Брест-300. Амбициозный проект столетия (6 фото)
Эта революционная технология позволит в обозримом будущем создать трехступенчатый закрытый цикл воспроизводства ядерного топлива для обычных ядерных реакторов. Иначе говоря - бесконечная энергия при экономии природного урана.
Предистория.
С древних времён человек для обогрева своего жилища использовал тепло огня. И сжигал для поддержания тепла дерево, плавник, уголь...
Новый век - век нефти - по большому счёту мало что изменил в сотнях тысяч лет человеческой истории с точки зрения технологии получения тепла. По-прежнему, как и миллионы поколений до него, современный человек бОльшую часть энергии получает из органического топлива.
Более полувека назад, с началом эры атомных бомб, учёные разных стран начали использовать силу атома для получения энергии.
Традиционный урановый реактор.
Обычный атомный реактор использует один из природных изотопов урана - U235. При попадании в мишень, нейтрон вызывает реакцию деления этого топлива на более лёгкие и некоторое количество тяжелых элементов, выделяя огромную энергию.
Чтобы был понятен масштаб, насколько энергия ядерного распада больше обычной, получаемой сжиганием, к примеру, мазута - российский научный реактор БОР60, активная зона (атомная печка) которого имеет объем небольшого книжного шкафа, выделяет столько же тепла, сколько целая очередь Сормовской ТЭЦ, которая производит электроэнергию для примерно 100 000 человек!
Таких энергетических реакторов, использующих в качестве топлива природный уран, в мире сейчас сотни. Однако, атомная энергетика до сих пор занимает в доле электрогенерации скромные 10%, а если считать производство тепла, то её доля упадёт до 4% в общемировом объеме производства энергии. К примеру, уголь даёт почти половину электроэнергии мира.
Почему так? Дело в том, что атомная энергетика, кроме несомненных плюсов, имеет и несколько минусов, о которых я скажу ниже.
Радиационные отходы, дефицит урана и дороговизна реактора.
Первая проблема, которая у всех на слуху. Распадаясь в реакторе, уран-235 производит на свет десятки различных изотопов, многие из которых в природе не встречаются вообще, являются сильными ядами и источниками мощного рентгеновского излучения, приводящего к мутациям ДНК и смерти. Ряд ядерных катастроф и инцидентов в 20-м веке (Три-Майл Айленд, Чернобыль, "Уральский След", "Северский След") и в 21-м веке (Фукусима, Карлсбад) показывают, что атом не прощает легкомысленного к себе отношения и халатности.
Вторая проблема - урана на планете Земля не так много, как угля, газа или даже нефти. На 2011 год его запасы во всем мире оценивались в 5,4 миллиона тонн, однако экономически рентабельные запасы непрерывно уменьшаются и составляют на сегодня чуть менее 1 млн. тонн, при ежегодном потреблении в 75 000 тонн. Вооружившись калькулятором, несложно подсчитать, что запасов экономически выгодного урана в мире осталось примерно на 13 лет, ещё столько же урана содержится в малорентабельных месторождениях. То есть, уже к 2040-му году цена электроэнергии, вырабатываемой на АЭС в мире возрастёт минимум в 2 раза! А после 2045-го года урана-235 в мире практически не останется.
Третья проблема, на которую необходимо обратить внимание - это крайняя дороговизна и сложность атомного реактора и всей атомной энергетики в целом. Потянуть такое производство могут позволить себе считанные страны мира, и, если не считать исследовательские реакторы, то на сегодняшний день технологиями производства полного цикла - от атомного топлива до реакторов, и от хранения отработанного ядерного топлива до его утилизации, обладают всего 5 стран мира: Россия, Евросоюз, США, Япония и Великобритания.
И если третья проблема проблемой для нас не является, то первые две настолько фундаментальны, что с каждым годом всё меньше стран могут позволить себе поддерживать полный цикл атомной энергетики. К примеру, пару лет назад Великобритания сдала позиции производителя реакторов и топлива, в США уже несколько десятилетий продолжается настоящий перманентный кризис в отрасли, а Япония после Фукусимы сворачивает работу своего парка ядерных реакторов.
И только Евросоюз и Россия продолжают развивать свою атомную энергетическую программу, и Китай да Индия вот-вот освоят полный цикл в атомной промышленности.
Быстрые нейтроны. Решение есть.
Началась эта история, как обычно - с оружия и войны.
Как я рассказывал вкратце в этом материале:
Как "Спутник-1" спас Землю
в результате ядерной гонки США и СССР создали порядка 70 000 атомных бомб и боеголовок, в основном - на оружейном плутонии. Это крайне опасный и долгоживущий материал, невостребованные запасы которого после частичного ядерного разоружения в рамках СНВ составили на конец 90-х порядка 1600 тонн.
