U prethodnim člancima smo saznali da ni solarna energija neće moći zadovoljiti potrebe čovječanstva (zbog brzog kvara baterija i njihove cijene), niti termonuklearna energija (jer čak i nakon postizanja pozitivnog izlaza energije u eksperimentalnim reaktorima, fantastična količina ostaje problem na putu do komercijalne upotrebe). Šta ostaje?

Više od stotinu godina, uprkos svom napretku čovečanstva, najveći deo električne energije dobija se iz banalnog sagorevanja uglja (koji je još uvek izvor energije za 40,7% svetskih proizvodnih kapaciteta), gasa (21,2%), naftni derivati ​​(5,5%) i hidroenergija (još 16,2%, ukupno sve ovo je 83,5%).

Ono što ostaje je nuklearna energija, sa konvencionalnim reaktorima na termalne neutrone (za koje je potreban rijedak i skup U-235) i reaktorima sa brzi neutroni(koji može obraditi prirodni U-238 i torijum u "zatvorenom ciklusu goriva").

Kakav je to mitski „zatvoreni ciklus goriva“, koje su razlike između reaktora na brzim i termalnim neutronima, kakvi dizajni postoje, kada od svega toga možemo očekivati ​​sreću i naravno – pitanje sigurnosti – pod rezom.

O neutronima i uranijumu

Svima nam je u školi rečeno da se U-235, kada ga neutron udari, dijeli i oslobađa energiju, a oslobađaju se još 2-3 neutrona. U stvarnosti je, naravno, sve nešto složenije, a ovaj proces uvelike zavisi od energije ovog početnog neutrona. Pogledajmo grafikone presjeka (=vjerovatnosti) reakcije hvatanja neutrona (U-238 + n -> U-239 i U-235 + n -> U-236), i reakcije fisije za U-235 i U-238 ovisno o energiji (=brzini) neutrona:

Kao što vidimo, vjerovatnoća hvatanja neutrona fisijom za U-235 raste sa smanjenjem energije neutrona, jer se u konvencionalnim nuklearnim reaktorima neutroni „usporavaju“ u grafitu/vodi do te mjere da njihova brzina postaje istog reda kao brzina termičke vibracije atoma V kristalna rešetka(otuda naziv - termalni neutroni). A vjerovatnoća fisije U-238 termalnim neutronima je 10 miliona puta manja od U-235, zbog čega je potrebno preraditi tone prirodnog uranijuma da bi se izdvojio U-235.

Neko gledajući donji grafikon mogao bi reći: Oh, odlična ideja! I spržimo jeftini U-238 sa 10 MeV neutronima - trebalo bi da rezultira lančanom reakcijom, jer tamo grafik poprečnog presjeka za fisiju ide gore! Ali postoji problem - neutroni oslobođeni kao rezultat reakcije imaju energiju od samo 2 MeV ili manje (u prosjeku ~1,25), a to nije dovoljno za pokretanje samoodržive reakcije na brzim neutronima u U-238 (ili je potrebno više energije, ili je više neutrona izletjelo iz svake podjele). Eh, covjecanstvo nema srece u ovom univerzumu...

Međutim, da je samoodrživa reakcija na brze neutrone u U-238 tako jednostavna, postojali bi prirodni nuklearni reaktori, kao što je bio slučaj s U-235 u Oklu, pa se prema tome U-238 ne bi nalazio u prirodi u obliku velikih depozita.

Konačno, ako napustimo "samoodrživu" prirodu reakcije, još uvijek je moguće podijeliti U-238 direktno za proizvodnju energije. Ovo se koristi na primjer u termonuklearne bombe- neutroni sa energijom od 14,1 MeV iz D+T reakcije dijele U-238 u ljusci bombe - i tako je moguće povećati snagu eksplozije gotovo besplatno. U kontrolisanim uslovima ostaje teoretski moguće kombinovati termonuklearni reaktor i omotač (ljusku) od U-238 tako da energija termonuklearna fuzija povećati ~10-50 puta zbog reakcije fisije.

Ali kako razdvojiti U-238 i torij u samoodrživoj reakciji?

Zatvoreni ciklus goriva

Ideja je sljedeća: pogledajmo ne presjek fisije, već presjek hvatanja: Uz odgovarajuću energiju neutrona (ne prenisku, niti previsoku), U-238 može uhvatiti neutron i nakon 2 raspada može postati plutonijum-239:

Od istrošenog goriva, plutonijum se može hemijski izolovati kako bi se dobilo MOX gorivo (mešavina plutonijuma i uranijum oksida) koje se može spaljivati ​​i u brzim reaktorima i u konvencionalnim termalnim. Proces hemijske prerade istrošenog goriva može biti veoma težak zbog njegove visoke radioaktivnosti, i još nije u potpunosti riješen i praktično nije razrađen (ali je rad u toku).

Za prirodni torij - sličan proces, torij hvata neutron, a nakon spontane fisije, postaje uranijum-233, koji se dijeli na približno isti način kao uranijum-235 i oslobađa se iz istrošenog goriva hemijski:

Ove reakcije se, naravno, dešavaju i u konvencionalnim termičkim reaktorima - ali zbog moderatora (koji uvelike smanjuje mogućnost hvatanja neutrona) i kontrolnih šipki (koje apsorbuju neke od neutrona), količina proizvedenog plutonija je manja od one u spaljen uranijum-235. Da biste generirali više fisionih tvari nego što se sagorijeva, morate izgubiti što manje neutrona na upravljačkim šipkama (na primjer, korištenjem kontrolnih šipki od običnog uranijuma), strukturi, rashladnoj tekućini (više o tome u nastavku) i potpuno oslobodite se moderatora neutrona (grafita ili vode).

