В 2022 году энергоблок № 4 Белоярской АЭС с реактором на быстрых нейтронах БН‑800 впервые в истории российской атомной энергетики полностью перейдёт на уран-плутониевое МОКС-топливо. Это будет важным шагом на пути к замыканию ядерно-топливного цикла.
О МОКС-топливе и бридерах
В традиционных, тепловых АЭС используется топливо, где в реакцию деления (ядерную реакцию) вступают только ядра изотопа урана U‑235.
Для производства таблеток МОКС-топлива используют оксид плутония, наработанный в энергетических реакторах, и оксид урана. Его производят из ОГФУ — обедненного гексафторида урана, который считается «хвостами» (отходами) обогатительного производства. Это означает, что как отходы после облучения, так и отходы после обогащения используются в качестве сырья для нового топлива. МОКС-топливо загружается в быстрые реакторы. В России это БН‑800.
Использование быстрых реакторов и создание двухкомпонентной системы позволяет решить несколько задач. «Во-первых, многократно увеличить сырьевую базу атомной энергетики. Во-вторых — использовать повторно (после переработки) отработавшее ядерное топливо вместо его хранения. В-третьих — вовлечь в топливный цикл и утилизировать накопленные на складах запасы ОГФУ и плутония», — отметил вице-президент по развитию технологий и созданию производств замкнутого ядерного топливного цикла АО «ТВЭЛ» (входит в Росатом) Виталий Хадеев. Еще одна задача — дожигание осколков деления и минорных актинидов — высокорадиоактивных изотопов трансурановых элементов. Дожигание как раз необходимо для того, чтобы снизить их радиоактивность.
Многократная переработка одного и того же материала, по существующим расчетам, продлевает его использование в топливном цикле в 100 раз. Цифра не случайна: изотопа U‑235 в природном уране — меньше 1 %. В хвосты попадает U‑238, и его в 100 раз больше. Самый грубый подсчет показывает, что если взять уран, добытый за 10 лет (это небольшой срок для любой отрасли тяжелой промышленности), и переработать его в замкнутом цикле, то этого объема хватит на 1000 лет — срок, сопоставимый с существованием цивилизаций.
По сути, многократное вовлечение одного материала в энергетический цикл делает его возобновляемым источником энергии — ВИЭ. Заместитель гендиректора и глава департамента ядерной энергии в МАГАТЭ Михаил Чудаков подтвердил, что двухкомпонентную систему с бридерами можно считать ВИЭ: «Во-первых, реакторы сами нарабатывают материалы, которые потом могут использоваться в дальнейшей цепной реакции. И второе — быстрые реакторы нужны для того, чтобы выгорали искусственно созданные «миноры» — минорные актиниды».
Оттенки технологии
Росатом сейчас развивает две технологии замыкания ядерного цикла. Технология использования MОКС-топлива в бридерах поэтапно уже реализуется. МОКС-топливо для БН‑800 производит Горно-химический комбинат. Первая партия из 18 сборок была загружена в реактор в январе 2020 года. В течение нынешнего года загрузят еще 180 сборок. Полный переход на МОКС-топливо запланирован на первую половину 2021 года. Предполагается, что вся активная зона будет загружена МОКС-топливом в первой половине 2022 года.
Вторая технология — «Прорыв». Сначала будет построен демонстрационный комплекс — ОДЭК, где она будет отработана. ОДЭК включает в себя завод по фабрикации-рефабрикации топлива, модуль переработки отработавшего топлива и реактор на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем БРЕСТ-ОД‑300 (Быстрый Реактор ЕСТественной безопасности опытный демонстрационный мощностью 300 МВт). В отличие от реакторов серии БН с натриевым теплоносителем, в БРЕСТЕ в качестве теплоносителя используется свинец.
Конструкция БРЕСТа такова: активная зона находится в железобетонном, заполненном жидким свинцом бассейне. В нем же — парогенераторы и циркуляционные насосы, которые должны прокачивать жидкий металл по первому контуру. Ядерное топливо нагревает жидкий свинец, который течет к парогенератору и передает тепло воде второго контура.
Использование свинца и конструкция реактора позволили отказаться от больших объёмов гермооболочки, ловушки расплава, большого объема обеспечивающих систем. Интегральная конструкция (активная зона и парогенератор в одном корпусе) позволяет локализовать течи теплоносителя и исключить потерю теплоносителя. БРЕСТ будет работать на СНУП-топливе. В отличие от традиционного, оксидного, в нем используются нитриды.
В 2022 году должно завершиться строительство модуля фабрикации-рефабрикации топлива, для него уже монтируют оборудование. БРЕСТ-ОД‑300 должен быть введен в эксплуатацию в 2026-м году, а модуль переработки отработавшего топлива — в конце десятилетия.
Практические действия Росатома по замыканию ядерного цикла позволяют напомнить реплику бывшего главы Физико-энергетического института (входит в Росатом) Анатолия Зродникова. Он произнес ее в интервью еще 13 лет назад: «Что может дать замыкание топливного цикла? (…) Можно получить очень интересный в философском плане результат: первичный сырьевой ресурс окажется практически неисчерпаемым — его хватит на длительный, исторически значимый срок, скажем, более 1000 лет. При этом вторичного топлива можно наработать ровно столько, сколько потребуется. Иными словами, мощности энергетики будут определяться не ограниченным сырьевым ресурсом, а технологическим и интеллектуальным ресурсами, которые являются воспроизводимыми. А это, в свою очередь, будет означать свершившийся переход ядерной энергетики в разряд возобновляемых (renewable) источников энергии».
