Приемущества использования реакторов на быстрых нейтронах по отношению к окружающей среде

Использование ядерных реакторов в атомной промышленности позволяет генерировать большие объемы электроэнергии, не загрязняя окружающую среду выбросами углекислого газа. Однако крупномасштабная ядерная энергетика только тогда окажется приемлемой, когда она будет удовлетворять двум основным требованиям: высокой безопасности и экономической конкурентоспособности с другими источниками энергии. Зачастую два этих понятия лежат в обратной зависимости: вложения в безопасность составляют бóль-шую часть стоимости АЭС. Поиск компромисса между экономикой и безопасностью, разумная и обоснованная оптимизация проектов атомных станций были и остаются актуальной задачей. Поэтому, в настоящее время активно идет работа по разработке и внедрению новых технологий, среди которых особое место занимают реакторы на быстрых нейтронах (РБН).

Принцип действия реактора на быстрых нейтронах

В основе получения тепловой энергии в современных реакторах лежит цепная реакция деления ядер урана. На рисунке 1 представлен процесс деления ядра урана-235 [1].

Рис. 1. Деление ядра урана-235

Принцип цепной реакции состоит в следующем: под действием одного нейтрона происходит деление ядра урана-235 с испусканием 2-3 нейтронов, которые попадают в соседние ядра урана. Таким образом, реакция набирает ход.

Под действием нейтронов делятся только ядра урана-235. В природной смеси урана-235 содержится около 0,7%. Для более эффективного использования урана его обогащают до 4-5%. Оставшаяся часть в размере 99,7% урана-238 практически не учувствует в цепной реакции. Итого, в процессе использования такого топлива имеется открытый ядерный топливный цикл, так как в процессе получение энергии образуется большое количество радиоактивных отходов [2].

РБН позволяют решить эту проблему и замкнуть ядерный топливный цикл, путем использования урана-238 в цепной реакции. При реакции деления нейтроны имеют большую кинетическую энергию, поэтому называются быстрыми. Затем нейтроны проходят через воду, которая в некоторых реакторах является теплоносителем, и теряют свою энергию. Такие нейтроны называются медленными (теп- ловыми). С медленными нейтронами взаимодействуют только уран-235. В редких случаях уран-238, встречаясь с нейтроном, превращается в плутоний-239, который также можно использовать в качестве топлива.

Быстрые нейтроны, по сравнению с медленными, более эффективно взаимодействуют с ураном-238 , образуя плутоний-239, который также эффективно взаимодействует с быстрыми нейтронами. Этот факт позволяет использовать уран-238 и получать плутоний-239 в больших количествах. Однако, необходимо заменить воду, являющейся замедлителем, на другой теплоноситель, который бы не поглощал и не замедлял нейтроны.

Выбор теплоносителя

В качестве теплоносителя необходимо такое не замедляющее нейтроны вещество, которое оставалось бы жидким при температурах, возникающих в реакторе. Этим требованиям соответствуют следующие металлы:

• -    натрий, калий;

• -    свинец;

• -    свинец-висмут;

• -    ртуть.

Ртуть является тяжелым металлом, поэтому она плохо замедляет нейтроны. Однако, использование ртути в качестве теплоносителя нерационально, так как этот металл обладает высокой коррозионной активностью, поэтому относительно быстро растворяет конструкционные материалы реактора. Также, ртуть обладает высокой токсичностью.

Эвтектический сплав свинец-висмут химически инертен при контактах с водой и воздухом, обладает умеренной температурой плавления (125 С) и высокой температурой кипения (1638 С), но такой теплоноситель имеет высокую коррозионную активность к конструкционным материалам реактора [3]. Еще одним важнейшим недостатком является накопление α-активного полония-210, образующегося в результате взаимодействия висмута с нейтронами.

