные реакторы IV поколения

Пятая часть производимой в России энергии – атомная. На 11 действующих АЭС работают 37 энергоблоков, ещё 3 строятся. Вместе с этим наши атомщики выводят отрасль на новый этап, воплощая в жизнь идею, родившуюся ещё у отцов-основателей, и решив задачу, неразрешимую для их зарубежных коллег. Они замыкают ядерный топливный цикл.

Большая надежда

Большинство действующих в мире российских реакторов – это ВВЭР разной мощности: водо-водяные энергетические реакторы. То есть в качестве теплоносителя и замедлителя в них используется вода. Ну а выделение энергии происходит в процессе ядерной цепной реакции деления урана-235 под действием низкоэнергетичных нейтронов. Этот изотоп «достают» из природного урана, но его там очень мало – всего-то 0,7%. А 99% – это уран-238. Реакторы, произведённые за рубежом, тоже работают на 235-м.

Получается, что природа милостиво позволяет человеку использовать доступное сырьё в качестве ядерного топлива. А он вот уже 70 лет кряду делает это крайне расточительно. Идея не отправлять уран-238 в отходы, а использовать его в топливном цикле родилась ещё в кругу команды академика Игоря Курчатова, но много лет оставалась мечтой атомщиков, воплотить в жизнь которую при используемых технологиях было невозможно. Чтобы перейти на новый этап, требовалось найти принципиально новые решения и преодолеть массу технологических сложностей. Сделать это непросто, поэтому в США, Японии и Европе такие программы попросту закрыли. В России же исследования продолжались и увенчались успехом.

На Белоярской АЭС в Свердловской области уже работают 2 реактора на быстрых нейтронах: БН-600 и БН-800. В проекте БН-1200M. И если первые два – это реакторы, которые изначально были предназначены для отработки технологий реакторов на быстрых нейтронах, то третий будет уже для коммерческого применения. Цифры в названиях обозначают установленную электрическую мощность, выраженную в мегаваттах, а буквы официально означают: быстрый натриевый, то есть реактор на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем.

Неофициально же наши атомщики расшифровывают эту аббревиатуру так: большая надежда. Надежда связана с возможностью замкнуть наконец топливный цикл, перейдя от реакторов поколения III+ (ВВЭР) к поколению IV.

Главный функционал систем IV поколения, по словам генерального директора госкорпорации «Росатом» Алексея Лихачёва, заключается в многократном перемещении отработавшего топлива внутри топливных цепочек, что позволит использовать атомные реакторы не просто для выжигания топлива, но и для его наработки.

Есть ли реакторы на быстрых нейтронах за рубежом? Есть – в США, Франции, Китае и Японии. Но там это всего лишь демонстрационные установки, от них до промышленных образцов путь долгий.

Два контура

В «Росатоме» же принята стратегия двухкомпонентной атомной энергетики. Это значит, что в единой системе будут работать АЭС с двумя типами реакторов: на тепловых и быстрых нейтронах. В последних в топливный цикл вовлекаются уран-238 и плутоний – элементы, которые раньше шли в отходы. То есть двухкомпонентность позволяет брать отработавшее ядерное топливо тепловых реакторов, извлекать из него обеднённый уран и производить «дрова» для быстрых реакторов, замыкая таким образом ядерный топливный цикл.

Есть и ещё один важный момент – это актиниды. Так называют изотопы, которые образуются в процессе нейтронных реакций в реакторе и остаются потом в отработавшем ядерном топливе. Теперь они стали компонентами новых видов топлива.

«Поскольку таких изотопов в природе никогда не было, лучше всего, чтобы не бояться, вернуть их в ядерный реактор. И это тоже замыкает ядерный топливный цикл», – говорит по этому поводу заместитель научного руководителя по перспективным темам Физико-энергетического института имени Лейпунского в Обнинске Дмитрий Клинов, где собрали на стенде модель активной зоны реактора БН-1200M и исследуют различные аспекты его работы.

«В двухкомпонентной атомной энергетике с тепловыми и быстрыми реакторами и с замыканием топливного цикла – завтрашний день мирного атома, – уверен Лихачёв. – Отработавшее топливо становится сырьём, и ключевую роль в этом играют реакторы на быстрых нейтронах, которые нарабатывают плутоний и трансмутируют, «дожигают» долгоживущие изотопы. Возникает очень важный аспект экологического обмена с природой. То есть мы возвращаем в природу ровно столько радиоактивности, сколько забрали из неё в ходе добычи урана, а огромные запасы низкообогащённого урана становятся базой на сотни лет вперёд».