Zbog činjenice da je presjek fisije za brze neutrone manji nego za termičke, potrebno je povećati koncentraciju fisionog materijala (U-235, U-233, Pu-239) u jezgri reaktora sa 2-4 do 20% i više. A proizvodnja novog goriva se odvija u kasetama sa torijom/prirodnim uranijumom koji se nalaze oko ovog jezgra.

Srećom, ako je fisija uzrokovana brzim neutronom, a ne toplinskim, reakcija proizvodi ~1,5 puta više neutrona nego u slučaju fisije toplinskim neutronima - što reakciju čini realnijom:

Upravo ovo povećanje broja generiranih neutrona omogućava proizvodnju veće količine goriva nego što je prvobitno bila dostupna. Naravno, novo gorivo se ne uzima iz ničega, već se proizvodi od „beskorisnog“ U-238 i torijuma.

O rashladnoj tečnosti

Kao što smo gore saznali, voda se ne može koristiti u brzom reaktoru - ona izuzetno efikasno usporava neutrone. Šta to može zamijeniti?

plinovi: Reaktor možete ohladiti helijumom. Ali zbog njihovog malog toplotnog kapaciteta, teško je na ovaj način rashladiti moćne reaktore.

Tečni metali: Natrijum, kalijum- široko se koristi u brzim reaktorima širom svijeta. Sa pozitivne strane - niske temperature tope se i rade na pritisku blizu atmosfere, ali ovi metali veoma dobro sagorevaju i reaguju sa vodom. Jedini operativni energetski reaktor na svijetu, BN-600, radi na natrijum rashladnoj tečnosti.

Olovo, bizmut- koristi se u reaktorima BREST i SVBR koji se trenutno razvijaju u Rusiji. Od očiglednih nedostataka - ako se reaktor ohladio ispod tačke smrzavanja olova/bizmuta - zagrevanje je veoma teško i dugo traje (o onima koji nisu očigledni možete pročitati na linku na wikiju). Općenito, mnoga tehnološka pitanja ostaju na putu implementacije.

Merkur- postojao je reaktor BR-2 sa živinom rashladnom tečnošću, ali kako se ispostavilo, živa relativno brzo rastvara strukturne materijale reaktora - tako da se više nisu gradili živini reaktori.

egzotično: Zasebna kategorija - reaktori rastopljene soli - LFTR - rade različite opcije fluoridi fisionih materijala (uranijum, torijum, plutonijum). 2 „laboratorijska“ reaktora izgrađena su u SAD-u u Nacionalnoj laboratoriji Oak Ridge 60-ih godina, i od tada nijedan drugi reaktor nije implementiran, iako ima mnogo projekata.

Radni reaktori i zanimljivi projekti

Ruski BOR-60- eksperimentalni reaktor na brzim neutronima, koji radi od 1969. godine. Konkretno, koristi se za ispitivanje strukturnih elemenata novih reaktora na brzim neutronima.

Ruski BN-600, BN-800: Kao što je već spomenuto, BN-600 je jedini energetski reaktor na brzim neutronima na svijetu. Radi od 1980. godine, i dalje koristi uranijum-235.

U 2014. planirano je lansiranje snažnijeg BN-800. Već se planira početak korištenja MOX goriva (sa plutonijumom), te početak razvoja zatvorenog gorivnog ciklusa (sa preradom i sagorijevanjem proizvedenog plutonijuma). Tada može postojati serijski BN-1200, ali odluka o njegovoj izgradnji još nije donesena. Što se tiče iskustva u izgradnji i industrijskom radu reaktora na brzim neutronima, Rusija je napredovala mnogo dalje od bilo koga drugog i nastavlja se aktivno razvijati.

Postoje i mali istraživački brzi reaktori u Japanu (Jōyō), Indiji (FBTR) i Kini (Kina eksperimentalni brzi reaktor).

Japanski reaktor Monju- najnesrećniji reaktor na svetu. Izgrađen je 1995. godine, a iste godine je došlo do curenja nekoliko stotina kilograma natrijuma, kompanija je pokušala da sakrije razmjere incidenta (zdravo Fukushima), reaktor je bio zatvoren 15 godina. U maju 2010. godine reaktor je konačno pušten u rad na smanjenoj snazi, ali je u avgustu, prilikom transporta goriva, u reaktor bačena dizalica od 3,3 tone, koja je odmah potonula u tečni natrijum. Dizalicu je bilo moguće nabaviti tek u junu 2011. 29. maja 2013. bit će donesena odluka da se reaktor zauvijek zatvori.

Reaktor na putujućim talasima: Među poznatim nerealizovanim projektima je i “reaktor putujućih talasa” - reaktor na putujućim talasima, kompanije TerraPower. Ovaj projekat je promovirao Bill Gates - pa su o njemu pisali dva puta na Habréu: , . Ideja je bila da se „jezgro“ reaktora sastoji od obogaćenog uranijuma, a oko njega su U-238/torijumske kasete u kojima bi se proizvodilo buduće gorivo. Zatim bi robot pomerio ove kasete bliže centru - i reakcija bi se nastavila. Ali u stvarnosti, veoma je teško izvesti sve ovo bez hemijske obrade, a projekat nikada nije krenuo.

O sigurnosti nuklearne energije

Kako mogu reći da se čovječanstvo može osloniti na nuklearnu energiju - i to nakon Fukušime?

