Принцип работы термоядерного реактора кратко и понятно

Обновлено: 02.07.2024


Термоядерный реактор, еще не работает и заработает нескоро. Но ученые уже точно знают, как он устроен.

Теория


В качестве топлива для термоядерного реактора может выступать Гелий-3, один из изотопов гелия. Он редко встречается на Земле, но его очень много на Луне. На этом строится сюжет одноименного фильма Дункана Джонса. Если вы читаете эту статью, то фильм вам точно понравится.

Реакция ядерного синтеза — это когда два маленьких атомных ядра слепляются в одно большое. Это реакция, обратная ядерному распаду. Например, можно столкнуть два ядра водорода, чтобы получить гелий.

При такой реакции выделяется огромное количество энергии благодаря разности масс: масса частиц до реакции больше, чем масса полученного большого ядра. Эта масса и превращается в энергию благодаря всем известной формуле E=mc 2 .

Но для того, чтобы произошло слияние двух ядер, надо преодолеть их силу электростатического отталкивания и сильно прижать друг к другу. А на маленьких расстояниях, порядка размера ядер, действуют уже гораздо большие ядерные силы, благодаря которым ядра притягиваются друг к другу и объединяются в одно большое ядро.

Практика


Где энергия, там и оружие. Во время холодной войны СССР и США разработали термоядерные (или водородные) бомбы. Это самое разрушительное оружие, созданное человечеством, в теории оно может уничтожить Землю.

Как раз температура и является основным препятствием использовать термоядерную энергию на практике. Не существует материалов, которые смогут удержать такую температуру и не расплавиться.

Но выход есть, можно удерживать плазму благодаря сильному магнитному полю. В специальных устройствах токамаках плазму могут удержать в форме бублика огромные мощные магниты.

Термоядерная электростанция безопасна, экологически чиста и очень экономична. Она может решить все энергетические проблемы человечества. Дело за малым — научиться строить термоядерные электростанции.

Международный экспериментальный термоядерный реактор


Построить термоядерный реактор очень сложно, и очень дорого. Для решения такой грандиозной задачи объединились усилия ученых нескольких стран: России, США, стран ЕС, Японии, Индии, Китая, Республики Корея и Канады.

Сейчас строится экспериментальный токамак во Франции, стоить он будет примерно 15 миллиардов долларов, по планам он будет закончен к 2019 году и до 2037 на нем будут проводиться эксперименты. Если они будут успешными, то, может, мы еще успеем пожить в счастливую эпоху термоядерной энергии.

Так что сосредоточьтесь посильнее и начинайте с нетерпением ждать результатов экспериментов, это вам не второй iPad ждать — на кону будущее человечества.


Ядерный реактор работает слаженно и четко. Иначе, как известно, будет беда. Но что там творится внутри? Попытаемся сформулировать принцип работы ядерного (атомного) реактора кратко, четко, с остановками.

По сути, там творится тот же процесс, что и при ядерном взрыве. Только вот взрыв происходит очень быстро, а в реакторе все это растягивается на длительное время. В итоге все остается целым и невредимым, а мы получаем энергию. Не столько, чтобы все вокруг сразу разнесло, но вполне достаточную для того, чтобы обеспечить электричеством город.


Прежде чем понять, как идет управляемая ядерная реакция, нужно узнать, что такое ядерная реакция вообще.

Ядерная реакция – это процесс превращения (деления) атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами и гамма-квантами.

Ядерные реакции могут проходить как с поглощением, так и с выделением энергии. В реакторе используются вторые реакции.

Ядерный реактор – это устройство, назначением которого является поддержание контролируемой ядерной реакции с выделением энергии.

Часто ядерный реактор называют еще и атомным. Отметим, что принципиальной разницы тут нет, но с точки зрения науки правильнее использовать слово "ядерный". Сейчас существует множество типов ядерных реакторов. Это огромные промышленные реакторы, предназначенные для выработки энергии на электростанциях, атомные реакторы подводных лодок, малые экспериментальные реакторы, используемые в научных опытах. Существуют даже реакторы, применяемые для опреснения морской воды.


История создания атомного реактора

Первый ядерный реактор был запущен в не таком уж и далеком 1942 году. Произошло это в США под руководством Ферми. Этот реактор назвали "Чикагской поленницей".