Натрий и калий широко используются в быстрых реакторах, потому что имеют низкую температуру плавления (температура плавления сплава натрий-калий эвтектического состава составляет -12,3 С). Также натрий практически не вызывает коррозию конструкционных материалов реактора, обладает высокой теплопроводностью, слабо поглощает и замедляет нейтроны. Однако, такой теплоноситель является пожаро- и взрывоопасным, что делает его сложным в использовании.

Альтернативой натрию с точки зрения безопасности – свинец. Он обладает малой замедляющей способностью, а также инертен при взаимодействии с воздухом и водой, что исключает пожары и взрывы. Свинец обладает высокой температурой кипения (1745 С), что исключает аварии с кризисом теплообмена и повреждением тепловыделяющих элементов. Температура плавления свинца довольно высокая (составляет 327 С), что ведет к долгому разогреву реактора, но зато при возможных авариях с разрушением корпуса, свинец застынет.

Таким образом, в быстрых реакторах в качестве теплоносителя наиболее эффективно применять натрий и свинец.

Примеры быстрых реакторов

Примеры РБН приведены в таблице 1.

Таблица 1. Примеры РБН

Реактор	Статус реактора, компоновка, теплоноситель	Страна	Годы эксплуатации
БОР-60	Исследовательский, петлевой, натрий	Россия	1969-2020
БН-800	Исследовательский, петлевой, натрий	Россия	2016-2043
FBTR	Экспериментальный, интегральный, натрий	Индия	1985-2030
CEFR	Экспериментальный, интегральный, натрий	Китай	2010-2040
Monju	Прототип, петлевой, натрий	Япония	1994-96, 2010, вывод из эксплуатации
МБИР	Исследовательский, петлевой, натрий	Россия	В разработке
БРЕСТ-ОД-300	Опытно-демонстрационный, интегральный, свинец	Россия	В разработке

Преимущества использования реактора на быстрых нейтронах по отношению к окружающей среде

Использование РБН имеет ряд экологических преимуществ, которые могут способствовать более устойчивому развитию энергетической системы.

• 1.    Эффективное использование ядерного топлива: РБН могут использовать не только свежий уран, но и отработанное топливо из других реакторов. Это позволяет максимально эффективно использовать ядерное топливо и снижать потребность в его добыче.

• 2.    Снижение объема радиоактивных отходов: Реакторы на быстрых нейтронах способны перерабатывать плутоний и другие акти-

• ниды, что уменьшает количество долгоживущих радиоактивных изотопов в отходах. Это упрощает управление отходами и снижает их опасность.

• 3.    Снижение углеродных выбросов: Ядер-ная энергетика, включая РБН, не производит углекислый газ во время работы, что помогает сократить выбросы парниковых газов и бороться с изменением климата.

• 4.    Замкнутый ядерный топливный цикл: РБН являются частью замкнутого топливного цикла, где отработанное топливо перерабатывается и используется повторно. Это уменьшает необходимость в новых ресурсах и снижает воздействие на окружающую среду.

• 5.    Снижение зависимости от ископаемых видов топлива: Развитие технологий ядерной энергетики на быстрых нейтронах может снизить зависимость от угля, нефти и газа, что также положительно сказывается на экологии.

• 6.    Безопасность и минимизация рисков: Современные технологии реакторов на быстрых нейтронах разрабатываются с учетом повышения безопасности, что снижает риск аварий и потенциального загрязнения окружающей среды.

Эти преимущества делают РБН важным направлением в области устойчивой энергетики и охраны окружающей среды.

Заключение

Использование реакторов на быстрых нейтронах ведет к увеличению эффективности использования ядерной энергии, снижению радиоактивных отходов и расширению возможностей для развития ядерной энергетики в будущем. Вместе с этим, активно идет работа по разработке и внедрению новых технологий, среди которых особое место занимают реакторы на быстрых нейтронах. Крупномасштабная ядерная энергетика на быстрых реакторах, работающих в замкнутом ядерном топливном цикле, в состоянии остановить рост потребления органических топлив, обеспечить переработку радиоактивных отходов и решить проблемы энергетического обеспече- ния устойчивого развития человечества.