Новый ядерный реактор на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем должен стать демонстратором уникальной технологии – полностью замкнутого ядерного топливного цикла. В реакторах на быстрых нейтронах обходятся без замедлителей.
К «Прорыву» добавляется реактор
Единственной страной кроме России, сумевшей запустить реактор на быстрых нейтронах промышленной мощности, оказалась Франция. Реактор БРЕСТ-ОД-300 работает на быстрых нейтронах, в качестве теплоносителя выступает свинец. В перспективе можно обеспечить им атомную энергетику на тысячелетия вперед, сделав ее безотходной, и тогда реакторы на быстрых нейтронах станут своеобразными вечными двигателями, которые будут снабжать потребителей копеечной электроэнергией. Российским решением проблемы минорных актинидов должны стать инновационные реакторы на быстрых нейтронах. Невольно возникает вопрос, а не отстанет Россия, ныне передовая страна со своим реактором на быстрых нейтронах БН-600, от Индии в области строительства быстрых реакторов?
В Волгодонске отгрузили реактор на быстрых нейтронах
| Multi-Purpose Fast Reactor (MBIR) | | Здесь были выдвинуты и реализованы идеи создания реакторов на быстрых нейтронах и реакторов с прямым преобразованием ядерной энергии в электрическую. |
| Российские учёные вывели реактор Белоярской АЭС на номинальную мощность | "Росатом" завершил передачу 25 тонн высокообогащенного урана для первого китайского реактора на быстрых нейтронах. |
| В России разработали «вечное» топливо для АЭС - Hi-Tech | использование свинцового теплоносителя, который не замедляет быстрые нейтроны. |
| Быстрое семейство | Новый ядерный реактор на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем должен стать демонстратором уникальной технологии – полностью замкнутого ядерного топливного цикла. |
| Россия сделала шаг к энергетике будущего — Фонд стратегической культуры | На Белоярской АЭС после планово-предупредительного ремонта (ППР) включили в сеть энергоблок № 4 с реактором на быстрых нейтронах БН-800. |
"Росатом" надеется ввести реактор "БРЕСТ" в 2028-2029 гг
«Росатом» начал возводить в Томской области уникальный реактор на быстрых нейтронах. не нужно будет хранить ядерные отходы и «урановые хвосты». Испытания говорят о появлении принципиально новых ядерных реакторов, так называемых реакторов на быстрых нейтронах. В чем радиоэкологические преимущества реакторов на быстрых нейтронах и почему проблема замыкания ядерного топливного цикла касается каждого? В чем радиоэкологические преимущества реакторов на быстрых нейтронах и почему проблема замыкания ядерного топливного цикла касается каждого?
"Росатом" начнет испытания топлива для "реактора будущего" на Белоярской АЭС в 2023 году
Разберемся, чем отличаются друг от друга реакторы, работающие на этих видах топлива. Принцип работы ядерного реактора довольно простой. В сердце установки — активной зоне — идет цепная реакция деления ядер топлива, в результате которой выделяется гигантское количество тепла. Его поглощает теплоноситель — жидкость, которая течет по трубам вокруг активной зоны и затем поступает к емкостям с водой. Ей теплоноситель передает собранный жар, в результате чего вода испаряется, и потоки быстро движущегося пара крутят турбину генератора. В нем механическая энергия преобразуется в электричество. Топливом для реактора является уран, из которого можно «выжать» еще больше электричества, если немного по-другому инициировать реакцию деления ядер. Что такое цепная реакция деления Ядро атома можно сравнить с мешком картошки. Чем туже он набит, тем вероятнее порвется, если втиснуть еще одну картошину. Так, ядро тяжелого химического элемента может «лопнуть», если число частиц, из которых оно состоит, увеличится на одну. Когда такое ядро рвется, вне «мешка» оказывается несколько частиц-«картошин».
Они могут попасть в другие ядра и привести к их разрыву — делению на части. Если новых свободных «картошин» больше одной, то количество «разорванных мешков»-ядер будет лавинообразно расти — это и есть цепная реакция деления. Цепная реакция деления урана, в ходе которой высвобождается огромное количество тепла и рождается 2-3 свободных нейтрона Уран U — самый тяжелый химический элемент в природе. В нем больше сотни «картошин», то есть нейтронов — электрически нейтральных элементарных частиц.