В 1946 году заработал первый советский реактор, запущенный под руководством Курчатова. Корпус этого реактора представлял собой шар семи метров в диаметре. Первые реакторы не имели системы охлаждения, и мощность их была минимальной. К слову, советский реактор имел среднюю мощность 20 Ватт, а американский – всего 1 Ватт. Для сравнения: средняя мощность современных энергетических реакторов составляет 5 Гигаватт. Менее чем через десять лет после запуска первого реактора была открыта первая в мире промышленная атомная электростанция в городе Обнинске.


Первый в мире ядерный реактор

Принцип работы ядерного (атомного) реактора

Приведем ниже схему работы ядерного реактора.


Схема ядерного реактора на АЭС

Как мы уже говорили, при распаде тяжелого ядра урана образуются более легкие элементы и несколько нейтронов. Образовавшиеся нейтроны сталкиваются с другими ядрами, также вызывая их деление. При этом количество нейтронов растет лавинообразно.

Здесь нужно упомянуть коэффициент размножения нейтронов. Так, если этот коэффициент превышает значение, равное единице, происходит ядерный взрыв. Если значение меньше единицы, нейтронов слишком мало и реакция угасает. А вот если поддерживать значение коэффициента равным единице, реакция будет протекать долго и стабильно.


Вопрос в том, как это сделать? В реакторе топливо находится в так называемых тепловыделяющих элементах (ТВЭЛах). Это стержни, в которых в виде небольших таблеток находится ядерное топливо. ТВЭЛы соединены в кассеты шестигранной формы, которых в реакторе могут быть сотни. Кассеты с ТВЭЛами располагаются вертикально, при этом каждый ТВЭЛ имеет систему, позволяющую регулировать глубину его погружения в активную зону. Помимо самих кассет среди них располагаются управляющие стержни и стержни аварийной защиты. Стержни изготовлены из материала, хорошо поглощающего нейтроны. Так, управляющие стержни могут быть опущены на различную глубину в активной зоне, тем самым регулируя коэффициент размножения нейтронов. Аварийные стержни призваны заглушить реактор в случае чрезвычайной ситуации.


ТВЭЛы, помещенные в топливную кассету

Как запускают ядерный реактор?

С самим принципом работы мы разобрались, но как запустить и заставить реактор функционировать? Грубо говоря, вот он - кусок урана, но ведь цепная реакция не начинается в нем сама по себе. Дело в том, что в ядерной физике существует понятие критической массы.


Критическая масса – это необходимая для начала цепной ядерной реакции масса делящегося вещества.

При помощи ТВЭЛов и управляющих стержней в ректоре сначала создается критическая масса ядерного топлива, а потом реактор в несколько этапов выводится на оптимальный уровень мощности.

В данной статье мы постарались дать Вам общее представление об устройстве и принципе работы ядерного (атомного) реактора. Если у Вас остались вопросы по теме или в университете задали задачу по ядерной физике – обращайтесь к специалистам нашей компании. Мы, как обычно, готовы помочь Вам решить любой насущный вопрос по учебе. А пока мы этим занимаемся, Вашему вниманию очередное образовательное видео!

Иван Колобков, известный также как Джони. Маркетолог, аналитик и копирайтер компании Zaochnik. Подающий надежды молодой писатель. Питает любовь к физике, раритетным вещам и творчеству Ч. Буковски.

Можете ли вы представить себе мир, в котором не нужны никакие дополнительные источники энергии? Мир, в котором не надо будет задумываться о том, как экономить энергию. Она будет если и не бесплатной, то очень дешевой. А теперь представьте Солнце, которое каждую секунду вырабатывает столько энергии, сколько человечество не израсходовало за всю свою историю и не израсходует еще долго. Как же мы можем реализовать получение энергии Солнца на нашей планете? Оказывается, уже более 60 лет существуют технологии, которые способны обеспечить нас почти неисчерпаемыми источниками энергии за минимальные деньги и с использованием почти бесплатного топлива. Резонный вопрос: почему мы не пользуемся такой возможностью?


Внутри этой камеры температура поднимается до нескольких миллионов градусов Цельсия.

Что такое токамак

Само слово ”токамак” ничего не обозначает — это просто сокращение, которое потом стало полноценным словом. Его используют не только в России, но и за рубежом, так как именно в нашей стране эту штуку придумали и именно у нас они долгое время активно развивались.

