Naujausias BREST maitinimo blokas: pasaulis sustingo iš susižavėjimo "Rosatom" projektu

2021 metų birželio 8 dieną Seversko mieste, Tomsko srityje, "Rosatom" pradėjo statyti naują ir net naujausią branduolinės energetikos bloką BREST-OD-300

Žinoma, ši žinia pasklido po federalinę žiniasklaidą. "Interfax“: "BREST-OD-300" yra pagrindinis energetikos komplekso elementas, kuris leis be galo daug kartų perdirbti branduolinį kurą, todėl branduolinės energijos išteklių bazė taps praktiškai neišsemiama".

TASS: "BREST-OD-300 yra Rusijos greito neutrono reaktorių su švino aušinimo skysčiais projektas. Naujas konkurencingas produktas turėtų užtikrinti Rusijos technologijų lyderystę pasaulio branduolinėje energetikoje." RIA Novosti: "Rosatom" pradėjo statyti unikalų BREST reaktorių Tomsko srityje. Tai reaktorių gamykla, pasižyminti natūraliomis saugumo savybėmis, išskyrus Černobylio tipo avarijas ir Fukušimos AE įvykusias avarijas.

Naujos technologijos leis išspręsti žaliavų ir aplinkosaugos problemas branduolinėje pramonėje, taip pat sustiprinti neplatinimo režimą. Tankaus nitrido turinčio urano-plutonio branduolinio kuro ir švino aušinimo skysčio savybės suteikia galimybę BREST veikti vadinamuoju pusiausvyros kuro režimu: kai branduolinis "kuras", plutonis, gaminamas tiek, kiek "išdega".

"Vedomosti": "Sibiro chemijos kombinato vietoje Severske buvo pradėta statyti atominė elektrinė su naujovišku greito reaktoriaus BREST-OD-300 su švino aušinimo skysčiu ir mišraus nitrido urano-plutonio kuru, optimaliu greitiems reaktoriams".

Terminų gausa užgožia fizinę prasmę

Viskas gerai, bet vienas dalykas nėra aiškus: iš tų, kurie vienaip ar kitaip nedalyvauja atominėje energijoje, atominėje fizikoje, iš šių pranešimų gali suprasti, kas tai yra? Reaktorius yra novatoriškas, kuras yra nitridas, aušinimo skystis yra švinas, žaliavų, aplinkosaugos problemos — sprendžiamos, laikomasi neplatinimo režimo, prasidėjo pirmojo betono liejimas Sibiro chemijos kombinate.

Visi faktai yra vietoje, bet apie ką mes kalbame? Rusija jau turi greitus neutronų reaktorius, BN-600 ir BN-800, kaip Belojarsko AE dalis, dirba užtikrintai, pavydi visas pasaulis — nė viena kita šalis neturi tokio dalyko. Pusiausvyros režimas, aplinkosaugos problema, "Fukušimos" ir "Černobylio" scenarijus yra neįmanomi, kažkoks "degus" plutonis dega, bet nesudega, o saugumas yra natūralus.

Sakinių prasmė toli gražu nėra akivaizdi. Būtinybė "iššifruoti" visą šią terminologiją yra akivaizdi: visas pasaulio mokslas sustingo iš susižavėjimo, o mes patys negalime suprasti, kas yra prieš mūsų akis, kad "Rosatom" pradeda ją įgyvendinti.

Severske jie pradėjo kurti kažką nepaprastai novatoriško, kas išspręs daugybę problemų ir daugybę užduočių, nes reaktoriuje bus švino ir nitrido kuro — tai skamba nuostabiai, tačiau tokiame lygyje — "Vaikai, štai ši labai sudėtinga mašina gamina labai įdomius dalykus, kurie mums visiems reikalingi, todėl ji yra labai gera ir reikalinga, niekas kitas tokios neturi".

Apie urano izotopus ir dalijimosi grandinės reakcijas

Norint suprasti, kas vyksta apskritai, pakanka prisiminti mokyklinę branduolio dalijimosi grandininės reakcijos formulę: "Laisvas neutronas, atsitrenkęs į urano atomo branduolį, jį skaido ir susidaro du nauji laisvieji neutronai, jie atsitrenkia į du urano atomų branduolius, keturis kitus laisvus neutronus... " ir t.t. Viskas yra absoliučiai tikslu, tačiau yra keletas detalių, kuriose žinoma, kas visada slepiasi.