Вода замедляет движение свободных нейтронов, чтобы те с большей вероятностью продолжили реакцию деления, тем самым повышая ее эффективность. С нагревом реактора больше воды превращается в пар и меньше становится доступно для этой роли замедлителя. В результате ядерное деление замедляется. Этот принцип отрицательной обратной связи является ключевым аспектом безопасности, который предотвращает реакторы такого типа от перегрева. Реакторы типа РБМК-1000 отличаются. Они были созданы специально для работы на менее обогащенном топливе.
В качестве теплоносителя реакторы этого типа также используют воду, но в качестве замедлителя в них используются графитовые блоки. Из-за такого разделения ролей теплоносителя и замедлителя в РБМК не работал принцип отрицательной обратной связи «больше пара — меньше реактивность». Вместо это реакторы типа РБМК использовали принцип пустотного коэффициента реактивности. Часть теплоносителя в реакторе может испаряться, образовывая пузырьки пара пустоты в теплоносителе. Увеличение содержания пара может приводить как к росту реактивности положительный паровой коэффициент , так и к ее уменьшению отрицательный паровой коэффициент , это зависит от нейтронно-физических характеристик. При положительном коэффициенте для нейтронов облегчается задача по движению к графитовому замедлителю, говорит ядерный физик из Швеции Ларс-Эрик де Геер. Отсюда и растет корень катастрофы, говорит Де Геер. С увеличением реактивности реактор нагревается, больше воды превращается пар, что еще сильнее повышает реактивность. Процесс продолжается и продолжается. Что стало причиной катастрофы на Чернобыльской АЭС?
Пульт управления атомной станцией это что-то из «Стар трэк» Когда Чернобыльская АЭС работала в полную силу, это не было большой проблемой, говорит Лайман. При высоких температурах урановое топливо, которое приводит в действие ядерное деление, поглощает больше нейтронов, что делает его менее реактивным. Но при работе на пониженной мощности реакторы типа РБМК-1000 становятся очень нестабильными. На станции 26 апреля 1986 года шел планово-предупредительный ремонт. И каждый такой ремонт для реактора типа РБМК включал испытания работы различного оборудования, как регламентные, так и нестандартные, проводящиеся по отдельным программам. Данная остановка предполагала проведение испытаний так называемого режима «выбега ротора турбогенератора», предложенного генеральным проектировщиком институтом Гидропроект в качестве дополнительной системы аварийного электроснабжения.
В реакторах на быстрых нейтронах все гораздо напряженнее — разрушительные потоки нейтронов, температуры теплоносителя, быстрота и многогранность реакций в активной зоне. Технические трудности и экономические затраты создания полномасштабной энергетики на быстрых нейтронах в историческом периоде оказались практически на порядок выше, чем таковые для обычных реакторов. Это привело к значительному отставанию в их развитии и к тому, что пока что реакторы на быстрых нейтронах — это единичные и экспериментальные установки. Это отразилось еще на первом поколении реакторов на быстрых нейтронах, которые использовали в качестве теплоносителя жидкий натрий.
А вот США, Франция и Япония, начав крупномасштабные эксперименты с реакторами на быстрых нейтронах с жидким натрием в то же время и даже раньше, сошли с дистанции, так и не добившись устойчивой работы этих сложных машин. Сейчас Россия, успешно освоив технологию жидкого натрия в реакторах на быстрых нейтронах, переходит к следующему поколению энергоблоков, использующих гораздо более безопасный и перспективный свинцовый теплоноситель. Это действительно энергетика будущего: пока доступность урана-235 еще не достигла критических для отрасли величин, но его запасы не бесконечны.
Затем его превращают в топливо и опускают в активную зону реактора. Когда начинается реакция деления, рождаются быстрые нейтроны. Их замедляют, чтобы инициировать следующие расколы ядер. Замедлителем в современных реакторах выступает вода. Она же является теплоносителем, поэтому реакторы называются водо-водяными. Какое вещество можно сделать теплоносителем в реакторе на быстрых нейтронах и уране-238? Простая в обращении и доступная вода не подойдет: она замедлит нейтроны, и тяжелый изотоп урана откажется вступать в реакцию деления.
Атомщики нашли решение — жидкие металлы: они не влияют на скорость нейтронов, зато прекрасно проводят тепло. Белоярская АЭС. Фото с сайта wikipedia. Пока во всех действующих установках используется расплавленный натрий, который активно взаимодействует с водой. Металл всплывает на ее поверхности и плавится, попутно выделяется водород, который может воспламениться. Полностью от воды в реакторе не избавиться: пар нужен, чтобы крутить турбину. Поэтому сейчас в России проектируют и строят реакторы со свинцовым теплоносителем — они менее активно взаимодействуют с водой. В мире есть только два энергетических реактора на быстрых нейтронах — БН-600 и БН-800.