Токамак - тороидальная камера с магнитными катушками. Только и всего.

Суть токамака сводится к тому, чтобы создать магнитное поле, в котором будет протекать реакция термоядерного синтеза. Так как температура такой реакции не просто высокая, а буквально запредельная (несколько миллионов градусов Цельсия), ее нельзя проводить просто внутри какой-то камеры — она расплавится задолго до достижения рабочей температуры.

Такая температура достигается из-за того, что внутри токамака вещество находится в четвертом агрегатном состоянии, которое достигается при таких высоких температурах. Такое состояние называется плазма.

Кто изобрел токамак

Первым, кто предложил использовать термоядерный синтез, в том числе и для промышленных целей, был советский физик О.А. Лаврентьев. Сделал он это в своей работе 1950 года. Именно с его работы началось изучение способов использования термоядерного синтеза.


О.А. Лаврентьев также является отцом водородной бомбы.

Спустя год другие физики — А.Д. Сахаров и И.Е. Тамм — развили идею и сказали, что термоядерная реакция должна поддерживаться внутри замкнутой камеры тороидальной формы.

Тор (тороид) — представляет собой объемную фигуру, получающуюся в результате вращения кольца вокруг центра вращения. Грубыми примерами тора могут служить пончик, бублик или велосипедная камера, вынутая из колеса.

Термин для обозначение токамака был предложен учеником академика Курчатова — И.Н. Головиным. Правда, в его варианте это должен был быть ”Токамаг” (тороидальная камера магнитная), но позже стали использовать более благозвучное слово ”Токамак”.


А.Д. Сахаров и И.Е. Тамм

Первый действующий токамак был построен в 1954 году, но до 1968 года они существовали только в СССР, так как мало кто верил в существование внутри камеры такой высокой температуры. Только после того, как в токамаке Т-3 в Институте атомной энергии им И.В. Курчатов побывали английские ученые и на своем оборудовании подтвердили существование температуры 11,6 миллиона градусов Цельсия, это привело к взрывному росту популярности и исследований в этом направлении в мире.

Токамак и сейчас считается самым перспективным способом получения энергии термоядерного синтеза и изучения плазмы, как агрегатного состояния вещества.

На Земле плазма в естественной среде встречается только в молнии и северном сиянии, в космосе из нее состоит буквально все - звезды, туманности, межзвездное пространство.

Как работает токамак

Для создания внутри токамака магнитного поля, он составляется из секций, внутри которых намотаны катушки. Так как они идут по всей длине камеры и создают что-то вроде замкнутого тоннеля, получающееся магнитное поле называют тороидальным. Это и есть рабочая зона установки.

Перед началом работы из камеры токамака откачивают воздух, а вместо этого заполняют его смесью дейтерия и трития. Они и являются основой реакции термоядерного синтеза.

Дейтерий - изотоп водорода, ядро которого состоит из одного протона и одного нейтрона. Тритий - изотоп водорода, ядро которого состоит из протона и двух нейтронов.

Преимущество использования этих двух элементов в том, что они очень дешевые. Дейтерий очень легко получается из воды, которой на нашей планете более чем достаточно, а тритий синтезируется пусть и чуть более сложным способом, но это тоже не является большой проблемой.

Когда камера заполнена, в ней создается вихревое электрическое поле, которое поддерживают плазму внутри камеры, а заодно разогревает ее, доводя до той самой температуры в несколько миллионов градусов.


Сейчас тут работают люди, а скоро будет 150 миллионов градусов.

Так как поле и нагрев создаются за счет увеличения тока в индукторе, а он не может увеличиваться бесконечно, время существования плазмы в стабильном состоянии пока не превышает нескольких секунд. Это и является главной причиной того, что мы пока не можем использовать токамаки в качестве источника промышленного получения энергии. Существую способы решения этой проблемы, в том числе с использованием микроволнового излучения, но пока работы в этом направлении еще ведутся.

Контакта стенок токамака с плазмой нет и поэтому они не плавятся, но они все равно испытывают серьезные нагрузки. Из-за этого стенки делаются из бериллия и нарезаются маленькими квадратными пластинками. Так им проще отводить тепло.

Впрочем, микроволновое излучение и так применяется внутри токамака, так как только электромагнитного поля недостаточно для нагрева плазмы до температуры, необходимой для осуществления термоядерной реакции.

