Реактор из будущего. В России строят ядерный комплекс IV поколения

В городе Северск Томской области Росатом приступил к монтажу установки на быстрых нейтронах БРЕСТ-ОД-300, которая позволит реализовать на АЭС замкнутый топливный цикл. Ряд особенностей, включая свинцовый теплоноситель, делают этот реактор уникальным. Ученые считают, что его запуск приблизит новую эру в энергетике.

Нейтроны медленные и быстрые

Аббревиатура ОД означает опытно-демонстрационный.

"Это важное уточнение. Реактор должен продемонстрировать работоспособность. Если удастся достичь плановых характеристик, это будет шагом в энергетику будущего", — поясняет заместитель директора Института ядерной физики и технологий НИЯУ МИФИ, доктор физико-математических наук Георгий Тихомиров.

Цепную реакцию в атомной энергетике запускают нейтроны, возникающие при делении тяжелых ядер. В действующих реакторах нейтроны больших энергий, их называют быстрыми, специально замедляют. Реакцию поддерживают медленные, или тепловые, нейтроны. Топливо, как правило, — обогащенный уран с повышенным содержанием изотопа ²³⁵U.

"Уже на заре атомной энергетики встал вопрос о расширении топливной базы, чтобы использовать все изотопы добываемого урана, а не только уран-235, запасы которого ограничены. Возникла идея реактора на быстрых нейтронах, в котором есть возможность воспроизводства топлива и вовлечения в работу изотопа урана-238. Это в сто раз расширяет топливную базу", — рассказывает ученый.

Построить реактор на быстрых нейтронах сложнее, чем на тепловых. В мире таких единицы. Два больших блока — на Белоярской АЭС в России, один небольшой — в Китае, еще несколько строят в разных странах.

Свинцовый теплоноситель

В общих чертах процесс получения электроэнергии на АЭС выглядит так. В активной зоне реактора происходит цепная реакция с выделением большого количества тепла. Теплоноситель нагревается до высокой температуры и испаряет воду в парогенераторе. Пар крутит турбины, вырабатывающие электроэнергию.

В реакторах на быстрых нейтронах БН-600 и БН-800 на Белоярской АЭС теплоноситель — жидкий натрий. У него есть ряд недостатков, отмечает Георгий Тихомиров. В частности, он агрессивно взаимодействует с воздухом и водой, из-за чего нужно строить три контура. Альтернатива — свинец. БРЕСТ-ОД-300 — первый реактор в мире с таким теплоносителем (не считая лодочных реакторов на эвтектике свинец-висмут).

"При запуске реактора свинец необходимо аккуратно расплавить, например, электрическим способом. Затем жидкое состояние поддержит энерговыделение в активной зоне", — говорит ученый.

Кроме того, в реактор загрузят более плотное топливо — смесь нитридов урана и плутония вместо привычного диоксида урана.

"Еще одна особенность — интегральная компоновка. Теплообменники расположены в одном корпусе с активной зоной, что делает установку компактнее и надежнее", — добавляет профессор.

Естественная безопасность

Международное сообщество атомных энергетиков выделяет шесть перспективных типов установок четвертого поколения, в том числе реакторы на быстрых нейтронах.

"Их проектируют на принципах внутреннеприсущей, или естественной, безопасности. Это означает, что при любых обстоятельствах не должно быть серьезных аварий", — подчеркивает Георгий Тихомиров.

В мире до сих пор с настороженностью относятся к ядерной энергетике. Памятны аварии на Чернобыльской АЭС в СССР в 1986-м и Фукусима-1 в Японии в 2011-м.

"Любая авария заставляет проанализировать причины и продвинуть атомную энергетику вперед. После Чернобыля в МАГАТЭ эксперты сформулировали принципы безопасности эксплуатации атомных станций. Затем их пересмотрели с учетом Фукусимы-1. Сегодня все АЭС проектируют на этой основе", — указывает физик.

Каждое техническое устройство несет риски, но для АЭС они минимизированы, настаивает Тихомиров. И в последние десять лет серьезных инцидентов в отрасли не было.

"Многие аварии приводили к расплавлению активной зоны из-за потери теплоносителя. Свинец и интегральная компоновка БРЕСТ-ОД-300 это практически исключают", — говорит ученый.

Запуск БРЕСТ-ОД-300 запланирован на 2026-й. Прежде всего установка должна в принципе показать работоспособность. Достижение плановых характеристик станет колоссальным успехом. Но это далеко не все.

Опытно-демонстрационный комплекс, помимо реактора, включает в себя модуль фабрикации топлива и модуль его переработки. Это позволит реализовать замкнутый ядерный топливный цикл.

"Электрогенерация важна, но еще важнее продемонстрировать, что в рамках одной площадки возможны переработка и повторное возвращение топлива в реактор", — уточняет профессор Тихомиров.

БРЕСТ-ОД-300 — это прототип реакторов для АЭС будущего, более экономичных, безопасных, с минимумом радиоактивных отходов. Некоторые эксперты даже рассматривают их в качестве возобновляемых источников энергии.