Činjenica je da je svaka energija opasna. Prisjetimo se nesreće na brani Banqiao u Kini, koja je izgrađena, između ostalog, za potrebe proizvodnje struje - tada je poginulo 26 hiljada ljudi. do 171 hiljada Čovjek. U nesreći u hidroelektrani Sayano-Shushenskaya poginulo je 75 ljudi. Samo u Kini 6.000 rudara pogine svake godine tokom vađenja uglja, a to ne uključuje zdravstvene posljedice udisanja izduvnih gasova iz termoelektrana.

Broj nesreća u nuklearnim elektranama ne zavisi od broja elektrana, jer Svaka nesreća se može dogoditi samo jednom u nizu. Nakon svakog incidenta u svim jedinicama se analiziraju i otklanjaju uzroci. Dakle, nakon nesreće u Černobilu, sve jedinice su modificirane, a nakon Fukušime nuklearna energija je u potpunosti oduzeta Japancima (međutim, postoje i teorije zavjere - očekuje se da će SAD i njihovi saveznici imati manjak uranijuma- 235 u narednih 5-10 godina).

Problem sa istrošenim gorivom direktno rešavaju reaktori na brzim neutronima, jer Osim poboljšanja tehnologije prerade otpada, stvara se manje otpada: teški (aktinidi), dugovječni produkti reakcije također se „sagorevaju“ brzim neutronima.

Zaključak

Brzi reaktori imaju glavnu prednost koju svi očekuju od termonuklearnih reaktora - gorivo za njih će trajati čovječanstvu hiljadama i desetinama hiljada godina. Ne morate ga čak ni minirati - već je miniran i leži

U pratnji oslobađanja temperature, ovisno o karakteristike dizajna Postoje dvije vrste njih - reaktor sa brzim neutronima i spori, koji se ponekad naziva i termalni.

Neutroni koji se oslobađaju tokom reakcije imaju vrlo veliku početnu brzinu, teoretski pokrivajući hiljade kilometara u sekundi. Ovo su brzi neutroni. U procesu kretanja, zbog sudara s atomima okolne materije, njihova brzina se usporava. Jedan jednostavan i pristupačan način za umjetno smanjenje brzine je da im se na putu stavi voda ili grafit. Tako je, naučivši da reguliše nivo ovih čestica, čovek mogao da stvori dve vrste reaktora. "Termalni" neutroni su dobili ime zbog činjenice da brzina njihovog kretanja nakon usporavanja praktički odgovara prirodnoj brzini unutaratomskog termičko kretanje. U numeričkom ekvivalentu, to je do 10 km u sekundi. Za mikrokosmos je ova vrijednost relativno niska, pa se hvatanje čestica jezgrima događa vrlo često, što uzrokuje nove krugove fisije (lančana reakcija). Posljedica toga je potreba za mnogo manje fisionog materijala, čime se reaktori na brzim neutronima ne mogu pohvaliti. Osim toga, neke druge Ovaj trenutak Ovo objašnjava zašto većina operativnih nuklearnih elektrana koristi spore neutrone.

Čini se da ako se sve izračuna, zašto nam je onda potreban reaktor na brzim neutronima? Ispostavilo se da nije sve tako jednostavno. Najvažnija prednost ovakvih instalacija je mogućnost napajanja drugih reaktora, kao i stvaranje povećanog ciklusa fisije. Pogledajmo ovo detaljnije.

Reaktor na brzim neutronima potpunije koristi gorivo ubačeno u jezgro. Počnimo redom. Teoretski, samo dva elementa se mogu koristiti kao gorivo: plutonijum-239 i uranijum (izotopi 233 i 235). U prirodi se nalazi samo izotop U-235, ali o izgledima takvog izbora ima vrlo malo toga. Navedeni uranijum i plutonijum su derivati ​​torija-232 i uranijuma-238, koji nastaju kao rezultat izlaganja neutronskom fluksu. Ali ova dva su mnogo češća u svom prirodnom obliku. Dakle, kada bi bilo moguće pokrenuti samoodrživu lančanu reakciju fisije U-238 (ili plutonijum-232), onda bi njen rezultat bio pojava novih delova fisionog materijala - uranijuma-233 ili plutonijuma-239. Kada se neutroni uspore do termalne brzine (klasični reaktori), takav proces je nemoguć: gorivo u njima je U-233 i Pu-239, ali reaktor na brzim neutronima omogućava takvu dodatnu transformaciju.

Proces je sledeći: utovarujemo uranijum-235 ili torijum-232 (sirovine), kao i deo uranijuma-233 ili plutonijum-239 (gorivo). Potonji (bilo koji od njih) osiguravaju neutronski tok neophodan za "zapaljenje" reakcije u prvim elementima. Tokom procesa raspadanja, generatori stanice ga pretvaraju u električnu energiju. Brzi neutroni utiču na sirovine, pretvarajući ove elemente u... nove porcije goriva. Obično su količine spaljenog i proizvedenog goriva jednake, ali ako se unese više sirovina, tada se stvaranje novih dijelova fisijskog materijala događa čak i brže od potrošnje. Otuda i drugi naziv za takve reaktore - uzgajivači. Višak goriva može se koristiti u klasičnim sporim tipovima reaktora.

Nedostatak modela brzih neutrona je što se uran-235 mora obogatiti prije punjenja, što zahtijeva dodatna finansijska ulaganja. Osim toga, dizajn samog jezgra je složeniji.

25. decembra 2013

Fizička faza pokretanja reaktora na brzim neutronima BN-800 počela je danas u elektrani Belojarsk, rekao je za RIA Novosti predstavnik Rosenergoatoma.