Šis aprašas netaikomas visam uranui, kurį išgauname iš rūdos, kurį išgauname kasyklose ir karjeruose, tačiau jo šerdyje yra "supakuoti" tik jo izotopas uranas-235 - 92 protonai ir 143 neutronai. Šis natūralios rūdos izotopo yra tik 0,7 proc., o beveik visa kita, tai yra 99,3 proc., yra uranas-238 (visi tie patys 92 protonai, bet 146 neutronai).

O uranas-238 nedalyvauja grandininėje reakcijoje — neįmanoma, kad "vienas neutronas išmuštų du neutronus, du neutronai išmuštų keturis“, uranas-238, grubiai tariant, paprasčiausiai "suvalgys" šį laisvą neutroną ir jam bus galas.

Praturtintas uranas ir nuskurdintas uranas iš šių izotopų uranas-235 ir uranas-238 fizinės savybės iš karto turi dvi pasekmes. Branduolinės energetikos pramonei reikia ne tik daug urano rūdos, bet labai daug. Rūdos laikomos turtingomis, jei jose yra vienas procentas natūralaus urano — todėl iš 100 tonų rūdos galima gauti toną urano, kuriame reikalingos urano-235 energijos yra tik septyni kilogramai.

Kasybos ir perdirbimo gamyklose 99 tonos PU patenka į "uodegas", o įmonėse, kuriose uranas yra praturtintas urano-235 kiekiu, 993 kilogramai urano-238 taps "uodegomis". Urano-235 sodrinimo technologijos buvo tobulinamos nuo pat "atominės eros" pradžios, tačiau net ir dabar, net ir Rusijoje, neįmanoma išgauti visų 0,7 procentų urano-235 iš "balasto" urano-238 pavidalu.

0,1 proc. urano-235 lieka Rusijos sodrinimo įrenginių atliekose ir iki 0,3 proc. Europos sodrinimo įrenginių atliekose. Būtent labiau išplėtotos Rusijos technologijos yra priežastis, dėl kurios Europos valstybės kartkartėmis siunčia savo atliekas į "Rosatom" perdirbti: kas Europai yra ne kas kita, kaip nenaudojamas balastas, nes TVEL kontroliuojančiosios bendrovės gamykloms yra gana padori žaliava, tinkama perdirbti.

Bet tai, žinoma, yra atskira istorija, prie jos galime grįžti kitą kartą, tačiau kol kas antroji pasekmė taip pat yra akivaizdi: branduolinis kuras atominei elektrinei yra gana brangus, o natūralus uranas su tokiu naudojimo būdu taip, kaip yra dabar, truks neilgai. Negana to — kaip žinote, uranas yra vienas, bet jis yra dviejų pusių, nes gali būti naudojamas branduolinėje energetikoje, taip pat gali būti naudojamas atominiams ir branduoliniams ginklams kurti.

Planetoje yra daug branduolinių ginklų, todėl veikiančių ir jau sustabdytų urano sodrinimo įrenginių vietose sukaupta daugybė tūkstančių tonų urano-238, kuris dažnai vadinamas išeikvotu.

Uranas, patenkantis į atomines elektrines ir branduolinius arsenalus, yra praturtintas, o tas, kuris guli gamyklos vietoje, yra išeikvotas, pavadinimai yra gana logiški. "Greenpeace" duomenimis, 1996 metais išeikvoto urano atsargos buvo tose šalyse, kuriose sodrinimas buvo aktyviausias: Prancūzijoje — 190 tūkstančių tonų, Rusijoje — 500 tūkstančių tonų, JAV — 740 tūkstančių tonų.

Ekstraguotas planetos gelmėse, išvalytas nuo uolienų, pristatytas į sodrinimo įmones, pakartotinai apdorotas, laikomas tokia forma, kad būtų užtikrintas optimalus laikymo režimas.

Jei rasite, sukursite, išmoksite pritaikyti technologiją, leidžiančią naudoti uraną-238 energijos gamybai, gausite didžiulį rezervą, o labai gerai parengtoje būsenoje už visus aprašytus etapus jau sumokėta, daugiausia visuotinių branduolinių lenktynių metais.

