Reaktory na neutrony szybkie to wyjątkowy rozwój rosyjskich naukowców i przyszłość całej energetyki jądrowej

Spokojny atom jest jednym z filarów światowej energii, bez którego współczesne społeczeństwo jest po prostu niemożliwe. Pomimo wszystkich zalet istniejących elektrowni jądrowych, główną wadą było i pozostaje usuwanie wypalonego paliwa jądrowego.

Wydaje się, że ten problem również zostanie rozwiązany - dzięki unikalnemu rosyjskiemu opracowaniu zamkniętego jądrowego cyklu paliwowego, którego wdrożenie jest możliwe w reaktorach jądrowych wykorzystujących szybkie neutrony.

Jaki jest problem współczesnej energetyki jądrowej

Tak więc pokojowy atom od kilkunastu lat służy ludzkości do wytwarzania energii elektrycznej na całym świecie. Ale jest jeden bardzo poważny problem. Nie każdy naturalny uran nadaje się jako paliwo do reaktorów jądrowych.

Uran-238 jest szeroko rozpowszechniony w przyrodzie (92 protony, 146 neutronów), a jego udział w światowych rezerwach wynosi 99,3% całkowitego uranu na Ziemi. Ale po prostu nie nadaje się do reaktorów jądrowych jako paliwo.

Jedynie pozostałe 0,7% światowej podaży w postaci uranu-235 (92 protony, 143 neutrony) może służyć jako paliwo. Ale nawet tej pozostałej części uranu nie można po prostu zabrać i załadować do reaktora. Musi być wstępnie wzbogacony, a udział uranu-235 w całkowitej masie uranu-238 wzrósł około 700 razy.

Okazuje się, że pomimo ogromnych światowych rezerw uran, który naprawdę nadaje się na paliwo, wystarczy, według średnich obliczeń, na zaledwie 50 lat.

Nie wszystko jest tak ponure, jak się wydaje na pierwszy rzut oka. Uran-238 nadal można przystosować do reaktorów jądrowych. To prawda, że ​​konieczne jest przekształcenie uranu-238 w pluton-239, a proces ten jest możliwy tylko po wystawieniu na działanie szybkich neutronów.

Jak się okazuje, ta przemiana nie jest łatwa. W końcu większość współczesnych reaktorów działa na „powolnych” neutronach, które są celowo spowalniane, ponieważ uran-235 „nie chce komunikować się” z neutronami szybkimi. Wręcz przeciwnie, uran-238 nie bierze udziału w procesie transformacji wolnych neutronów.

Nie jest ekonomicznie wykonalne przeprowadzenie osobnej przemiany uranu-238 w pluton-239. Znacznie bardziej efektywne jest wykorzystanie do tego tzw. Dodatkowych neutronów, które powstają podczas reakcji rozpadu. Dlatego w nowoczesnych reaktorach są one specjalnie usuwane za pomocą absorberów.

Musimy więc połączyć „śmieciowy” uran-238 i „poprawny” uran-235 w jednym miejscu - reaktorze atomowym. Wtedy będzie można zarówno wytwarzać energię elektryczną, jak i konkretnie przekształcać „niepotrzebny” uran-238 w nowe paliwo jądrowe do reaktorów. Ale warunkiem jest to, że reaktor musi działać na neutronach szybkich.

Jednak stworzenie tak naprawdę działającego szybko reaktora neutronowego okazało się dużym problemem dla wielu inżynierów. I tylko rosyjscy inżynierowie-naukowcy poradzili sobie z tym zadaniem.

Jaka jest ich cecha, reaktory na neutrony szybkie?

Potrzebujemy więc reaktora pracującego na uranie-235, a jednocześnie musimy sprawić, by działał na neutronach szybkich. Aby było to możliwe, konieczne jest znaczne zwiększenie gęstości strumienia neutronów (tak, aby uran-235 był bardziej skłonny do interakcji z szybkimi neutronami).

Oznacza to, że trzeba będzie użyć bardziej wzbogaconego paliwa, a reżim temperaturowy i strumienie neutronów będą znacznie trudniejsze - potrzebne będą bardziej stabilne materiały.