Tokom ove faze, koja može trajati nekoliko sedmica, reaktor će biti napunjen tečnim natrijumom, a zatim napunjen sa nuklearno gorivo. Predstavnik Rosenergoatoma objasnio je da će po završetku fizičkog puštanja u rad blok biti priznat kao nuklearno postrojenje.

Energetski blok broj 4 sa reaktorom BN-800 Belojarske nuklearne elektrane (BNPP) dostići će puni kapacitet do kraja 2014. godine, rekao je novinarima u srijedu prvi zamjenik generalnog direktora državne korporacije Rosatom Aleksandar Lokšin.

“Postrojba bi do kraja godine trebala dostići puni kapacitet”, rekao je on i dodao da mi pričamo o tome otprilike krajem 2014.

Prema njegovim riječima, trenutno vrijeme teče punjenje kruga natrijumom, završetak fizičkog lansiranja planiran je za sredinu aprila. Prema njegovim riječima, agregat je 99,8% spreman za fizičko puštanje u rad. Kako je rekao generalni direktor Koncerna Rosenergoatom OJSC Evgenij Romanov, planirano je da postrojenje bude pušteno u pogon krajem leta.

Energetski blok sa reaktorom BN-800 je razvoj jedinstvenog reaktora BN-600 u elektrani Belojarsk, koji je u pilot-eksploataciji oko 30 godina. Vrlo malo zemalja u svijetu ima tehnologiju reaktora na brzim neutronima, a Rusija je svjetski lider u ovoj oblasti.

Hajde da saznamo više o tome...

Reaktorska (centralna) hala BN-600

40 km od Jekaterinburga, usred najlepših uralskih šuma, nalazi se grad Zarečni. 1964. ovdje je puštena u pogon prva sovjetska industrijska nuklearna elektrana Belojarska (sa reaktorom AMB-100 kapaciteta 100 MW). Sada je elektrana Beloyarsk jedina u svijetu u kojoj radi industrijski reaktor brzih neutrona - BN-600

Zamislite kotao koji isparava vodu, a nastala para vrti turbogenerator koji proizvodi električnu energiju. Ovako nešto unutra generalni nacrt i izgrađena je nuklearna elektrana. Samo "kotao" je energija atomskog raspada. Izvedbe energetskih reaktora mogu biti različite, ali se prema principu rada mogu podijeliti u dvije grupe - reaktori s termalnim neutronima i reaktori na brzim neutronima.

Osnova svakog reaktora je fisija teških jezgara pod utjecajem neutrona. Istina, postoje značajne razlike. U termičkim reaktorima, uran-235 se cijepa niskoenergetskim termalnim neutronima, stvarajući fisione fragmente i nove neutrone visoke energije (zvane brzi neutroni). Vjerojatnost da termički neutron bude apsorbiran od strane jezgra uranijuma-235 (sa naknadnom fisijom) je mnogo veća od brzog, tako da neutrone treba usporiti. To se radi uz pomoć moderatora - tvari koje, sudarajući se s jezgrima, neutroni gube energiju.

Gorivo za termalne reaktore je obično nisko obogaćeni uranijum, grafit, laka ili teška voda se koristi kao moderator, a obična voda se koristi kao rashladno sredstvo. Većina operativnih nuklearnih elektrana izgrađena je prema jednoj od ovih shema.

Brzi neutroni nastali kao rezultat prisilne nuklearne fisije mogu se koristiti bez ikakvih moderacija. Shema je sljedeća: brzi neutroni nastali tokom fisije jezgara uranijuma-235 ili plutonijum-239 apsorbuju se uranijum-238 da bi formirali (nakon dva beta raspada) plutonijum-239. Štaviše, na svakih 100 fisioniranih jezgara uranijuma-235 ili plutonijum-239 formira se 120-140 jezgara plutonijum-239. Istina, budući da je vjerovatnoća nuklearne fisije brzim neutronima manja nego termičkim, gorivo mora biti obogaćeno u većoj mjeri nego kod termičkih reaktora. Osim toga, ovdje je nemoguće ukloniti toplinu pomoću vode (voda je moderator), tako da morate koristiti druge rashladne tekućine: obično su to tekući metali i legure, od vrlo egzotičnih opcija kao što je živa (takva rashladna tekućina je korištena u prvi američki eksperimentalni reaktor Clementine) ili legure olova i bizmuta (koje se koriste u nekim reaktorima podmornica - posebno u sovjetskim podmornicama projekta 705) do tekućeg natrija (najčešća opcija u industrijskim energetskim reaktorima). Reaktori koji rade prema ovoj shemi nazivaju se reaktori na brzim neutronima. Ideju o takvom reaktoru predložio je 1942. Enrico Fermi. Naravno, vojska je pokazala najvatreniji interes za ovu šemu: brzi reaktori tokom rada ne proizvode samo energiju, već i plutonijum za nuklearno oružje. Zbog toga se reaktori na brzim neutronima nazivaju i breederi (od engleskog breeder - proizvođač).

Cik-cak istorije

Zanimljivo je da je istorija svjetske nuklearne energije započela upravo reaktorom na brzim neutronima. 20. decembra 1951. godine u Idahu je pušten u rad prvi energetski reaktor na brzim neutronima, EBR-I (Experimental Breeder Reactor), sa električnom snagom od samo 0,2 MW. Kasnije, 1963. godine, u blizini Detroita je puštena nuklearna elektrana sa Fermi reaktorom na brze neutrone - već kapaciteta oko 100 MW (1966. došlo je do ozbiljne nesreće sa topljenjem dijela jezgre, ali bez ikakvih posljedica po okruženje ili ljudi).