Обычная физика частиц четко говорит нам, что ядра с одинаковым зарядом отталкиваются друг от друга. Но при достижении сверхвысоких температур, они начинают вести себя иначе, образуя ядро гелия плюс один свободный нейтрон. Именно в этот момент и высвобождается огромное количество энергии. В обычных условиях она тратится на взаимодействие атомов между собой.

Самый большой термоядерный реактор

Конечно, можно сказать, что самый большой термоядерный реактор — это Солнце, но все это условно, есть звезды и побольше. Самый большой термоядерный реактор на Земле — это ”Международный экспериментальный термоядерный реактор” (ИТЭР или ITER). Он строится на юге Франции с 2007 года и, как и большой адронный коллайдер, является международным проектом.

Получение первой плазмы было намечено на 2020 год, а первого электричества в сети - на 2027 год, но сроки уже не выполняются из-за того, что в проекте много участников (каждый по-своему тормозит проект) и из-за того, что такого еще никто не делал.

Для того, чтобы описать его возможности, достаточно только сказать, что внутри него будет достигаться температура в 150 миллионов градусов Цельсия. Это в 10 раз больше, чем внутри солнечного ядра. Представить себе такие значения просто невозможно.


Кто строит токамак ITER.

Когда ИТЭР будет достроен (о чем мы обязательно расскажем в нашем новостном Telegram-канале), он станет основной изучения термоядерного синтеза для дальнейшего изучения этой реакции атомов, как потенциального источника энергии будущего.

Из интересных цифр ИТЭР можно отметить размер токамака, который составит 28 метров в диаметре и 28 метров в высоту. Проектная мощность составляет 0,5 ГВт (в 2,5 больше самого мощного из того, что есть сейчас). Магнитное поле составит 10 Тесла (магнитное поле Земли составляет 0,00005 Тесла).

Стоимость проекта составляет всего 15 миллиардов долларов. Для сравнения, на МКС потратили за 28 лет 53 миллиарда долларов, а на подготовку к ЧМ по футболу в Катаре в 2022 году - около 130 миллиардов долларов.

Безопасна ли реакция термоядерного синтеза

Главным преимуществом реакции термоядерного синтеза, проходящей внутри токамака, является ее безопасность. Можно удивиться, как такое возможно при достижении таких высоких температур, но это действительно так.

Все из-за того, что плотность плазмы в миллион раз меньше плотности атмосферы. Благодаря такой особенности работы, взрыв из-за внутреннего давления просто невозможен. Да и если температура начнет падать, плазма просто будет, как говорят физики, ”осыпаться”. Плюс, топливо подается в течение всей реакции и для ее остановки достаточно просто прекратить его подачу. Например, атомную станцию просто выключить нельзя и я уже рассказывал, почему.

Единственной опасностью является только то, что изотоп трития обладает небольшой радиоактивностью. Впрочем, она не такая высокая, чтобы переживать по этому поводу. Она существенно ниже, чем у топлива для атомной станции. Например, период полураспада уранового топлива составляет почти 5 миллиардов лет (то есть почти никогда), а трития — всего 12 лет. Да и используется его минимальное количество.

Всего 80 грамм смеси дейтерия и трития в токамаке выдают столько же энергии, сколько 1 000 тонн угля при сжигании. Вот и считайте.

А еще можно добавить, что технологию реакции термоядерного синтеза нельзя применить в военных целях. Создание плазмы вне токамака пока невозможно, а использование его самого в качестве оружия слабо осуществимо из-за того, что он не взрывается.

Почему энергию не получают из термоядерного синтеза

Несмотря на всю перспективность технологии и то, что о ней заговорили уже более 70 лет назад, пока не получается добиться промышленной работы таких устройств. До сих пор в них есть, что дорабатывать. Например, возможность продолжительной работы и дальнейшее повышение температуры плазмы.


Только представьте себе, как это маленькое солнце будет обеспечивать нас энергией в будущем.

Когда эта проблема будет решена, мы получим на Земле небольшой кусочек Солнца, и тогда можно будет говорить, что мы достигли совершенства в выработке энергии. Конечно, могут изобрести и другие еще более эффективные способы получения энергии, но именно термоядерный синтез сейчас может изменить очень многое. Самое главное, что мы получим не только возможность не выключать свет ради экономии.