Ponadto należy unikać materiałów, które spowalniają neutrony. Oznacza to, że klasyczna wersja - woda - nie jest w tym przypadku odpowiednia, ponieważ doskonale spowalnia neutrony.

Dlatego rtęć była używana jako chłodziwo we wczesnych etapach opracowywania szybkich reaktorów, ale ta opcja została szybko odrzucona ze względu na wysoką toksyczność metalu.

W kolejnych etapach eksperymentów próbowali metali, takich jak ołów, bizmut i sód.

Stwierdzono, że najbardziej obiecującymi materiałami są sód i ołów. I na pierwszym etapie radzieccy inżynierowie zdołali „oswoić” sód.

Pierwszym komercyjnym, w pełni sprawnym reaktorem na neutrony prędkie był radziecki reaktor BN-600. Już w 2015 roku Rosatom uruchomił reaktor BN-800 (sodowy). Jest to jedyny w swoim rodzaju reaktor, który jest już przystosowany do pracy na paliwie plutonowym z pełnym zamkniętym cyklem hodowlanym.

Jaka jest zaleta szybkich reaktorów

Wstępne obliczenia pokazują, że dzięki tej technologii procent paliwa jądrowego nadającego się do reaktorów gwałtownie wzrasta ze skromnego 0,7% do 30%.

W konsekwencji efektywne rezerwy paliwa wzrosną około 43-krotnie, co oznacza, że ​​powinny wystarczyć nie na jakieś 50 lat, ale na ponad dwa tysiące lat. Myślę, że jest różnica nawet przy bardzo przybliżonych obliczeniach.

Ponadto takie reaktory są w stanie w pełni funkcjonować na wypalonym paliwie jądrowym z „wolnego” reaktory, co obiecuje rozwiązanie największego bólu głowy ekologów - jak pozbyć się zużytej broni jądrowej paliwo.

Ponadto takie reaktory są znacznie bezpieczniejsze. W końcu używają sodu zamiast podgrzewanej wody pod wysokim ciśnieniem. Sód przechodzi w stan ciekły w temperaturze 100 stopni Celsjusza, a do wrzenia przechodzi dopiero w temperaturze 900 stopni.

Pamiętajmy, jak działa system chłodzenia w „konwencjonalnych” reaktorach jądrowych. Tam woda pod ogromnym ciśnieniem działa jak chłodziwo. Oczywiście wysokie ciśnienie stwarza duże ryzyko obniżenia ciśnienia i wypadku.

Nie ma takich problemów z sodem. Ponieważ temperatura wrzenia jest wysoka, można ją utrzymywać pod normalnym ciśnieniem, co oznacza, że ​​nie ma szans na wybicie i wypadek.

Nawet w przypadku nieprawidłowej sytuacji reaktywność sodu będzie również wpływać na bezpieczeństwo. Podczas interakcji z tlenem i oparami wilgoci w atmosferze sód zostanie związany z trwałą substancją chemiczną związki, które pozostaną na terenie stacji i nie będą rozpraszać się po dzielnicy, rozprzestrzeniając radioaktywne skażenie.

Rosja wyprzedza resztę

Pomimo licznych prób ze strony różnych krajów, tylko Rosja, aw szczególności Rosatom, ma pełnoprawną komercyjną wersję reaktora na neutrony prędkie.

Przecież nawet Francuzi (obiecujący rozwój "reaktora Feniks") nie poradzili sobie z problemem okresowej pracy systemów zabezpieczeń i w 2010 roku wstrzymali projekt.

Japończycy testowali też swoją własną wersję - reaktor Monju, ale po serii wypadków postanowili go zdemontować.

Indianie chcieli również stworzyć własny reaktor na neutrony prędkie, ale nic się nie wydarzyło.

W Rosji technologia rozwija się płynnie, a prace nad projektem reaktora szybkiego BN-1200, w którym jako chłodziwo stosowany jest stopiony ołów, już trwają. Zgodnie z planem ma być w pełni operacyjny do 2030 roku.

Okazuje się, że Rosja jest jedynym krajem, który naprawdę może wytwarzać energię jądrową wydajny i naprawdę bezpieczny dzięki unikalnej konstrukcji - reaktorowi na neutrony prędkie.