U SSSR-u, od kasnih 1940-ih, na ovoj temi radi Aleksandar Lejpunski, pod čijim rukovodstvom su razvijeni temelji teorije brzih reaktora na Institutu za fiziku i energiju u Obninsku (FEI) i izgrađeno nekoliko eksperimentalnih štandova, koji omogućilo je proučavanje fizike procesa. Kao rezultat istraživanja, 1972. godine u gradu Ševčenku (danas Aktau, Kazahstan) puštena je u rad prva sovjetska nuklearna elektrana na brze neutrone sa reaktorom BN-350 (prvobitno označen kao BN-250). Ne samo da je proizvodio električnu energiju, već je koristio i toplinu za desalinizaciju vode. Ubrzo su puštene u rad francuska nuklearna elektrana s brzim reaktorom Phenix (1973) i britanska sa PFR (1974), obje snage 250 MW.

Međutim, 1970-ih, reaktori na termalnim neutronima počeli su dominirati nuklearnom industrijom. Ovo je bilo zbog iz raznih razloga. Na primjer, činjenica da brzi reaktori mogu proizvesti plutonij, što znači da to može dovesti do kršenja zakona o neširenju nuklearnog oružja. Međutim, najvjerovatnije je glavni faktor bio to što su termalni reaktori bili jednostavniji i jeftiniji, njihov dizajn je razvijen na vojnim reaktorima za podmornice, a sam uranij je bio vrlo jeftin. Industrijski energetski reaktori na brzim neutronima koji su pušteni u rad širom svijeta nakon 1980. mogu se nabrojati na prste jedne ruke: to su Superphenix (Francuska, 1985–1997), Monju (Japan, 1994–1995) i BN-600 (Belojarsk). NPP, 1980), koji u trenutno je jedini aktivni industrijski energetski reaktor na svijetu.

Konstrukcija BN-800

Vraćaju se

Međutim, trenutno je pažnja stručnjaka i javnosti ponovo usmjerena na nuklearne elektrane s reaktorima na brzim neutronima. Prema procjenama Međunarodne agencije za atomska energija(IAEA) u 2005. godini, ukupna količina dokazanih rezervi uranijuma, čiji troškovi vađenja ne prelaze 130 dolara po kilogramu, iznosi približno 4,7 miliona tona. Prema procjenama IAEA, ove rezerve će trajati 85 godina (na osnovu potražnje za uranijumom za proizvodnju električne energije na nivou iz 2004. godine). Sadržaj izotopa 235, koji se „spaljuje“ u termalnim reaktorima, u prirodnom uranijumu je samo 0,72%, ostalo je uranijum-238, „beskoristan“ za termalne reaktore. Međutim, ako pređemo na upotrebu reaktora na brzim neutronima koji mogu „spaliti“ uranijum-238, te iste rezerve će trajati više od 2500 godina!

Štaviše, reaktori na brzim neutronima omogućavaju implementaciju zatvorenog gorivnog ciklusa (trenutno nije implementiran u BN-600). S obzirom da se samo uranijum-238 „spaljuje“, nakon obrade (uklanjanja produkata fisije i dodavanja novih porcija uranijuma-238), gorivo se može ponovo utovariti u reaktor. A budući da ciklus uranijum-plutonijum proizvodi više plutonijuma nego što se raspada, višak goriva se može koristiti za nove reaktore.

Štaviše, ova metoda se može koristiti za preradu viška plutonija za oružje, kao i plutonijuma i minornih aktinida (neptunijum, americij, kurijum) ekstrahiranih iz istrošenog goriva iz konvencionalnih termičkih reaktora (mali aktinidi trenutno predstavljaju vrlo opasan dio radioaktivnog otpada) . Istovremeno, količina radioaktivnog otpada u odnosu na termalne reaktore smanjena je za više od dvadeset puta.

Zagladiti samo na papiru

Zašto, uprkos svim svojim prednostima, reaktori na brzim neutronima nisu postali široko rasprostranjeni? To je prvenstveno zbog posebnosti njihovog dizajna. Kao što je gore spomenuto, voda se ne može koristiti kao rashladno sredstvo, jer je moderator neutrona. Stoga brzi reaktori uglavnom koriste metale tečno stanje– od egzotičnih legura olova i bizmuta do tekućeg natrijuma (najčešća opcija za nuklearne elektrane).

„U reaktorima na brzim neutronima, toplotna i radijaciona opterećenja su mnogo veća nego u termičkim reaktorima“, objašnjava premijeru Mihail Bakanov, glavni inženjer Belojarske NEK. “To dovodi do potrebe za korištenjem posebnih konstrukcijskih materijala za reaktorsku posudu i sisteme unutar reaktora. Kućišta gorivih šipki i gorivnih sklopova nisu napravljena od legura cirkonija, kao u termičkim reaktorima, već od specijalnih legiranih krom čelika, koji su manje podložni radijacijskom „bubrenju“. S druge strane, na primjer, posuda reaktora nije podložna opterećenjima povezanim s unutarnjim tlakom – on je samo nešto viši od atmosferskog tlaka.”