Главным плюсом перехода на такой источник энергии является то, что когда вся энергия будет добываться именно из термоядерного синтеза, мы максимально снизим воздействие на нашу планету. Нам будет не нужно ископаемое топливо, мы обойдемся без атомных станций, а заодно пересядем на электрический транспорт и сможем существенно продлить жизнь нашей планете. Может, и улетать никуда не придется.

Мечта современных ядерщиков — энергетика без радиоактивных отходов. Это когда отработанное ядерное топливо перерабатывается и снова становится топливом для реакторов разного типа. Попутно снижается потребность в дорогостоящем обогащении урана, а в итоге получается что-то фантастическое и, условно, вечно работающее.


БН-800 на Белоярской АЭС — один из двух в мире действующих реакторов на быстрых нейтронах. Выведен на номинальную мощность в 2015 году

Под катом — рассказ про устройство классических ядерных реакторов на тепловых нейтронах, принцип работы ядерных реакторов на быстрых нейтронах (в мире их всего два, и оба в России) и замыкание ядерного топливного цикла.

Уверена, это будет интересно тем, кому пришелся по вкусу рассказ про международную стройку 500-мегаваттного термоядерного реактора ITER.

Наш рассказчик — Алексей Германович Горюнов, заведующий кафедрой и руководитель отделения ядерно-топливного цикла инженерной школы ядерных технологий из томского Политеха, который прочитал лекцию про двухкомпонентную энергетику в томской Точке кипения.

Сегодняшний рассказ — о новых технологиях мирного атома: замыкании ядерно-топливного цикла и двухкомпонентной ядерной энергетике.

Но начнем с того, как ядерно-топливный цикл функционирует сейчас.

Классический топливный цикл


MOX (Mixed-Oxide fuel) — ядерное топливо, содержит несколько видов оксидов делящихся материалов (обычно плутония и урана). НАО, САО, ВАО — разные типы радиоактивных отходов. ОЯТ — отработавшее ядерное топливо

Центр современного цикла — ядерный реактор на тепловых нейтронах. Он выделен зеленым. В качестве топлива реактор использует уран, обогащенный по изотопу-235. Чтобы его получить, урановую руду извлекают, перерабатывают, а потом проводят долгое и дорогостоящее обогащение.

В больших реакторах, преобладающих в ядерной энергетике, таких как водо-водяной ВВР-1000 или канальный РБМК-1000, отработанное топливо не перерабатывают. Его хранят в бассейнах выдержки реакторов, а потом перевозят на площадку долговременного хранения на базе горно-химического комбината.

Базовый процесс получения топлива дорогой, а сырье — исчерпаемый ресурс, поэтому человечество напряженно решает задачу по замыканию топливного цикла — это когда из ядерных отходов опять производят топливо. Сейчас эта схема существует лишь в небольшом сегменте ядерной энергетики — в транспортных и исследовательских реакторах.

Давайте теперь посмотрим на устройство современных реакторов.

Ядерные реакторы на тепловых нейтронах

Схематично атомную станцию с ядерным реактором на тепловых нейтронах можно представить так:


Далее мы будем говорить о так называемом ядерном острове, куда входит реакторная часть. Рассмотрим, какие реакторы используются в настоящее время, а какие могут быть запущены в ближайшем будущем.



Условная схема ядерной электростанции

Реактор — это устройство, в активной зоне которого осуществляется контролируемая самоподдерживающаяся цепная реакция деления ядер тяжелых элементов, в частности урана-235. Сегодня наиболее распространены водо-водяные энергетические блоки. На картинке — схема как раз такого реактора.


Условная схема электростанции с водо-водяным реактором

Реактор находится в защищенном корпусе и примыкает к отдельному зданию, где размещают традиционные энергетические узлы — турбинный зал и другие, которые есть в обычных теплоэнергетических станциях.

Обычно в реакторах используют четыре нити охлаждения для повышения надежности. Первый контур охлаждения реактора включает сам реактор, а также главные циркуляционные насосы. Их число соответствует количеству нитей охлаждения — четыре. На каждой из нитей охлаждения установлен парогенератор, который отделяет первый контур реактора от второго, содержащего теплоноситель, поступающий в традиционный остров.


Энергетическая установка с реактором ВВР

Общий вид самого реактора:


Стоит отметить, что это корпусной реактор, такая конструкция позволяет достичь высоких показателей по безопасности.