В отличие от природного урана, плутоний горит значительно "жарче" - в десятки раз больше выделяет энергии при его распаде.
Начиная с 1960-х годов в разных странах мира делались попытки сжигать плутоний в специальных реакторах. Наибольшего прогресса достигла в этом именно Россия - кроме чисто военных энергетических установок, в СССР действовали гражданские реакторы БН-350 (Казахстан) и БН-600 (Белоярская АЭС, Россия). БН-350 был остановлен после распада СССР в 1999-м году, а БН-600 трудился на благо России до недавнего времени, пока не был запущен ещё более совершенный реактор БН-800.
В этих реакторах на быстрых нейтронах используется так называемое MOX-топливо - смесь урана и оружейного плутония, в пропорции 9 к 1. Такой реактор позволяет "растянуть" использование обычного урана в несколько раз, выделив значительно большее число энергии, чем обычный реактор.
Однако, если даже заменить обычный уран МОХ-топливом во всех реакторах мира (что невозможно), растянуть запасы урана удалось бы всего лишь на десятилетие, и все равно, к 2050-му году его запасы полностью бы истощились.
БРЕСТ-300. Надежда человечества.
Как было сказано выше, есть 2 базовые проблемы атомной энергетики - ядерные отходы и конечность топлива. Новый реактор - размножитель БРЕСТ решает обе эти проблемы одновременно.
Дело в том, что в современном атомном реакторе в процессе работы сжигается лишь до 15% природного урана. Остальной постепенно загрязняется изотопами под названием "минорные актиноиды" и более тяжелыми и устойчивыми изотопами урана с четными числами, которые препятствуют реакции распада и постепенно снижают теплотворную способность топлива. Сейчас в большинстве стран мира такое отработанное топливо просто складируют или захоранивают в глубоких шахтах. Но эти отходы - ценнейший источник энергии, обуздать который может как раз реактор типа БРЕСТ.
Бридер - это самый старый тип реактора, который, потребляя энергию, производит из более лёгких изотопов более тяжелые. К примеру, из урана таким образом можно получить тот же плутоний и кучу других более тяжелых элементов, называемых трансурановыми. Но раньше бридер потреблял больше энергии, чем производил. Разработки советских и российских ядерщиков позволили обойти эту проблему.
Итак, БРЕСТ дожигает отработанное ядерное топливо, освобождая его от минорных актиноидов и восстанавливая главное топливо - уран-235 - до состояния, когда его можно снова засунуть в обычный реактор.
Схема такова - обычные реакторы сжигают природный уран. Реакторы типа БН - сжигают смесь с плутонием. Оба этих видов отработанного топлива очищаются, упаковываются в новые ТВЭЛы для БРЕСТА, после чего, с выделением тепла, преобразуются там опять в высокообогащенное топливо. После очистки и новой упаковки оно поступает снова в обычные реакторы и в смесь с плутонием для БН.
Трехходовка замкнулась!
Таким образом, запасы урана перестают быть исчерпаемыми! Россия первая в мире страна, которая в ближайшем будущем будет обладать неисчерпаемым источником атомной энергии!
Прорыв в будущее
Прелесть данной технологии заключается в ещё и в том, что бридеры типа БРЕСТ могут сжигать совершенно разные изотопы, и получать довольно обширный список топлива для реутилизации. В принципе, в будущем из 3-х ступенчатого топливного цикла можно будет вообще исключить стандартные реакторы на уране, построив вместо них реакторы БН или принципиально новые солевые реакторы, имеющие возможность в качестве исходного сырья использовать, к примеру, более распространенный в природе, дешевый и безопасный Торий.
В любом случае, на данный момент времени только Россия обладает всей гаммой реакторов, которые могут использоваться в замкнутом топливном цикле. Кроме России, в перспективе добраться до таких результатов могут Франция, Китай и Индия - но с отставанием в десятки лет.
Потому, что только СССР и Россия в течении десятилетий не покладая рук работали над этой сложнейшей и дорогостоящей темой, и Россия наконец смогла добраться до финала соревнования в гордом одиночестве.
Стоимость этой программы, сложность её и протяженность во времени беспрецедентны. Никогда ещё в мире не было такой длительной и затратной программы, как программа ЗЦЯТ. Сравнить её по научной сложности можно только с такими проектами, как полет на Луну или БАК, а по важности результатов - с появлением парового двигателя. И это один из факторов признания нашей страны энергетической сверхдержавой со стороны Международного Энергетического Совета.
Вот здесь ссылка об этом, наслаждайтесь:
https://www.mk.ru/economics/2019/03/25/mirovoy-energeticheskiy-sovet-nazval-rossiyu-energeticheskoy-sverkhderzhavoy.html
Будьте здоровы!