Prema rečima Mihaila Bakanova, u prvim godinama rada glavne poteškoće bile su povezane sa radijacionim bubrenjem i pucanjem goriva. Ovi problemi su, međutim, ubrzo riješeni, razvijeni su novi materijali - kako za gorivo tako i za kućišta gorivih šipki. Ali čak i sada, kampanje su ograničene ne toliko izgaranjem goriva (koje na BN-600 dostiže 11%), već vijekom trajanja materijala od kojih su gorivo, gorivi šipki i gorivi sklopovi napravljeni. Dalji operativni problemi bili su povezani uglavnom sa curenjem natrijuma u sekundarnom krugu, hemijski aktivnog i požarno opasnog metala koji burno reaguje na kontakt sa vazduhom i vodom: „Samo Rusija i Francuska imaju dugogodišnje iskustvo u radu industrijskih reaktora na brze neutrone . I mi i francuski stručnjaci smo se od samog početka suočili sa istim problemima. Uspješno smo ih riješili, predviđajući od samog početka specijalnim sredstvima praćenje nepropusnosti strujnih krugova, lokaliziranje i suzbijanje curenja natrijuma. Ali pokazalo se da je francuski projekat bio manje spreman za takve probleme; kao rezultat toga, reaktor Phenix je konačno zatvoren 2009.

„Problemi su zaista bili isti“, dodaje Nikolaj Oškanov, direktor Belojarske NEK, „ali su rešeni ovde i u Francuskoj Različiti putevi. Na primjer, kada je Feniks bio savijen dio glave Jedan od sklopova, kako bi ga uhvatili i istovarili, francuski stručnjaci razvili su složen i prilično skup sistem 'vizije' kroz sloj natrijuma. A kada se kod nas pojavio isti problem, jedan od naših inženjera je predložio korištenje video kamere postavljene u jednostavnu strukturu poput ronilačkog zvona - cijev koja je otvorena na dnu sa argonom koji je upuhan odozgo. Nakon što je talina natrijuma izbačena, operateri su mogli uključiti mehanizam putem video veze i savijeni sklop je uspješno uklonjen.”

Brza budućnost

„U svijetu ne bi bilo tolikog interesa za tehnologiju brzih reaktora da nije bilo uspješnog dugotrajnog rada našeg BN-600“, kaže Nikolaj Oškanov. „Razvoj nuklearne energije, po mom mišljenju, prvenstveno je povezan sa serijskom proizvodnjom i radom brzih reaktora. Samo oni omogućavaju da se sav prirodni uranijum uključi u gorivni ciklus i time poveća efikasnost, kao i smanji količinu radioaktivnog otpada za desetine puta. U ovom slučaju, budućnost nuklearne energije će biti zaista svijetla.”

Reaktor na brzim neutronima BN-800 (vertikalni presjek)
Šta je u njemu

Aktivna zona reaktora na brzim neutronima raspoređena je kao luk, u slojevima

370 gorivnih sklopova formiraju tri zone sa različitim obogaćenjem uranijuma-235 - 17, 21 i 26% (u početku su postojale samo dvije zone, ali da bi se ujednačilo oslobađanje energije, napravljene su tri). Okruženi su bočnim ekranima (ćebadima), odnosno zonama razmnožavanja, gde se nalaze sklopovi koji sadrže osiromašeni ili prirodni uranijum, koji se sastoji uglavnom od izotopa 238. Na krajevima gorivnih šipki iznad i ispod jezgra nalaze se i tablete osiromašenog uranijuma. uranijum, koji formiraju krajnja sita (reprodukcija zona).

Gorivi sklopovi (FA) su skup gorivnih elemenata sklopljenih u jedno kućište - specijalne čelične cijevi punjene peletima uran oksida s različitim obogaćenjima. Kako bi se osiguralo da gorivni elementi ne dolaze u kontakt jedan s drugim, a rashladna tekućina može cirkulirati između njih, tanka žica je namotana na cijevi. Natrijum ulazi u sklop goriva kroz donje rupe za prigušivanje i izlazi kroz prozore u gornjem delu.

Na dnu sklopa goriva nalazi se drška koja je umetnuta u utičnicu komutatora, na vrhu je dio glave, kojim se sklop hvata pri preopterećenju. Gorivni sklopovi različitih obogaćenja imaju različite sjedišta, pa instalirajte sklop na pogrešno mjesto To je jednostavno nemoguće.

Za upravljanje reaktorom koristi se 19 kompenzacijskih šipki koje sadrže bor (apsorber neutrona) za kompenzaciju izgaranja goriva, 2 automatske kontrolne šipke (za održavanje zadate snage) i 6 aktivnih zaštitnih šipki. Budući da je vlastita neutronska pozadina uranijuma niska, za kontrolirano pokretanje reaktora (i kontrolu na niskim razinama snage) koristi se "osvjetljenje" - izvor fotoneutrona (gama emiter plus berilij).

Kako radi reaktor BN-600

Reaktor je integralnog rasporeda, odnosno reaktorska posuda sadrži aktivnu zonu (1), kao i tri petlje (2) prvog rashladnog kruga, od kojih svaka ima svoju glavnu cirkulacijsku pumpu (3) i dva srednja. izmjenjivači topline (4). Rashladna tečnost je tečni natrijum, koji se pumpa kroz jezgro odozdo prema gore i zagreva od 370 do 550°C

Prolazeći kroz međuizmjenjivače topline, prenosi toplinu na natrijum u drugom krugu (5), koji već ulazi u generatore pare (6), gdje isparava vodu i pregrijava paru do temperature od 520°C (pri pritisku od 130°C). atm). Para se dovodi do turbina naizmenično u cilindre visokog (7), srednjeg (8) i niskog (9) pritiska. Izduvna para se kondenzuje hlađenjem vodom (10) iz rashladnog bazena i ponovo ulazi u generatore pare. Tri turbogeneratora (11) elektrane Belojarsk proizvode 600 MW električne energije. Gasna šupljina reaktora ispunjena je argonom pod vrlo niskim viškom pritiska (oko 0,3 atm).