Greiti ir šiluminiai neutronai arba "Atviras branduolinio kuro ciklas"

Uranas-238 ir uranas-235 turi dar vieną savybę, dėl kurios dabartinę branduolinės energetikos pramonę sudaro 99,5 proc. vadinamųjų šiluminių reaktorių. Atominėje fizikoje tokios charakteristikos kaip branduolio dalelių judėjimo greitis ir jų temperatūra yra tapačios sąvokos, tai yra greitus neutronų reaktorius taip pat galima vadinti karštais neutronų reaktoriais, tačiau kažkaip ši galimybė neįsišaknijo.

Tas pats, bet kita linkme — mes turime visas teises terminius reaktorius vadinti lėtais, bet vėlgi — tai neprigijo. Po to, kai laisvas neutronas "sulaužo" urano atomo branduolį, fragmentai išskrenda skirtingu greičiu, o tai visai nestebina. Eksperimento sumetimais meskite akmenį į stiklą — fragmentai bus skirtingo dydžio, kai kurie nuskris tolyn, kiti nukris ant žemės greta.

Atominių mokslininkų eksperimentai parodė, kad dideliu greičiu laisvieji neutronai praktiškai nepasiekia urano-235 branduolių — grubiai tariant, juos sulaiko urano-238 branduoliai. Jie taip užtikrintai perima, kad nesulaukiama grandininės reakcijos, jai tiesiog nelieka laisvų neutronų.

Siekiant išspręsti šią problemą, vienu metu naudojami du metodai — pirmiausia tas pats sodrinimas, padidinant urano-235 kiekį branduoliniame kure vidutiniškai iki penkių procentų, tai yra, urano-235 koncentracija branduoliniame kure yra septynis kartus didesnė nei gamtiniame urane.

Bet likę 95 procentai branduolinio kuro yra tas pats uranas-238, kuris "gaudo" ir "gaudo" greitai laisvus neutronus. Bet tuo atveju, jei neutronai yra lėti, šiluminiai, uranas-238 jų "nepastebi", o uranas-235 yra geras, nes grandininė reakcija jame kyla tiek iš šiluminių neutronų, tiek iš greitų vienodai sėkmingai.

Išvada — reaktoriaus šerdyje reikalingas moderatorius, kuris visus neutronus (lėtai) pavers terminiais neutronais, o tai garantuoja kontroliuojamos dalijimosi grandinės reakcijos galimybę. Cheminių elementų, sulėtinančių neutronus, nėra tiek daug: grynas grafitas, vanduo, kuriame yra daug deuterio (jis taip pat yra "sunkusis vanduo") ir paprastas vanduo, tačiau chemiškai išvalytas nuo visų priemaišų. Istoriškai urano-grafito reaktoriai buvo pirmieji — jie buvo naudojami ginklų plutoniui gaminti, tai yra branduoliniams ginklams kurti.

Šis pavadinimas yra šiek tiek juokingas, tačiau jis atspindi fizinę idėją: vanduo vienu metu tarnauja kaip moderatorius ir aušinimo skystis, tai yra, "sulėtina" neutronus ir įgauna branduolinių reakcijų energiją, įgauna temperatūrą, kurios pakanka gaminti garus, sukančius elektrą gaminančią turbiną.

Pirmą kartą tokie reaktoriai buvo naudojami branduoliniams povandeniniams laivams, tačiau vėliau jie išlipo į krantą ir įrodė, kad jie yra patikimiausi ir ekonomiškiausi. Pelninga, tačiau atsižvelgiant į tai, kas išdėstyta pirmiau, jei nenaudojama šimtai tūkstančių tonų išeikvoto urano.

Tai yra atviro branduolinio kuro ciklo, kuriame branduolinis kuras naudojamas vieną kartą, aprašymas, o tolesnis apšvitinto branduolinio kuro (ABK) kelias jį pašalinus iš reaktoriaus yra perdirbimas ir šalinimas.

Kartu laidojimas taip pat yra sunki ir brangi procedūra, šiuo metu tik Suomija gali užtikrinti panaudoto branduolinio kuro laidojimą pasirinktose granito konstrukcijose, kurių Skandinavijoje gausu. Trumpai tariant, uranas vartojamas netausojančiu būdu, todėl šimtai tūkstančių tonų panaudoto branduolinio kuro turės būti siunčiama šalinti.