Ядерные реакторы на быстрых нейтронах


Сечение реакции деления ядер изотопов урана, плутония и тория в зависимости от энергии нейтронов

Рисунок наглядно показывает, что для урана-235 и плутония-239 мы можем создать цепную реакцию, используя как тепловые, так и быстрые нейтроны. А уран-238 в левой части графика (где находятся тепловые нейтроны) делиться не будет. В природе же распространен в основном изотоп урана-238, который нельзя напрямую использовать в реакторе на тепловых нейтронах. Урана-235 в природе содержится очень мало, а для получения топлива необходимо проводить дорогостоящее обогащение.

Реактор на быстрых нейтронах позволяет уйти от процедуры обогащения по урану-235. Но технически все не так просто.

В реакторе на тепловых нейтронах, как и в целом во всех современных энергетических установках, в качестве теплоносителя используют воду. Именно она переносит тепловую энергию к турбинам. С ней понятно, как работать, какие использовать конструкционные материалы. Однако из ядерной физики мы знаем, что вода замедляет быстрые нейтроны, появляющиеся при делении ядер.

Поэтому в реакторе на быстрых нейтронах в качестве теплоносителя, как правило, используются жидкие металлы, что существенно усложняет конструкцию.

Здесь приходится решать целый пласт научных и опытно-конструкторских задач, в том числе — разрабатывать новые материалы.

Наиболее вероятная реакция в реакторе на быстрых нейтронах — поглощение нейтрона изотопом урана-238 — показана на схеме ниже.


В результате природный уран-238 преобразуется в изотоп плутония-239, который обладает свойствами деления, схожими с ураном-235. И тут появляется возможность преобразовать почти не делящийся в реакторах на тепловых нейтронах уран-238 в новое ядерное топливо.

Уран-235 и плутоний-239 схожи по своим свойствам. На базе этих ядер мы вполне можем получить цепную реакцию: поглощая как быстрые, так и медленные нейтроны, ядра будут делиться, испуская вторичные, третичные нейтроны и т.д.


Исторически сложилось, что наиболее проработанные на сегодняшний день реакторы на быстрых нейтронах — БН-600 и БН-800.

А Россия — единственная страна в мире, имеющая действующие промышленные ядерные реакторы на быстрых нейтронах.

Их устройство намного сложнее, чем у двухконтурного водо-водяного реактора на тепловых нейтронах, поскольку в качестве теплоносителя используют жидкий натрий с температурой плавления ~98℃.


Схема энергоблока с реактором на быстрых нейтронах

В реакторах с натриевым теплоносителем мы не можем использовать двухконтурную схему, где первый контур заполнен натрием, а второй — водой, поскольку случайное взаимодействие облученного натрия с водой приведет к особо тяжелым последствиям. В ходе реакции этих двух веществ выделяется взрывоопасный водород, и в случае взрыва нейтрализовать фонящий натрий будет крайне проблематично. Поэтому используют трехконтурную схему. Первый контур — натриевый (на рисунке он показан красным в центре реактора), потом теплообменник и еще один (промежуточный) натриевый контур (желтый цвет), позволяющий снизить степень облучения натрия, и только в третьем контуре используется вода, установлена турбина, тепловые части и остальное оборудование. Три контура усложняют как эксплуатацию реактора, так и управление им.

Следующий шаг — БРЕСТ

Конструкция этого реактора обеспечивает так называемую естественную безопасность: на этом реакторе невозможна авария из-за неконтролируемого появления нейтронов, приводящего к цепным реакциям (разгона реактора по мощности).


Цель замыкания — постепенно исключить часть цепочки, связанную с добычей урана его обогащением, а также повторно использовать ядерные отходы.

Двухкомпонентная ядерная энергетика

Двухкомпонентная энергетика — это решение задачи по уменьшению количества обогащенного природного урана, необходимого для работы всех этих реакторов. Она еще не достигла пика своего развития — это то, чем будет заниматься поколение сегодняшних школьников.

В настоящее время в реакторах на быстрых нейтронах мы начинаем нарабатывать делящиеся элементы, которые впоследствии позволят загружать сюда топливо, не обогащенное по урану-235.

БН-600 и БН-800 уже работают на так называемом МОКС-топливе (MOX — Mixed-Oxide fuel) — смеси, включающей оксиды плутония-239 и урана. Причем реакторы могут работать как на топливе, обогащенном по урану-235 — и в этом случае нарабатывать плутоний-239, — так и на плутонии.



