Топливо для электростанций
В начале октября в России произошло эпохальное событие, способное изменить энергетику не только внутри страны, но и по всему миру. Через месяц после загрузки новым топливом новейший реактор БН-800 Белоярской АЭС выведен на номинальный уровень мощности. В чем смысл этого решения?
Чтобы понимать, что такое МОКС-топливо, нужно знать две вещи. Первая — каждый ядерный реактор, например, такой, как отечественные водо-водяные энергетические реакторы (ВВЭР), работает на специальном топливе — уране-235. В процессе деления нейтронов в реакторе тепловыделяющие сборки (или тепловыделяющие элементы, сокращ. ТВЭЛ) отдают в воду большое количество тепла.
Через 4−5 лет работы «ядерного кипятильника» их нужно менять: старые ТВЭЛ, потерявшие свои свойства и отдавшие все тепло, деактивируют и убирают в специальное хранилище, а материал, из которого они сделаны, переходит в категорию отработавшего ядерного топлива (ОЯТ). Хранение такого топлива — настоящая проблема для большинства стран мира. Несмотря на облучение и деактивацию, элементы продолжают «фонить» и представлять опасность вне стен атомной электростанции. Такой же головной болью ОЯТ было и для России.
Вторая вещь, которую нужно знать о МОКС-топливе, — оно сделано из отработавшего ядерного топлива, тех самых отслуживших свое тепловыделяющих сборок. Именно на таком топливе работают реакторы на быстрых нейтронах БН-800 на Белоярской АЭС. Но как может отработавшее топливо заново давать свет и электроэнергию?
Реактор на быстрых нейтронах
Реактор БН-800 на Белоярской АЭС отличается от того, что можно увидеть на других электростанциях. На обычной электростанции в качестве теплоносителя используется вода — она пропускается в громадных объемах через активную зону реактора, нагревается и поступает в теплообменники для создания пара, который вращает турбины в машинном зале и вырабатывает электричество.
В БН-800 все устроено иначе. Вместо воды через активную зону насосами прогоняется натрий. Он позволяет использовать в качестве топлива не дорогостоящий уран-235, а уран-238, запасы которого в природе человечество не сможет полностью использовать в ближайшие несколько сотен лет. Натриевый реактор гораздо стабильнее водо-водяного: при схожих тепловых мощностях давление в нем значительно меньше, что снижает риск аварий в несколько десятков раз.
При этом температура теплоносителя в БН-800 значительно выше, чем в реакторах ВВЭР. ТВЭЛы из отработавшего ядерного топлива разогревают натрий до температуры в 500 градусов, в то время как вода на выходе из реактора нагревается до температуры в 300 с небольшим градусов.
Это позволяет получать больше тепла и электричества, расходуя меньше топлива. Процесс получается более безопасным и контролируемым, а срок службы тепловыделяющих сборок, спрессованных на специальном заводе, фактически, из «ядерного мусора», увеличивается.
Интересно, что дефицита в отработавшем ядерном топливе сейчас нет ни в России, ни в мире. Только в нашей стране в хранилищах находится примерно 14 тыс. тонн ОЯТ, которое можно использовать для производства МОКС-топлива и реакторов на быстрых нейтронах.
С учетом того, что на каждый реактор нужно примерно 8−9 тонн на несколько лет работы, Россия может обеспечить себя электричеством и теплом на ближайшие сотни лет только внутренними ресурсами, а если импортировать отработавшее топливо из-за рубежа, то вопрос с электроэнергией будет решен навсегда.
Завод по производству МОКС-топлива
Несмотря на то, что разработкой реакторов на быстрых нейтронах занимались еще в СССР, для промышленного производства МОКС-топлива пришлось построить отдельный завод. В Красноярском крае вырос целый горно-химический комбинат, где радиоактивные элементы сначала обеззараживают, а затем «пересобирают» в высокопроизводительные сборки для натриевых реакторов.
К 2027 году будет запущена новая линия, на которой будут собираться ТВЭЛы из гидрида гафния — более стабильного химического соединения, благодаря которому увеличивается срок службы тепловыделяющих сборок в более мощных реакторах. После БН-800 в промышленную эксплуатацию могут быть запущены БН-1200 с тепловой мощностью в 2800 МВт — это примерно столько же, сколько у самых мощных в мире реакторов ВВЭР-1200.
Технологию натриевых реакторов пытались доработать и в США, но дальше экспериментов на отдельных реакторах дело не дошло. Американские ядерщики не до конца разобрались в тонкостях проекта и на этапе передачи документов строителям в первоначальный проект внесли более тысячи правок. В случае с литературным произведением такое количество требований можно пережить и проработать, но с ядерными реакторами все обстоит иначе.
При этом практически сразу в Южную Каролину, где и планировали строить завод, привезли 12 тонн оружейного плутония, частицы которого необходимо было использовать для производства тепловыделяющих сборок. В итоге несколько миллиардов долларов инвестиций растворились в неизвестном направлении, а за хранение оружейного плутония штат платит несколько миллионов долларов каждый месяц.
В данный момент достраивается завод по изготовлению МОКС-топлива в японском Роккасё, префектура Аомори. Его строят с 2017 года в тесном сотрудничестве с США. При этом в Японии работает только одна электростанция с реакторами на быстрых нейтронах — АЭС Мондзю в префектуре Фукуи.
Этот реактор в данный момент считается небезопасным — с момента ввода в строй в 1995 году на АЭС регулярно происходили аварии. При этом мощность японской АЭС в разы меньше, чем российской АЭС с реакторами БН-80: 280 МВт против 2100 МВт.