Радиационные явления в реакторных материалах обсудили в Обнинске
использование свинцового теплоносителя, который не замедляет быстрые нейтроны. То есть в отработавшем топливе реактора на быстрых нейтронах можно добиться выхода делящегося вещества равного или большего, чем было загружено в него изначально. Исследуем, как работают реакторы на быстрых нейтронах и в чем заключается их преимущество в ядерной энергетике. Против продаж реакторов на быстрых нейтронах резко выступает США. На Белоярской АЭС после планово-предупредительного ремонта (ППР) включили в сеть энергоблок № 4 с реактором на быстрых нейтронах БН-800. Россия продолжила работу с реакторами на быстрых нейтронах единственная в мире.
Атомный феникс для вечного двигателя
Во время работы обычного ядерного реактора тяжелое ядро урана, плутония или тория при делении выпускает несколько «лишних» нейтронов, что приводит к эффекту наведенной радиоактивности. В российских ВВЭР это ведет к накоплению в водяном носителе трития, тяжелого изотопа водорода. После этого его приходится выделять путем сложных и дорогостоящих манипуляций. Новый перспективный отечественный реактор БРЕСТ на быстрых нейтронах решает одновременно множество проблем.
Большим преимуществом расплавленного металла является то, что он практически не поглощает нейтроны и не набирает наведенную радиоактивность. Как известно, свинец — это очень радиационно стойкий элемент. При этом он химически пассивен при контакте с воздухом или водой, поэтому исключены возможные взрывы при нештатной разгерметизации контура реактора.
Это чрезвычайно важно для безопасности современной ядерной энергетики. Даже если реактор будет поврежден и рабочий носитель выйдет наружу, он просто медленно вытечет, охладится и застынет, сам собой закупорив повреждение во внешнем контуре. Никаких радиационных ужасов, вроде катастрофы на Чернобыльской АЭС, уже не будет.
Он также зачитал поздравление от имени депутатов Государственной Думы Российской Федерации, адресованное коллективу Физико-энергетического института им. От имени администрации Обнинска к участникам обратился Глава городского самоуправления, Председатель Обнинского городского Собрания Геннадий Артемьев. Он подчеркнул, что вклад ученых Физико-энергетического института оказался решающим в этом историческом событии. Доктор физико-математических наук, профессор, президент ядерного общества Казахстана Владимир Школьник в своем выступлении отметил перспективность технологии быстрых реакторов и актуальность направления по выводу отработавших ядерных установок из эксплуатации. Сочетание быстрых и тепловых реакторов в организации замкнутого цикла и исследования тех лет остаются актуальными, и я очень рад, что в Физико-энергетическом институте данные работы продолжаются, так как они имеют важное значение для будущего развития атомной энергетики. Эту тему нужно продолжать. Очень приятно отметить работы по материаловедению, особенно систематизированные данные исследований по радиационному распуханию.
Это послужит дальнейшему развитию реакторов на быстрых нейтронах и пониманию, что происходит в радиационных полях с различными материалами».
Поэтому в современных реакторах на легкой воде, например упомянутых ВВЭР, коэффициент размножения топлива составляет 0,5—0,7. Хотя, что интересно, нужный нам плутоний-239 в них тоже образуется, пусть и не так быстро. Энергоблок БРЕСТ за счет своей конструкции, особого расположения топливных элементов, использования слабо активируемого свинцового теплоносителя позволяет получить коэффициент воспроизводства топлива гораздо выше единицы — по расчетам, до 1,2, что уже очень близко к теоретическому пределу. Основной трудностью в освоении столь привлекательного на бумаге замкнутого ядерного цикла всегда была инженерная сложность реакторов на быстрых нейтронах. Если упростить задачу до максимума, то реактор на быстрых нейтронах — это гораздо более «горячая штучка», чем стандартный энергоблок, использующий медленные, тепловые нейтроны и обычную воду в качестве теплоносителя. В реакторах на быстрых нейтронах все гораздо напряженнее — разрушительные потоки нейтронов, температуры теплоносителя, быстрота и многогранность реакций в активной зоне. Технические трудности и экономические затраты создания полномасштабной энергетики на быстрых нейтронах в историческом периоде оказались практически на порядок выше, чем таковые для обычных реакторов.
Уже сейчас отставание с окончанием стройки Ростовской АЭС на полгода из-за задержки изготовления оборудования - первая ласточка возможных трудностей в будущем. И имеющаяся договоренность с Европой по обеспечению России оборудованием для машинных залов АЭС - тоже вынужденная мера, не характерная для развитых государств мира.