Частично замкнутый цикл использования ядерного топлива

На базе Опытно-демонстрационного центра в Северске, а в будущем и завода ФТ-2 в Железногорске, есть хранилище отработанного ядерного топлива. Сейчас на финальной стадии разработки находится технология, которая позволит переработать топливо после реактора ВВР и вернуть из него в цикл уран и плутоний. Задачу переработки решают весьма интересно: уран и плутоний не разделяют, а передают на производство в смешанном виде. В итоге мы получаем тепловыделяющие сборки для реакторов, содержащие регенерированный уран и плутоний, а также добавленный туда природный уран, обогащенный по изотопу-235.

Конечно, полного замыкания ядерно-топливного цикла здесь нет, но этот подход позволяет снизить затраты на обогащение.

Кроме того, делящиеся элементы, которые мы будем извлекать из отработанного в реакторах ВВР топлива, пойдут на топливные циклы быстрых реакторов.

Сейчас уже отработана схема загрузки в реактор БН-800 МОКС-топлива, содержащего плутоний-239 и уран-238, его путь на рисунке ниже показан красной линией.


Схема подразумевает использование отработанного ядерного топлива (ОЯТ) из реактора ВВЭР совместно с оксидным топливом с ураном-235 после реакторов БН. В ходе переработки мы выделяем смесь плутония и урана, которая идет на изготовление МОКС-топлива. А отработанное МОКС-топливо перерабатывают вместе с топливом после реактора РБМК.

Получается, что мы начинаем с обычной загрузки реакторов оксидным топливом на базе урана-235 и постепенно, нарабатывая плутоний-239 в быстром реакторе, вытесняем его МОКС-топливом.

Мы не сможем сразу перейти с традиционных реакторов на быстрые, потому что для каждого реактора на быстрых нейтронах придется построить инфраструктуру по переработке топлива, которая в первое время не будет загружена, ведь реакторы должны наработать топливо, которое впоследствии будет перерабатываться. А в схеме выше заложен плавный переход от существующих реакторов к быстрым. Эта схема подразумевает наработку плутония на реакторе БН-800. В перспективе должны появиться более мощные и более рентабельные установки — БН-1200, которые воплотят двухкомпонентность нашей ядерной энергетики на ближайшее десятилетие и стратегию того же Росатома.

Но интереснее то, что происходит в проекте БРЕСТ. Реактор такого типа с электрической мощностью 300 МВт уже начали возводить в Северске. Вокруг него построят комплекс, который позволит решать задачи регенерации топлива, т.е. все процессы в рамках замыкания топливного цикла будут сосредоточены в одном месте.


На начальном этапе будет нужна подпитка природным или обедненным ураном, как отмечено на картинке. Не имея нужного объема плутония, мы можем, как и в предыдущей схеме, стартовать, используя комбинированное топливо, и постепенно нарабатывать плутоний, переходя на замкнутый цикл.

На этот реактор возлагают большие надежды: упомянутый выше естественный контур защиты не позволяет разогнать его до тяжелых аварий. Но здесь придется столкнуться с рядом проблем. Задачи, связанные с наработкой плутония, уже в какой-то степени решали. А вот переработка ядерного топлива после быстрых реакторов — вопрос открытый. Здесь нужно обеспечить короткую выдержку топлива: оно горячее и с высоким радиационным фоном. Нужно создавать новые технологические процессы, отрабатывать их на стендах и внедрять.

Если задача по замыканию ядерного топливного цикла будет решена, то в масштабах жизни человека мы получим практически неисчерпаемый источник энергии.

Параллельно необходимо довести до конца решение задачи по выводу отходов из цикла без нарушения естественного радиационного баланса Земли. Проектируемый топливный цикл должен обеспечить возврат ровно того же количества радиации, которое мы извлекли. Теоретически эта задача просчитана и может быть решена. Дело за практикой.

В отличие от прошлого века, когда необходимо было получить ядерное оружие и заодно ядерную энергетику любой ценой, а экономику никто не просчитывал, сейчас задача состоит в том, чтобы все было энергоэффективно, экономически целесообразно и с обеспечением естественной безопасности. И кто-то это все должен делать. Так что спецы по данному и смежным направлениям без работы не останутся.

Читайте также: