Ядерный реактор БРЕСТ — безотходные технологии

0
3
В декабре 2019 в России было начато строительство, по масштабу сравнимое, а по значению превосходящее сооружение Керченского моста. Пока оно никого не беспокоит, — мало кто о нём знает, ещё меньше людей верит в успех, — но тем не менее событие грандиозное.
Речь об энергетическом ядерном реакторе БРЕСТ — первом, нового поколения. Уже полвека назад было ясно, что связывать какие-либо надежды с ядерной энергетикой стоит лишь при условии расширенного воспроизведения ядерного горючего. Ибо урана-235 мало, и всего через 30 лет (считая от неустановленной пока даты в отдалённом будущем) его запасы будут исчерпаны. Атомные электростанции должны работать на плутонии. Но в энергетических реакторах его нарабатывается только 500-800 грамм на килограмм израсходованного 235 изотопа. Для восполнения потерь требовалось разработать специальные реакторы-размножители.
Установки для производства синтетических изотопов получили название «реакторов на быстрых нейтронах», ибо нейтроны в них не удерживались замедлителем в активной зоне, а свободно покидали её, бомбардируя «отражатели» — плиты из обеднённого урана, в которых и происходил синтез плутония. Для поддержания цепной реакции в таких условиях требовалось высокое – от 20 до 50% — обогащение ядерного топлива. Поскольку каждый нейтрон был на счету, не использовался и поглотитель. Реактор управлялся путём перемещения содержащих уран стержней и отражателей друг относительно друга. В качестве же теплоносителя применялся жидкий натрий. Благодаря исключительно высокой теплоёмкости его требовалось совсем немного.
Всего реакторов-размножителей, способных производить на килограмм урана-235 по 1.5-1.6 килограммов плутония, в мире было построено девять: по два в СССР, Англии и Франции и по одному в США, Германии и Японии. Причём, японцам почти сразу удалось уронить в активную зону своего реактора стрелу подъёмного крана. Прочие же государства, исключая привычно следующую особым путём Россию, размножители после недолгой эксплуатации просто закрыли.
При ближайшем знакомстве плутоний оказался исключительной дрянью. Этот металл практически не поддавался механической обработке, зато, отличался высокой химической активностью, вступая в беспорядочные связи с чем попало. А главное, в отличие от урана, операции с которым особых предосторожностей не требуют, являлся высоко радиоактивным. Ибо чем дольше работал реактор, тем больше «правильный» 239 изотоп загрязняется не поддерживающими цепную реакцию плутонием-240 и плутонием-241 со временем жизни 6500 и всего 14 лет соответственно. В результате, связанные с переработкой крайне неудобного сырья затраты сделали производство синтетического ядерного горючего нерентабельным. MOX-топливо, представляющее собой смесь 3% реакторного плутония и 97% обеднённого урана, стоит втрое дороже, чем обогащённый до 3% уран.
Размножители, превращающие драгоценный высоко-обогащённый уран в ненужный плутоний (запасов которого уже хватит для всех АЭС планеты на 12 лет работы), представляли собой экономический нонсенс. Прорыв наметился лишь в 2015 году, когда в России был пущен БН-800 – первый в мире реактор на быстрых нейтронах, работающий именно на плутонии. Кстати, более, чем уран, подходящем для размножителя, ибо каждое его ядро при распаде даёт в среднем 2.9, а не 2.5 свободных нейтрона. Если на входе опасные отходы, а на выходе они же, но в полтора раза больше, да плюс ещё электроэнергия, – это уже совсем другой разговор. Реакторы нового поколения сейчас строятся в Китае и Индии. Причём, индусы намерены с помощью своей установки, облучая торий, превращать плутоний в «удобный» уран-233.
Ядерный реактор БРЕСТ - безотходные технологии
Очевидно, энергетическое обеспечение устойчивого развития человечества на ближайшие 10000 лет имеет смысл лишь в случае, если Земля до конца этого периода останется пригодной для жизни. А значит, частоту аварий на АЭС необходимо свести к разумному минимуму. И это отнюдь нетривиальная задача. Ибо водо-водяной реактор, например, долгое время пользовался репутацией устройства безопасного абсолютно. Он мог выдержать прямое попадание авиалайнера, террориста на грузовике с гексогеном и даже любого пальца оператора по любой кнопке на пульте. Но защиту от такого фактора, как «японский авось», конструкция не предусматривала. Собственно, до аварии на Фукусиме-1 в 2011 году никто в мире и не догадывался, что «японский авось» существует… Нет, допустим, украсть цемент со стратегической стройки могли и у нас, но заклеивать потом бумагой трещины в предназначенной для отражения цунами стене, — это чисто восточный колорит.
Проблема в том, что даже в заглушенном реакторе будет продолжаться распад короткоживущих изотопов, наработанных при сгорании топлива. И если в течение многих суток не прокачивать через активную зону теплоноситель, котёл расплавится. По этому, конструкция перспективных энергетических блоков не предусматривает принудительное охлаждение активной зоны. Ведь то, чего нет, оказать не может.
Российский проект БРЕСТ подразумевает строительство реактора, представляющего собой заполненный расплавленным свинцом бетонный бассейн, в который погружены тепловыделяющие элементы и парогенераторы. Раскалённый до 2000 градусов (что сулит отличный КПД) жидкий металл будет циркулировать сам собой, нагреваясь и «всплывая» возле стержней, и опускаясь ко дну по мере охлаждения. Он же возьмёт на себя функции защиты, ибо отлично поглощает радиацию, но сам при этом не активируется, — не захватывает нейтроны с образованием радиоактивных изотопов. К тому же свинец, в отличие от воды и натрия, химически пассивен, что сильно упростит изготовление парогенераторов и ТВЭЛов.
Поскольку свинец нейтроны не замедляет, БРЕСТ сможет и будет работать, как размножитель с коэффициэнтом 1:1, — то есть, без затрат топлива.
Синтезирующийся в процессе работы плутоний будет сразу включаться в цепную реакцию, и после извлечения отработавших свой срок тепловыделяющих сборок (для чего реактор останавливать не только не обязательно, но и нельзя – свинец застынет!), количество горючего в них останется прежним.