Preopteretiti na slepo

Za razliku od termičkih reaktora, u reaktoru BN-600 sklopovi su smješteni ispod sloja tekućeg natrijuma, pa se uklanjanje istrošenih sklopova i postavljanje svježih na njihovo mjesto (ovaj proces se zove ponovno punjenje) odvija u potpuno zatvorenom načinu rada. U gornjem dijelu reaktora nalaze se veliki i mali rotirajući čepovi (ekscentrični jedan u odnosu na drugi, odnosno njihove ose rotacije se ne poklapaju). Stub sa kontrolnim i zaštitnim sistemima, kao i mehanizam za preopterećenje sa hvataljkom tipa čahure, postavljen je na mali okretni čep. Rotacioni mehanizam je opremljen "hidrauličkom brtvom" od posebne legure niskog taljenja. U svom normalnom stanju je čvrst, ali se za ponovno pokretanje zagrijava do tačke topljenja, dok reaktor ostaje potpuno zatvoren, tako da su ispuštanja radioaktivnih plinova praktično eliminirana.

Proces ponovnog punjenja jednog sklopa traje do sat vremena, dopuna trećine jezgra (oko 120 gorivih sklopova) traje oko nedelju dana (u tri smene), ovaj postupak se izvodi u svakoj mikro kampanji (160 efektivnih dana, računato na puno snaga). Istina, sada se izgaranje goriva povećalo, a samo četvrtina jezgre je preopterećena (otprilike 90 gorivnih sklopova). U ovom slučaju, operater nema direktnu vizualnu povratnu informaciju i vođen je samo indikatorima senzora ugla rotacije stuba i hvataljki (preciznost pozicioniranja je manja od 0,01 stepen), sila izvlačenja i instalacije. Iz sigurnosnih razloga nameću se određena ograničenja na rad mehanizma: na primjer, dvije susjedne ćelije ne mogu se istovremeno otpustiti; osim toga, kada su preopterećene, sve upravljačke i zaštitne šipke moraju biti u aktivnoj zoni.

1983. godine, na bazi BN-600, preduzeće je izradilo projekat poboljšanog reaktora BN-800 za energetski blok snage 880 MW(e). Godine 1984. započeli su radovi na izgradnji dva reaktora BN-800 u Belojarskoj i novoj nuklearnoj elektrani Južnog Urala. Naknadno kašnjenje u izgradnji ovih reaktora iskorišteno je za doradu projekta kako bi se dodatno poboljšala njegova sigurnost i poboljšali tehnički i ekonomski pokazatelji. Radovi na izgradnji BN-800 nastavljeni su 2006. godine u elektrani Belojarsk (4. blok) i trebalo bi da budu završeni 2014. godine.

Reaktor BN-800 u izgradnji ima sljedeće važne zadatke:

• Osiguravanje rada na MOX gorivu.
• Eksperimentalna demonstracija ključnih komponenti zatvorenog ciklusa goriva.
• Vježbanje u realnim uslovima rad novih vrsta opreme i uvedena poboljšana tehnička rješenja za poboljšanje efikasnosti, pouzdanosti i sigurnosti.
• Razvoj inovativne tehnologije za buduće reaktore na brzim neutronima sa tečnim metalnim rashladnim sredstvom:
  • ispitivanje i certificiranje naprednih goriva i konstrukcijskih materijala;
  • demonstracija tehnologije spaljivanja minornih aktinida i transmutiranja dugovječnih fisionih produkata, koji čine najopasniji dio radioaktivnog otpada iz nuklearne energije.

U toku je izrada projekta unapređenog komercijalnog reaktora BN-1200 snage 1220 MW.

Reaktor BN-1200 (vertikalni presjek)

Planiran je sljedeći program za realizaciju ovog projekta:

• 2010...2016 – izrada tehničkog projekta reaktorskog postrojenja i implementacija R&D programa.
• 2020 – puštanje u rad glavnog bloka na MOX gorivo i organizacija njegove centralizovane proizvodnje.
• 2023…2030 – puštanje u rad serije blokova ukupne snage oko 11 GW.

Nuklearna energija je oduvijek dobijala sve veću pažnju zbog svog obećanja. U svijetu se oko dvadeset posto električne energije dobiva pomoću nuklearnih reaktora, a u razvijenim zemljama taj broj za proizvod nuklearne energije je još veći - više od trećine ukupne električne energije. Međutim, glavni tip reaktora ostaju termički, kao što su LWR i VVER. Naučnici smatraju da će jedan od glavnih problema ovih reaktora u bliskoj budućnosti biti nedostatak prirodnog goriva, uranijuma i njegovog izotopa 238, neophodnog za izvođenje lančana reakcija divizije. Na osnovu mogućeg iscrpljivanja resursa ovog prirodnog gorivnog materijala za termalne reaktore, postavljaju se ograničenja u razvoju nuklearne energije. Više obećavajućom se smatra upotreba nuklearnih reaktora koji koriste brze neutrone, u kojima je moguća reprodukcija goriva.

Istorija razvoja

Na osnovu programa Ministarstva atomske industrije Ruske Federacije s početka stoljeća postavljeni su zadaci stvaranja i osiguranja sigurnog rada nuklearnih energetskih kompleksa, moderniziranih nuklearnih elektrana novog tipa. Jedan od tih objekata bila je i nuklearna elektrana Belojarska, koja se nalazi 50 kilometara u blizini Sverdlovska (Jekaterinburg), odluka o njenom stvaranju doneta je 1957. godine, a 1964. godine puštena je u rad prva jedinica.

Dva njegova bloka radila su sa termalnim nuklearnim reaktorima, koji su do 80-90-ih godina prošlog stoljeća iscrpili svoje resurse. U trećem bloku je prvi put u svijetu testiran reaktor na brzim neutronima BN-600. Tokom njegovog rada dobijeni su rezultati koje su programeri planirali. Sigurnost procesa je također bila odlična. Tokom projektnog perioda, koji je završen 2010. godine, br ozbiljnih kršenja i odstupanja. Njegov konačni mandat ističe do 2025. godine. Već sada se može reći da nuklearni reaktori na brzim neutronima, među kojima je i BN-600 i njegov nasljednik, BN-800, imaju veliku budućnost.

Lansiranje novog BN-800

Naučnici OKBM-a Afrikantov iz Gorkog (trenutno Nižnji Novgorod) pripremio projekat četvrti agregat Belojarsk NEK davne 1983. Zbog nesreće koja se dogodila u Černobilju 1987. godine i uvođenja novih sigurnosnih standarda 1993. godine, radovi su obustavljeni, a lansiranje je odloženo na neodređeno vrijeme. Tek 1997. godine, nakon dobijanja dozvole za izgradnju bloka br. 4 sa reaktorom BN-800 snage 880 MW od Gosatomnadzora, proces je nastavljen.

Dana 25. decembra 2013. godine počelo je zagrijavanje reaktora za daljnji ulazak rashladne tekućine. U junu četrnaestog, prema planu, došlo je do mase dovoljne da izvede minimalnu lančanu reakciju. Onda su stvari zastale. MOX gorivo, sastavljeno od fisionih oksida uranijuma i plutonijuma, slično onom korištenom u bloku 3, nije bilo spremno. To je ono što su programeri htjeli koristiti u novom reaktoru. Morao sam kombinovati i tražiti nove opcije. Kao rezultat toga, kako ne bi odgodili pokretanje pogonskog agregata, odlučili su koristiti uranijsko gorivo u dijelu sklopa. Lansiranje nuklearnog reaktora BN-800 i bloka broj 4 obavljeno je 10. decembra 2015. godine.

Opis procesa

Prilikom rada u reaktoru s brzim neutronima, kao rezultat reakcije fisije nastaju sekundarni elementi koji, kada ih apsorbira masa urana, formiraju novonastali nuklearni materijal plutonij-239, sposoban da nastavi proces dalje fisije. Glavna prednost ove reakcije je proizvodnja neutrona iz plutonija, koji se koristi kao gorivo za nuklearne reaktore u nuklearnim elektranama. Njegovo prisustvo omogućava smanjenje proizvodnje uranijuma, čije su rezerve ograničene. Od kilograma uranijuma-235 možete dobiti nešto više od kilograma plutonijuma-239, čime se osigurava reprodukcija goriva.

Kao rezultat toga, proizvodnja energije u nuklearnim elektranama uz minimalnu potrošnju oskudnog uranijuma i bez ograničenja proizvodnje će se povećati stotinama puta. Procjenjuje se da će u ovom slučaju rezerve uranijuma potrajati čovječanstvu nekoliko desetina vijekova. Najbolja opcija u nuklearnoj energiji, da bi se održala ravnoteža na minimalnoj potrošnji uranijuma, postojat će omjer 4 prema 1, pri čemu će se na svaka četiri termalna reaktora koristiti jedan koji radi na brzim neutronima.

BN-800 mete

Tokom svog radnog veka u bloku br. 4 NE Belojarsk, nuklearnom reaktoru su dodeljeni određeni zadaci. BN-800 reaktor mora raditi na MOX gorivu. Mali zastoj koji se dogodio na početku rada nije promijenio planove kreatora. Prema rečima direktora NEB Belojarsk, gospodina Sidorova, potpuni prelazak na MOX gorivo biće izvršen 2019. godine. Ako se to ostvari, lokalni nuklearni reaktor na brzim neutronima postat će prvi u svijetu koji će u potpunosti raditi s takvim gorivom. Trebao bi postati prototip za buduće slične brze reaktore s tekućim metalnim rashladnim sredstvom, produktivnije i sigurnije. Na osnovu toga, BN-800 testira inovativnu opremu u radnim uslovima, provjerava ispravnu primjenu novih tehnologija koje utiču na pouzdanost i efikasnost pogonskog agregata.

class="eliadunit">

Provjera rada novi sistem ciklus goriva.

Testovi za sagorijevanje radioaktivnog otpada sa dugim vijekom trajanja.

Recikliranje akumulirano u velike količine, plutonijum za oružje.

BN-800, baš kao i njegov prethodnik, BN-600, trebao bi postati polazna tačka za akumulaciju neprocjenjivo iskustvo stvaranje i rad brzih reaktora ruskim developerima.

Prednosti reaktora na brzim neutronima

Upotreba BN-800 i sličnih nuklearnih reaktora u nuklearnoj energiji dozvoljava

Značajno produžava životni vijek rezervi uranijuma, što značajno povećava količinu primljene energije.

Sposobnost da se životni vijek radioaktivnih fisionih produkata smanji na minimum (od nekoliko hiljada godina do tri stotine).

Povećati sigurnost nuklearnih elektrana. Upotreba reaktora na brzim neutronima omogućava da se mogućnost topljenja jezgra izjednači na minimalni nivo, može značajno povećati nivo samozaštite objekta i eliminisati oslobađanje plutonijuma tokom obrade. Reaktori ovog tipa sa natrijumovim rashladnim sredstvom imaju povećan nivo sigurnost.

17. avgusta 2016. godine blok 4 NE Belojarsk je dostigao 100% pogon. Od decembra prošle godine integrisani sistem Ural dobija energiju proizvedenu u brzom reaktoru.

class="eliadunit">