Реакторите с бързи неутрони са уникална разработка на руските учени и бъдещето на цялата ядрена енергетика

Мирният атом е един от стълбовете на световната енергия, без който модерното общество е просто невъзможно. Въпреки всички предимства на съществуващите ядрени централи, основният недостатък беше и остава обезвреждането на отработено ядрено гориво.

Изглежда, че и този проблем ще бъде решен - благодарение на уникалното руско развитие на затворен ядрен горивен цикъл, чието внедряване е възможно в ядрени реактори, използващи бързи неутрони.

Какъв е проблемът на съвременната ядрена енергия

И така, мирният атом служи на човечеството повече от дузина години, за да генерира електричество по целия свят. Но има един много сериозен проблем. Не всички природни урани са подходящи като гориво за ядрени реактори.

Уран-238 е широко разпространен в природата (92 протона, 146 неутрона), а делът му в световните резерви е 99,3% от общия уран на Земята. Но той просто не е подходящ за ядрени реактори като гориво.

Само останалите 0,7% от световните доставки под формата на уран-235 (92 протона, 143 неутрона) могат да служат като гориво. Но дори тази останала част от урана не може просто да бъде взета и заредена в реактора. Той трябва да бъде предварително обогатен и делът на уран-235 в общата маса на уран-238 да се увеличи с около 700 пъти.

Оказва се, че въпреки огромните световни резерви, уранът, който наистина е подходящ за гориво, ще бъде достатъчен, според средните изчисления, само за 50 години.

Всичко не е толкова мрачно, колкото изглежда на пръв поглед. Уран-238 все още може да бъде адаптиран за ядрени реактори. Вярно е, че за това е необходимо да се превърне уран-238 в плутоний-239 и този процес е възможен само когато е изложен на бързи неутрони.

Както се оказва, тази трансформация не е лесна. В края на краищата повечето съвременни реактори работят на "бавни" неутрони, които умишлено се забавят, тъй като уран-235 "не иска да комуникира" с бързи неутрони. Но уран-238, напротив, не участва в процеса на трансформация на бавни неутрони.

Не е икономически целесъобразно трансформирането на уран-238 в плутоний-239 да се извърши отделно. Много по-ефективно е да се използват така наречените допълнителни неутрони, които се образуват по време на реакцията на разпадане. Следователно в съвременните реактори те се отстраняват специално с помощта на абсорбатори.

Така че трябва да комбинираме „боклук“ уран-238 и „правилен“ уран-235 на едно място - атомен реактор. И тогава ще бъде възможно едновременно да се генерира електричество и конкретно да се трансформира „ненужния“ уран-238 в ново ядрено гориво за реактори. Но предпоставка за това е фактът, че той (реакторът) трябва да работи на бързи неутрони.

Но създаването на такъв наистина работещ реактор с бързи неутрони се оказа голям проблем за много инженери. И само руски инженери-учени се справиха със задачата.

Бързи неутронни реактори, каква е тяхната характеристика

И така, имаме нужда от реактор, който работи на уран-235 и в същото време трябва да го накараме да работи на бързи неутрони. За да е възможно това, е необходимо значително да се увеличи плътността на неутронния поток (така че уран-235 да стане по-готов да взаимодейства с бързи неутрони).

Това означава, че ще трябва да се използва по-обогатено гориво, докато температурният режим и неутронните потоци ще бъдат значително по-строги - ще са необходими по-стабилни материали.

Освен това трябва да се избягват материали, които ще забавят неутроните. Тоест, класическата версия - водата - в този случай не е подходяща, тъй като перфектно забавя неутроните.

Ето защо живакът се използва като охлаждаща течност в ранните етапи от развитието на бързи реактори, но тази опция бързо е изоставена поради високата токсичност на метала.

На следващите етапи от експериментите те изпробваха метали като олово, бисмут и натрий.

Установено е, че най-обещаващите материали са натрий и олово. И на първия етап съветските инженери успяха да "укротят" натрия.

Съветският реактор BN-600 стана първият търговски напълно работещ реактор за бързи неутрони. И още през 2015 г. Росатом пусна реактора BN-800 (натрий). Това е уникален по рода си реактор, който вече е адаптиран да работи на плутониево гориво с пълен затворен цикъл на размножаване.

Какво е предимството на бързите реактори

Предварителните изчисления показват, че благодарение на тази технология процентът на ядреното гориво, подходящо за реактори, нараства рязко от умерените 0,7% до 30%.

Следователно ефективните запаси от гориво ще се увеличат приблизително 43 пъти, което означава, че те трябва да са достатъчни не за около 50 години, а за повече от две хилядолетия. Мисля, че има разлика дори при много грубо изчисление.

В допълнение, такива реактори са в състояние да функционират напълно на отработено ядрено гориво от "бавно" реактори, което обещава решение на най-голямото главоболие на природозащитниците - как да се изхвърли отработената ядрена енергия гориво.

Също така такива реактори са много по-безопасни. В края на краищата те използват натрий вместо нагрята вода под високо налягане. Натрият става течен при 100 градуса по Целзий и стига до стадия на кипене само при 900 градуса.

Нека си припомним как работи охладителната система на „конвенционалните“ ядрени реактори. Там водата под огромно налягане действа като охлаждаща течност. Очевидно е, че високото налягане е голям риск от разхерметизация и авария.

При натрия няма такива проблеми. Тъй като точката на кипене е висока, тя може да се поддържа при нормално налягане, което означава, че няма шанс за пробив и авария.

Дори в случай на необичайна ситуация, реактивността на натрия също ще играе в полза на безопасността. При взаимодействие с изпарения на кислород и влага в атмосферата натрият се свързва в устойчив химикал съединения, които ще останат на територията на станцията и няма да се разпръснат из областта, разпространявайки се радиоактивно замърсяване.

Русия изпреварва останалите

Въпреки многобройните опити от различни страни, само Русия, и по-специално Росатом, има пълноценна търговска версия на реактор за бързи неутрони.

В крайна сметка дори французите (с обещаващото си развитие на „реактора Феникс“) не успяха да се справят с проблема с периодичната работа на защитните системи и спряха проекта през 2010 година.

Японците тестваха и своя версия - реактора Monju, но след поредица от аварии решиха да го разглобят.

Индийците също искаха да създадат свой реактор за бързи неутрони, но нищо не се случи.

В Русия технологията се развива плавно и вече се работи по проекта за бърз реактор BN-1200, в който разтопеното олово се използва като охлаждаща течност. Според плана той ще заработи напълно до 2030 година.

Оказва се, че Русия е единствената страна, която наистина може да прави ядрена енергия ефективен и наистина безопасен благодарение на уникалния дизайн - реактор с бързи неутрони.