Атомная энергетика будущего - Земной Стационар, Замкнём ядерный топливный цикл. Опции Поделиться

[Смит]

Замкнём ядерный топливный цикл.
Атомная энергетика будущего - Земной Стационар.


Сейчас мы (то есть в России) начинаем замыкать замкнуты топливный цикл ядерного топлива.
Именно у нас в России происходят эти тектонические сдвиги, и нигде больше в Мире на таком уровне.

Чтобы замкнуть, нужно на соответствующее количество обычных атомных реакторов АЭС построить и запустить нужное количество реакторов-бридеров. То есть реакторов на быстрых нейтронах.
Специфика бридера в том, что в качестве теплоносителя нельзя использовать воду, как в обычных реакторах. есть два решения - испрользвать металлический натрий, и использовать расплавленный свинец.
У нас огромный опыт (в сравнении с глобусом) и есть две школы.
1. Нижегородское ОКБМ - школа бридеростроительства на натрии. Два бридера сейчас реально работают на Белоярской АЭС. Причём один из них первый в мире бридер промышленной мощности 850 МегаВатт. Второй БН-600.
Предыдущий БН-350 много лет проработал опреснителем на Каспийском море. Закрыт по причине полной выработки ресурса.
2. Подольское ОКБ Гидропресс - свинцовые реакторы. На данный момент один энергоблок с таким реактором находится в стадии строительства "на земле".

Более профессионально эти темы можно обсуждать в нашем "Ядерном разделе". И там вроде как есть кое-какая информация об этом.

А здесь это важно для понимания реалий и перспектив в рамках концепции ближайшего будущего. Причём в художественной форме. Поэтому тут интереснее не "как устроено", а скорее "для чего нужно" и "в чём тут фантастика".


Для чего нужны бридеры? Какие проблемы они решают?

- В бридер можно загрузить отработанное ядерное топливо обычной АЭС. То есть непригодное для АЭС и при этом опасное. Извлечь из ОЯТ много энергии, потом вытащить и снова загрузить ЭТО топливо в обычную АЭС уже как свежее.
Ситуация похожа на то... Что в буржуйку вы закинули дрова, они прогорели и дали тепло. А после этого вы вытащили из буржуйки вдвое больше дров. Точнее больше - умноженное на коэффициент размножения бридера - это меньше двух.

- В Бридере в качестве топлива можно использвать нерадиоактивный уран-238 (U238) Его полно в природе. В добываемой сегодня повсеместно урановой руде содеражание нужного обычным АЭС радиоактивного U235 всего то 0,7 процента. Остальные 99% - это U238 который сейчас просто идёт в отвал.

- В Бридере в качестве топлива можно использовать Торий-232 (Th232) - которого в России очень много, гораздо больше, чем Урана. И который сейчас практически нигде не используется.

- В Бридере можно использовать оружейный Плутоний. В природе его не бывает, но за время холодной войны он всеми участниками наработан в огромных количчествах. В Союзе было несколько специальных реакторов для его наработки. Под присмотром и трогательной заботой американцев все они закрыты у нас кроме одного. Один продолжает работать в Нижегородской обл. в Сарове. И до сих пор обогревает весь город. Но обогревая нарабатывает Плутоний.

Всё это значит, что бридер позволяет во много раз увеличить кормовую базу атомной энергетики вообще.. И наладить регенерацию топлива для уже существующих АЭС.

Ещё один очень важный аспект... Бридеры позволяют решить острую проблему ядерных отходов от обычных АЭС... И вообще ядерных отходов. Дело в том, что такой реактор можно использовать для переработки отходов со временем распада в тысячи лет, в нечто, что распадается ДО сотни лет. Никто сейчас не знает как гарантированно безопасно хранить тысячелетние отходы. А вот сотенные можно обезопасить уже сегодняшними технологиями.


Развитие технологии Бридеров обеспечит человечество энергией на многие сотни и даже (есть мнение) тысячи лет. При этом оградит нас всех от проблем ядерных отходов. И всё это при том, что АЭС - это самый экологически чистый вид реальной энергии. Это не мифическая зелёная энергетика. Нужно лишь построить достаточное количество таких реакторов. Такая программа есть и действует сегодня только у нас. За рубежом бридеры строили, но все они не были промышленными и на сегодня все закрыты. В результате неудач, выработки ресурса или радиофобии.


Но есть одна проблема. Для запуска реакции в бридере нужна "спичка из урана-235", которого очень мало на Земле.
Поэтому процитирую по памяти академика Митенкова:
"Никакой альтернативы в будущем, кроме атомной энергетики у человечества НЕТ"
"Уран-235 - это подарок Господа Бога человечеству. От того, как именно мы распорядимся этим невосполнимым подарком зависит наше выживание". - Тут речь о том, что пора прекратить бездумно выжигать этот драгоценный подарок - U235



Запад сейчас предлагает другой, но людоедский сценарий выживания. Сокращение населения до миллиарда.
Но тот кто не хочет быть съеденным должен развивать план Б. Чтобы реализовать план Б, нужны всего три вещи:
- Не позволить себя съесть
- Космическая экспансия
- Атомная энергетика с замкнутым топливным циклом.

Пожалуй во всех трёх направлениях Россия в передовиках. В этом наше реальное ближайшее будущее.



ЗЫ: От бридеров есть ещё одна польза - они вызывают кубический баттхёрт у свидетелей секты радиофобов-экологов

[efan81]

«...В Северске началась новая эра атомной энергетики. На площадке Сибирского химкомбината 8-го июня 2021-го года стартовало строительство первого в мире энергоблока четвертого поколения с быстрым реактором естественной безопасности БРЕСТ-ОД‑300.»

Довольно круто, не правда ли?
Давайте же разберёмся, что же на самом деле представляют собой этот инновационный реактор и замкнутый цикл ЕЩЁ РАЗ!.

В 60-е годы 20 века развитие атомной энергетики шло семимильными шагами. К началу 60-х в мире было всего 3 атомных энергетических энергоблока: первая АЭС в мире, сооружённая в Обнинске, что выдавала в сеть всего 5 МВт; первая коммерческая, сооружённая в британском Колдер-Холле, уже 46 МВт электрической мощности; и первая американская, пущенная через год – всего 60 МВт. Ничтожные 111 МВт номинальной мощности всех АЭС мира уже через 10 лет равнялись 24 ГВт, а прогнозы на 80-е рисовали и вовсе ужасающие 330 ГВт. Казалось, что пределов для расширения использования АЭС нет. Но на самом деле они были – УРАН(!)
"Легководные" реакторы, ставшие основой атомной энергетики, довольно капризные – в качестве топлива они используют самый дефицитный и редкий U-235. И если U-238 в земной коре довольно много, то вот U-235 всего 0,72% от U-238, а значит возникает проблема!
о которой я и говорил - "ДАР ПРИРОДЫ"!

...Эта проблема была очевидна ещё на заре атомной отрасли, поэтому и решение её стали искать параллельно с развитием энергетических реакторов....
В чём главная проблема "легководных" реакторов? В том, что в цепной реакции практически не участвует U-238, а втянуть его в реакцию у тепловых (медленных) нейтронов, которых в "легководниках" большинство, не хватает энергии. Зато это могут сделать быстрые нейтроны, выделяющиеся при реакции деления. Но в "легководном" реакторе они быстро замедляются теплоносителем – водой, а кроме того, быстрые нейтроны гораздо менее эффективно запускают реакцию деления U-235.
Решение?
Заменяем теплоноситель на тот, который не будет замедлять нейтроны, делаем более плотное расположение топлива в реакторе, чтобы увеличить поток быстрых нейтронов и компенсировать их меньшую эффективность в процессе реакции с U-235. В процессе захвата U-238 нейтронов от реакции деления U-235 будет нарабатываться Pu-239 (плутоний). То есть в отработавшем топливе реактора на быстрых нейтронах можно добиться выхода делящегося вещества равного или большего, чем было загружено в него изначально. То есть реактор в процессе своей работы будет не просто выжигать уран, но и нарабатывать плутоний!

Кроме вполне очевидного военного потенциала, данное решение открывало и совершенно новый путь: если можно бесполезный U-238 превращать в плутоний и потом использовать его в обычных "легководных" реакторах, то можно получить почти неисчерпаемый запас топлива для реакторов – замкнуть ядерный топливный цикл (ЗЯТЦ)!
Такая двухчастная схема атомной энергетики будущего виделась в 60-70-е перспективной и необходимой. Сказать легко – сделать оказалось сложно, так как перед учёными встали сразу несколько фундаментальных проблем.

Первая и главная проблема – это теплоноситель. Вода чрезвычайно удобна, так как с ней человечество научилось давно работать. А вот для реакторов на быстрых нейтронах выбор был из веществ, работать с которыми, мягко говоря, совсем неудобно. Главные требования к новому теплоносителю были: хорошие нейтронные характеристики, текучесть и низкая вязкость в жидком виде, как можно меньшая температура плавления и малое парообразование. Кандидатов было немного, но победу одержало всего 2 ВЕЩЕСТВА - НАТРИЙ И СВИНЕЦ!

Почему натрий? У него низкая температура плавления (96 °С), что позволяет не заморачиваться над сложными системами разогрева. Его реально много в земной коре, он не вступает в реакцию с нержавеющей сталью и цирконием (в отличии от ртути и калия). При этом из всех конкурентов он обладает одной из лучшей нейтронной активностью. Почти идеал, если забыть о том, что натрий имеет свойство воспламеняться и взрываться при контакте с водой и воздухом. Тем не менее из всех вариантов теплоносителей, отрабатывавшихся на экспериментальных установках, именно он оказался единственным кандидатом для энергетических реакторов на быстрых нейтронах типа БН...

Высокая химическая активность натрия потребовала специальных технических решений, которые, при переходе от бумажной концепции к металлу, вызвали сильное удорожание проектов....
Во-первых, требовалось изолировать натриевый контур охлаждения от водяного, так как их протечка могла привести к пожару или взрыву внутри реактора. Для этого пришлось делать промежуточных контур, разделяющий натрий и воду и снижающий КПД реактора, а также удорожавший конструкцию. Требование недопуска контакта натрия и воздуха заставило продумывать и хитрую систему замены отработанного топлива - ему нельзя касаться кислорода! - с помощью роботизированного комплекса, что ещё больше усложнило конструкцию реактора...
Кроме того, пришлось решать проблему и загрязнения самого натрия в процессе работы реактора – обычными фильтрами тут не обойтись,!
В итоге проект, который на бумаге выглядел не дороже "легководника" при переходе с кульманов на площадку строительства, значительно прибавил в стоимости и потерял в рентабельности...

Второй проблемой стала переработка топлива. Реакторы на быстрых нейтронах вырабатывали много плутония оружейного качества. Этот плутоний предполагалось выделять, часть его отправлять обратно в составе топливной сборки в реактор, добавив свежего U-238, а остальное использовать для "легководников". И вот тут-то и возник целый ворох проблем.
Во-первых, плутоний нельзя просто так взять и запихнуть в обычный реактор. Совершенно иные параметры деления и тепловыделения у плутония требуют изменения многих параметров реакторной установки, в том числе и геометрии самих топливных сборок, из-за чего реакторы, рассчитанные на классическое урановое топливо, могут быть неспособны безопасно работать на смешанном урано-плутониевом топливе (MOX-топливо)
Во-вторых, само наличие процесса выделения плутония оружейного качества из топлива ставил крест на любых попытках экспорта реактора. И МАГАТЭ, и США, заинтересованные в нераспространении технологий промышленного производства компонентов для ядерного оружия, сделали бы всё, чтобы не допустить экспорт такого реактора!...

Нерадужные перспективы экспорта реакторов типа БН на всю планету стали последним гвоздём в крышку гроба надежд на новое будущее и на Россию как на великую АТОМНУЮ ДЕРЖАВУ! Но тут на сцену вышел БРЕСТ....

Одной из ключевых проблем реакторов на натриевом теплоносителе был сам натрий. Выход из ситуации казался очевидным – нужно сменить теплоноситель. Но сделать это было непросто. В 60-70-е в СССР для подводных лодок создавались реакторы на быстрых нейтронах с теплоносителем состава свинец-висмут. Данный сплав обладал относительно низкой температурой плавления в 125 °С и высокой температурой кипения в 1638 °С, за что расплачиваться пришлось худшими характеристиками, нежели у натриевого аналога, и более быстрым износом. Кроме того, из-за редкости висмута и сам теплоноситель влетал в копеечку, будучи дороже натрия в 10 раз. Для АПЛ всё это было не столь критично, так как выигрыш по весу и линейным размерам относительно "легководных" реакторов компенсировал все недостатки. А вот для АЭС это было уже более серьёзной проблемой....

Относительный успех реакторов на свинцово-висмутовом теплоносителе оживил работы по другому направлению – СВИНЦУ! В отличии от сплава, свинец сам по себе был довольно дешёвым, спектр нейтронов у него более жёсткий, а значит и коэффициент воспроизводства выше, менее токсичен, менее химически активен, меньше образует пара, не вступает в реакцию с водой и из недостатков имеет разве что высокую температуру плавления в 327 °С...
Хорошо же?
Отлично!
А ещё лучше, если не заморачиваться с двухступенчатым ЗЯТЦ, а СРАЗУ(!) замкнуть цикл для одного реактора: в отработанную топливную сборку просто подмешивать немного U-238 и снова в реактор!...
Никаких тебе сепарирований плутония, минимум радиоактивных отходов, всё можно делать прямо рядом со станцией в специальном здании-фабрикаторе....
Вариант идеальный!
Так родилась концепция реактора БРЕСТ, который благодаря применению указанных выше решений должен обладать свойствами «естественной безопасности»: — исключение аварий, требующих эвакуации, а также выводящих из хозяйственного использования значительные территории, технологическое усиление режима нераспространения ядерного оружия за счет исключения наработки и выделения в топливном цикле чистых U-235 и Pu оружейного качества, а также постепенного отказа от использования в ядерной энергетике технологий разделения изотопов урана; обеспечение конкурентоспособности ядерной энергетики в сравнении с другими видами энергогенерации!...

Звучит всё хорошо, но, как водится, при переходе от идеи к реализации образуется множество подводных камней....

Реализация реактора на свинцовом теплоносителе не просто так стала обсуждаться именно в конце 80-х. Первые проработки таких реакторов были ещё в 50-е, но натолкнулись на то, что существующие конструкционные материалы неспособны выдерживать условия работы со свинцовым теплоносителем.
По сути, при разработке реакторов БРЕСТ учёным и инженерам приходилось создавать его с нуля, сталкиваться с проблемами, которыми никто до этого не занимался и придумывать решения, которые до этого никто никогда не применял!

Одна из первых проблем – сам теплоноситель. Да, свинец менее химически активен, но при температуре свыше 400 °С в полностью бескислородной среде он начинает хорошо реагировать со сталью, проедая её. Решение этой проблемы требует разработки новых стальных сплавов. Кроме того, неизвестно поведение свинцовой коррозии и степень нейтронной активации свинца при длительной работе.
Расплавленный свинец хоть и не вступает в мгновенную бурную реакцию с водой, но при попадании в него воды может случиться «паровой взрыв».
Высокая температура плавления свинца потребовала разработки специальной системы разогрева реактора, что удорожает конструкцию.
Оксиды урана и плутония всплывают в свинце, что недопустимо по существующим нормам. Для решения проблемы пришлось разрабатывать специальное нитридное топливо для реактора. Никто никогда такого топлива не делал....

Решение избавиться от промежуточного контура между водой и теплоносителем реактора привело к необычному решению: колонку парогенератора решили погрузить напрямую в расплавленный свинец!...
Решение, мягко говоря, экзотичное!
Во-первых, неизвестно как себя поведёт корпус парогенератора при длительном нахождении в расплаве свинца. Во-вторых, ремонт парогенератора и некоторые аварийные действия с ним возможны только при использовании роботизированного комплекса, так как работа человека вблизи расплава свинца, требует специальной термостойкой экипировки.
В-вторых, ремонт будет осложнён наведённой от свинца радиацией в конструкциях парогенератора.
В-четвёртых, возможно радиационное загрязнение воды в парогенераторе и от неё всего насосно-турбинного оборудования....
Как будут решать эти проблемы, неизвестно....

Можно заметить, какое количество проблем (а перечислены далеко не все), новых подходов и решений требует БРЕСТ. Это действительно прорывной проект, который в случае успеха может стать такой же вехой для ядерной энергетики, как Microsoft для ИТ.... Но цена провала тут гораздо выше....
Почему?
Всё дело в амбициях и ресурсах.

Обычно в качестве демонстраторов технологии используют реакторы небольшой мощности – 10-50 МВт электрических. Но при такой мощности ни продемонстрировать концепцию «естественной безопасности», ни замкнутого топливного цикла не получится, так как достигнуть коэффициента воспроизводства даже в 1 на столь маленьком образце не представляется возможным. При этом денег на разработку и сооружение реактор малой мощности потребует не на порядок больше, чем более мощный вариант. И тогда-то родился план строительства реактора БРЕСТ-300 на 300 МВт электрической мощности с комплексом переработки топлива в городе Северск Томской области...

Решение о строительстве блока на 300 МВт было смелым и амбициозным. Проект, почти полностью сотканный из новых непроверенных решений, предлагалось построить без отработки элементов проекта в меньшем масштабе. В случае успеха – прорыв в новую эру, а вот в случае провала велик шанс, что, всё направление на долгие годы будет дискредитировано....
Тем не менее ставка была сделана, и работа проектантов закипела. Пока Адамов был министром, а позже советником председателя правительства, всё было хорошо, но в 2005 году в карьере Евгения Олеговича наступила чёрная полоса – обвинения со стороны США в коррупции и присвоении денег во время реализации программы ВОУ НОУ, суд на родине и тюремный срок....
Когда главный защитник проекта в высоких кабинетах лишился силы, то против БРЕСТа выступили представители конкурирующих проектов. Будучи сугубо бумажным, БРЕСТ мало чем мог соперничать с натриевыми или свинцово-висмутовыми реакторами, так как те имели воплощения в металле и были отработаны, а насчёт БРЕСТа такой уверенности нет.
По сути, с 2011 по 2021 год шла самая настоящая война проектантов со скептиками из Росатома и Ростехнадзором. Последний должен был согласовать проектную документацию и выдать разрешение на строительство, но долгое время отказывались это делать из-за принципиальных разногласий с разработчиками. Множество возвратов на доработку, комиссий, экспертных оценок и заключений потребовались, чтобы в конце концов в 2018-м году выдать заключение об утверждении проектной документации.
Победа?
Куда там....
В 2017 году финансирование проекта заморозят до получения всех разрешений из-за сложной финансовой обстановки в отрасли. Тем не менее, уже в следующем году на площадку в Северске прибыли первые строители, чтобы подготовить её и начать возводить первые здания комплекса (это при том, что формально проект всё ещё был заморожен и лицензии на строительство реактора не было). Ростехнадзор занял жёсткую позицию и, как мне кажется, правильную: перед тем, как выдать лицензию, он должен получить полную уверенность в том, что все требования безопасности учтены.
Научно-технические сессии по защите проектных решений, судя по информации с них, были не менее жаркими, чем внутренности реактора. По сути, не смотря на утверждение проектной документации, само строительство БРЕСТа было подвешено в воздухе – если бы его разработчики не смогли бы доказать Ростехнадзору, что проект готов и учитывает все требования, то был велик шанс отмены проекта. Но 10 февраля 2021-го года, после мучительного противостояния, наконец-то было получена лицензия на строительство!
Теперь, когда строительство начато, шансы прекращения финансирования проекта гораздо меньше.
Победа?
И да, и нет. Степень новизны БРЕСТа такова, что никто не может дать гарантию, что весь комплекс будет работать согласно проектным расчётам Столь сложный и комплексный проект не может обойтись без ошибок и неучтённых нюансов, о которых станет известно только после пуска реактора. Если проект заработает с параметрами близкими к целевым, если получится наконец замкнуть топливный цикл – то это будет революцией в атомной энергетике. Идея проверить сразу всю концепцию ЗЯТЦ на одном реакторе действительно амбициозна, но риск велик. БРЕСТ слишком дорогой для демонстратора технологии. Если реактор не выйдет на заданные параметры, если замкнуть топливный цикл не удастся, то с большой долей вероятности свинцовое направление реакторов будет отодвинуто! Если реактор из-за ошибки проектирования или строительства так и не смогут пустить в промышленную эксплуатацию, то это это может поставить крест на развитии всей свинцовой темы....
Экспортные перспективы у БРЕСТа столь же туманны, как и у реакторов типа БН: сам факт наработки ими плутония в промышленных масштабах не нравится МАГАТЭ и властям США, а потому строительство за рубежом БРЕСТов в случае успеха проекта на родине будет очень и очень непростым процессом.
В целом же хочется пожелать удачи и успехов всем, кто работает на проектом.