Отрицательно сказываются на увеличении общих затрат и такие факты, как отставание наших ядерных энергоблоков по мощности от зарубежных аналогов. И мы верим, что госкорпорация «Росатом» справится с имеющимися сложностями. Названные выше меры, предпринимаемые в целях развития ядерной энергетики в нашей стране, - еще не весь объем необходимых работ. В России он должен быть комплексным - от добычи урана до захоронения радиоактивных отходов. Сегодня для заключительной стадии ядерной энергетики под Красноярском г. Железногорск срочно строится хранилище для отработанных твэлов. В практике ядерной энергетики всегда было три направления окончания ядерного топливного цикла. Понятно, что со временем позиции стран претерпевают изменения. Так, в США объем захоронений ОЯТ может стать столь велик, что трудно будет найти новые площадки помимо ныне строящегося хранилища в горах Юкка-Маунтин в штате Невада примерно в 145 км от Лас-Вегаса , поэтому придется принимать решение о переработке ОЯТ и т. Наиболее перспективным направлением является, конечно, полезное использование плутония, а с ним и других накапливающихся трансурановых элементов нептуния, америция, кюрия.
Оптимальным в этом направлении является также использование плутония в реакторах на быстрых нейтронах. Это позволяет производить в них и сжигание урана-238, и увеличение за этот счет сырья для ядерной энергетики на сотни и тысячи лет. Данное направление, к сожалению, в мире пока осваивается с трудом. Так, в США разработки опытного реактора на быстрых нейтронах были прекращены без каких-либо конкретных планов по строительству более мощных промышленных установок. Но сегодня США пытаются вернуться к развитию этого направления. Во Франции после многолетних исследований на опытном реакторе «Феникс» 14 января 1986 г. Его эксплуатация закончилась неудачно, и в июне 1 997 г. В то же время продолжаются испытания реактора «Феникс», а также есть планы создания нового промышленного реактора. Япония продолжает работы по повторному введению в эксплуатацию опытного быстрого реактора «Мондзю» мощностью 280 МВт. Он был остановлен в 1 995 г.
Японские специалисты считают, что «наличие в Японии быстрых реакторов признано жизненно важным для успешного развития национальной ядерной энергетики» [6]. А в местечке Роккасё префектуры Аомори завершаются работы по вводу в строй завода по переработке ОЯТ и получению уран-плутониевой смеси» [7]. Опытный реактор на быстрых нейтронах построен и в Китае. Об этом подробно писал журнал «Бюллетень по атомной энергии» в 2007 г. Индия в рамках программы, рассчитанной до 2017 г. Вопросам развития направления быстрых реакторов большое внимание уделяет индийское руководство, о чем свидетельствует хотя бы следующее сообщение: «Индия в рамках программы, рассчитанной до 2017 года, решила соорудить еще четыре 500-мегаваттных реактора на быстрых нейтронах» [9]. В настоящее время на площадке ядерного комплекса Калпаккам сооружается две установки на быстрых нейтронах, ассигнования на это уже составили более 727 млн долл. Там же планируются построить еще две из названных АЭС, а еще для двух ищут место. Невольно возникает вопрос, а не отстанет Россия, ныне передовая страна со своим реактором на быстрых нейтронах БН-600, от Индии в области строительства быстрых реакторов? Советский Союз постоянно работал над созданием замкнутого топливного цикла в своей стране.
И создание реакторов на быстрых нейтронах было одним из основных и постоянных направлений программы развития ядерной энергии. Опытный аппарат БН-60 в г. Димитровграде, ныне остановленный опытно-промышленный реактор БН-350 в Казахстане, а также успешно работающий один из лучших реакторов России БН-600 на Белоярской АЭС - все это серьезный опытный полигон будущего быстрой ядерной энергетики. В декабре 2006 г. Кириенко сказал: «Блок на быстрых нейтронах БН-600, расположенный на Белоярской атомной станции, уникален. Это зона наших конкурентных преимуществ. Здесь Россия безусловный лидер. Следующий шаг - это строительство БН-800. Своевременный ввод БН-800 является ключевой позицией и принципиальным вопросом с точки зрения значимости для будущего развития ядерной энергетики» [10]. Ввод в эксплуатацию БН-800 Федеральной целевой программой «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007-2010 годы и на перспективу до 2015 года» запланирован на 2012 г.
Дальше это будет положено в основу разработки уже коммерческого реактора в полном смысле этого слова. Мы настроены оптимистично: он может появиться к 2020 г.