Известно, что на Земле урана-235 осталось всего-то на 100 лет. Но если использовать уран-238, то, по подсчётам наших атомщиков, того, что уже добыто, хватит для работы ядерной энергетики на тысячелетия. Это решает важную для человечества проблему хранения ядерных отходов, которая порой становится поводом для политических баталий. Многократный рециклинг на порядки снижает потенциальную биологическую опасность отходов, отправляемых на захоронение.

Хранить отходы затратно и не очень осмысленно, отмечает генеральный конструктор проекта «Прорыв» Вадим Лемехов. «Рециклинг топлива исключит хранение и минимизирует радиоактивные отходы благодаря дожиганию минорных актинидов», – говорит он.

На одной площадке

На Сибирском химическом комбинате в Северске Томской области сооружают сейчас опытно-демонстрационный энергетический комплекс (ОДЭК) IV поколения, где будет установлен реактор БРЕСТ-ОД-300. БРЕСТ – это быстрый реактор естественной безопасности со свинцовым теплоносителем; ОД – опытный демонстрационный, но это пока.

Работать он будет на быстрых нейтронах, чему свинцовый теплоноситель поможет: относительно инертный металл обладает малой замедляющей способностью. Решение в прямом смысле уникальное, поскольку ничего подобного в мире нет. Наши атомщики дали проекту говорящее название: «Прорыв».

Здесь ядерный топливный цикл замкнётся на одной площадке, где топливо сначала производят, потом используют, затем перерабатывают и снова используют. Получается пристанционный цикл. Запустить энергокомплекс со всей пристанционной инфраструктурой в Северске планируют в 2030 году.

БРЕСТ будет работать на СНУП-топливе (из смешанных нитридов урана и плутония). Это новейшая разработка. Помимо реактора в состав энергокомплекса входят пристанционный завод, который включает в себя модуль производства (фабрикации/рефабрикации) ядерного топлива и модуль переработки облучённого топлива из реактора.

Первый объект – модуль фабрикации/рефабрикации – уже построен, оборудование смонтировано, в ближайшее время атомщики надеются перейти к опытно-промышленной эксплуатации и отработке технологии производства топлива для реактора БРЕСТ-ОД-300.

Когда будет достроен энергоблок, произведённые впрок тепловыделяющие сборки (топливо) загрузят в него, и затем состоится физический пуск.

«Реактор выйдет на мощность, отработает положенное количество времени, – объясняет технический директор ОДЭК Роман Соколов. – Мы исследуем работу этого топлива, подтвердим, что работа данного реактора на этом виде топлива безопасна. И только после этого начнётся процесс технологического пуска».

Опасные отходы станут сырьём

На днях Федеральный экологический оператор (предприятие госкорпорации «Росатом») ввёл в опытно-промышленную эксплуатацию производственно-технические комплексы по обработке, утилизации и обезвреживанию отходов I и II классов опасности. Один из них, «Горный», расположен в Саратовской области, другой, «Щучье», – в Курганской.

Оба объекта, построенные по нацпроекту «Экология», станут частью создаваемой в стране производственной инфраструктуры по обращению с промышленными отходами. А с ними у нас тоже начинают работать в логике замыкания цикла, то есть смотреть на отходы как на сырьё для других производств.

«Построенные мощности позволят решить важнейшую экологическую задачу по эффективному и безопасному обращению с промышленными отходами, – отметил заместитель генерального директора по машиностроению и индустриальным решениям госкорпорации Андрей Никипелов. – На предприятиях, созданных в логике экономики замкнутого цикла, предусмотрены современные технологические решения, благодаря которым можно будет получать из отходов вторичное сырьё и возвращать его в хозяйственный оборот».

Мощность каждого из запущенных производственно-технических комплексов позволяет перерабатывать до 50 тыс. тонн отходов I и II классов опасности в год. Там работают многоуровневые системы безопасности и экологического мониторинга показателей окружающей среды.

Создавать эффективную систему обращения с опасными промышленными отходами в нашей стране начали несколько лет назад, поручив это сложное дело атомщикам, которые имеют необходимые для этого компетенции. Всего будет построено 7 таких комплексов, где опасные и сложные промышленные отходы утилизируют и обезвреживают, чтобы их компоненты снова пускать в промышленный оборот. И все опасные отходы будут учтены, а цепочки их перемещения понятны.

По словам директора направления реализации государственных и отраслевых программ в сфере экологии госкорпорации Андрея Лебедева, уже действует разработанная атомщиками цифровая платформа по учёту и контролю за отходами I–II классов опасности, куда на сегодня вовлечено 95% участников рынка.