Tai suteikia daug priežasčių kritikai branduolinės energetikos priešininkams, kuriuos galima trumpai suformuluoti: AE yra brangu statyti, branduolinį kurą brangu pagaminti, panaudoto branduolinio kuro šalinimas taip pat yra brangus, todėl, nepaisant to, kad nėra anglies išmetamosiose dujose, technologija neturi perspektyvų.

Nuo šiluminių iki greitųjų reaktorių

Tačiau terminių reaktorių naudojimo praktika ir kruopštus kuro būklės stebėjimas reaktoriaus šerdyje įtikinamai įrodė teorinių skaičiavimų tikslumą. Nepaisant urano-235 sodrinimo ir moderatoriaus naudojimo, kai kurie neutronai vis tiek pasiekia urano-238 branduolius, ir nedaugeliu atvejų uranas-238 transformuojamas — iš eilės transformuojasi į kitų cheminių elementų branduolius, įskaitant plutonį-239.

Plutonis-239 yra geras, nes jis lengvai pradeda skilimo grandinės reakciją ir taip padidina panaudoto branduolinio kuro bendrą šilumos perdavimą. Jis nedelsdamas patenka į reakciją, tiesiai reaktoriuje, tačiau neturi laiko visiškai "perdegti" — maždaug vienas procentas jo lieka šiluminių reaktorių ABK, o jei išmoksite jį atskirti nuo viso ABK, jis gali būti naudojamas kaip "priedas" prie įprasto urano branduolinio kuro.

Uranas-235 taip pat neturi laiko visiškai išdegti. Abiem atvejais į pagalbą atėjo chemikai, sukūrę plutonio ir urano-235 atskyrimo nuo panaudoto branduolinio kuro technologiją. Tolesni tyrimai parodė, kad reaktoriaus šerdyje susidaro ne grynas plutonis-239, naudojamas kaip branduolinių ir termobranduolinių ginklų užpildas, bet trijų izotopų — plutonio-239, 240 ir 241 — mišinys vienu metu. Atskirti tokį izotopų mišinį nėra vilties, kad šį kartą jį bus įmanoma sukurti, tai visų pirma.

Visų antra — plutonis-240 branduolinėms galvutėms — "baisūs nuodai", dėl jo buvimo jos tampa nestabilios. Labai svarbi išvada: branduolinių ginklų gamybai negalima naudoti atominio reaktoriaus branduolyje pagaminto plutonio, kuris visiškai atitinka Branduolinio ginklo neplatinimo sutarties kriterijus.

Dar kartą, nes tai nepaprastai svarbu. Uranas-238 iš dalies paverčiamas energiniu plutoniu, kuris dalyvauja grandininėse reakcijose ir gali būti naudojamas energijai gaminti, o Sutarties dėl branduolinių ginklų neplatinimo pažeidimų nėra. Atviro branduolinio kuro ciklo balastas — uranas-238 — gali sukurti papildomą skilimo medžiagą branduolinei energijai.

Galima technologija, paverčianti šimtus tūkstančių tonų išeikvoto urano nauju branduoliniu kuru, tai įrodė Aleksandras Leipunskis, kurio vardu dabar pavadintas Obninsko fizikos ir energetikos institutas. Būtent vadovaujant Leipunskiui institutas tapo greitųjų neutroninių reaktorių technologijos kūrėju, šią technologiją Igorio Afrikantovo OKBM (Eksperimentinio projektavimo biuro) dizaineriai įgyvendino su BN-350, BN-600 ir BN-800 reaktoriais.

Pagrindinė mintis akivaizdi jau iš technologijos pavadinimo: branduoliniai mokslininkai nustojo lėtinti neutronus, o greiti neutronai padidina iš urano-238 gaunamo plutonio energijos kiekį.

Kadangi uranas-235 ir plutonis-239 dalyvauja dalijimosi grandinės reakcijose, jie turi bendrinį pavadinimą — besidalijančios medžiagos. Beliko pasiekti galutinį rezultatą: didesnį besidalijančių medžiagų kiekį išėjime iš reaktoriaus šerdies, nei buvo prie įėjimo. Skamba šiek tiek fantastiškai, tačiau Rusijoje šis rezultatas jau pasiektas.

Autoriaus nuomonė gali nesutapti su redakcijos pozicija.