Ātrie neitronu reaktori ir unikāla Krievijas zinātnieku attīstība un visas kodolenerģijas nozares nākotne

Mierīgais atoms ir viens no pasaules enerģijas balstiem, bez kura mūsdienu sabiedrība ir vienkārši neiespējama. Neskatoties uz visām esošo atomelektrostaciju priekšrocībām, galvenais trūkums ir bijis un paliek izlietotās kodoldegvielas iznīcināšana.

Šķiet, ka arī šī problēma tiks atrisināta - pateicoties Krievijas unikālajai attīstībai attiecībā uz slēgtu kodoldegvielas ciklu, kura ieviešana ir iespējama kodolreaktoros, izmantojot ātrus neitronus.

Kāda ir mūsdienu kodolenerģijas problēma

Tātad mierīgais atoms vairāk nekā divpadsmit gadus kalpo cilvēcei, lai ražotu elektrību visā pasaulē. Bet ir viena ļoti nopietna problēma. Ne viss dabiskais urāns ir piemērots kā kodolreaktoru degviela.

Urāns-238 ir plaši izplatīts dabā (92 protoni, 146 neitroni), un tā daļa pasaules rezervēs ir 99,3% no kopējā urāna uz Zemes. Bet tas vienkārši nav piemērots kodolreaktoriem kā degvielai.

Tikai atlikušie 0,7% no pasaules piegādes urāna-235 veidā (92 protoni, 143 neitroni) var kalpot par degvielu. Bet pat šo atlikušo urāna daļu nevar vienkārši paņemt un ielādēt reaktorā. Tam jābūt iepriekš bagātinātam, un urāna-235 daļa kopējā urāna-238 masā ir palielinājusies aptuveni 700 reizes.

Izrādās, ka, neraugoties uz milzīgajām pasaules rezervēm, ar urānu, kas patiešām piemērots degvielai, pēc vidējiem aprēķiniem pietiks tikai 50 gadus.

Viss nav tik drūms, kā šķiet pirmajā acu uzmetienā. Urānu-238 joprojām var pielāgot kodolreaktoriem. Tiesa, tam ir nepieciešams urānu-238 pārveidot par plutoniju-239, un šis process ir iespējams tikai tad, ja tiek pakļauti ātriem neitroniem.

Kā izrādās, šī transformācija nav viegla. Galu galā lielākā daļa mūsdienu reaktoru darbojas ar "lēniem" neitroniem, kas ir apzināti palēnināti, jo urāns-235 "nevēlas sazināties" ar ātriem neitroniem. Bet urāns-238, gluži pretēji, nav iesaistīts lēno neitronu transformācijas procesā.

Ekonomiski nav iespējams veikt urāna-238 pārveidošanu par plutoniju-239 atsevišķi. Daudz efektīvāk ir izmantot tā sauktos papildu neitronus, kas veidojas sabrukšanas reakcijas laikā. Tāpēc mūsdienu reaktoros tos speciāli noņem, izmantojot absorbētājus.

Tāpēc mums ir jāapvieno "junk" urāns-238 un "pareizs" urāns-235 vienā vietā - atomu reaktors. Un tad būs iespējams gan ražot elektrību, gan īpaši pārveidot "nevajadzīgo" urānu-238 par jaunu kodoldegvielu reaktoriem. Bet priekšnoteikums tam ir fakts, ka tam (reaktoram) jādarbojas ar ātriem neitroniem.

Bet tik tiešām strādājoša ātrā neitrona reaktora izveide daudziem inženieriem izrādījās liela problēma. Un tikai krievu inženieri-zinātnieki tika galā ar uzdevumu.

Ātri neitronu reaktori, kāda ir to iezīme

Tātad, mums ir nepieciešams reaktors, kas darbojas ar urāna-235, un tajā pašā laikā mums ir jāpanāk, lai tas darbotos ar ātriem neitroniem. Lai tas būtu iespējams, ir būtiski jāpalielina neitronu plūsmas blīvums (lai urāns-235 kļūtu gatavs mijiedarboties ar ātriem neitroniem).

Tas nozīmē, ka būs jāizmanto bagātinātāka degviela, savukārt temperatūras režīms un neitronu plūsmas būs ievērojami stingrākas - būs nepieciešami stabilāki materiāli.

Turklāt jāizvairās no materiāliem, kas palēninās neitronu darbību. Tas ir, klasiskā versija - ūdens - šajā gadījumā nav piemērota, jo tā lieliski palēnina neitronus.

Tāpēc ātro reaktoru izstrādes sākumposmā dzīvsudrabs tika izmantots kā dzesēšanas šķidrums, taču šī iespēja ātri tika atteikta metāla augstās toksicitātes dēļ.

Nākamajos eksperimentu posmos viņi izmēģināja tādus metālus kā svins, bismuts un nātrijs.

Tika konstatēts, ka visdaudzsološākie materiāli ir nātrijs un svins. Un pirmajā posmā padomju inženieriem izdevās "pieradināt" nātriju.

Pirmais komerciālais, pilnībā darbojošais ātro neitronu reaktors bija padomju reaktors BN-600. Un jau 2015. gadā Rosatom palaida BN-800 (nātrija) reaktoru. Šis ir unikāls šāda veida reaktors, kas jau ir pielāgots darbam ar plutonija degvielu ar pilnu slēgtu vairošanās ciklu.

Kāda ir ātro reaktoru priekšrocība

Sākotnējie aprēķini rāda, ka, pateicoties šai tehnoloģijai, reaktoriem piemērotās kodoldegvielas procentuālais daudzums strauji pieaug no pieticīgiem 0,7% līdz 30%.

Līdz ar to efektīvās degvielas rezerves palielināsies aptuveni 43 reizes, kas nozīmē, ka tām vajadzētu būt pietiekamām nevis kādus 50 gadus, bet ilgāk kā divus tūkstošus gadu. Es domāju, ka ir atšķirība pat ar ļoti aptuvenu aprēķinu.

Turklāt šādi reaktori spēj pilnībā darboties ar izlietoto kodoldegvielu no "lēnas" reaktori, kas sola risinājumu lielākajām ekologu galvassāpēm - kā atbrīvoties no izlietotā kodolenerģijas degviela.

Arī šādi reaktori ir daudz drošāki. Galu galā viņi izmanto nātriju apsildāma ūdens vietā zem augsta spiediena. Nātrijs kļūst šķidrs 100 grādos pēc Celsija, un viršanas stadijā tas nonāk tikai pie 900 grādiem.

Atcerēsimies, kā dzesēšanas sistēma darbojas "parastajos" kodolreaktoros. Tur ūdens ar milzīgu spiedienu darbojas kā dzesēšanas šķidrums. Acīmredzot augsts spiediens rada lielu spiediena samazināšanas un nelaimes gadījumu risku.

Ar nātriju šādu problēmu nav. Tā kā viršanas temperatūra ir augsta, to var turēt normālā spiedienā, kas nozīmē, ka nav izlaušanās un avārijas iespēju.

Pat nenormālas situācijas gadījumā nātrija reaktivitāte spēlēs arī drošību. Mijiedarbojoties ar skābekļa un mitruma tvaikiem atmosfērā, nātrijs tiks saistīts ar noturīgu ķīmisku vielu savienojumi, kas paliek stacijas teritorijā un neizklīst pa rajonu, izplatoties radioaktīvi piesārņojums.

Krievija ir pārējo priekšā

Neskatoties uz daudzajiem dažādu valstu mēģinājumiem, tikai Krievijai un jo īpaši Rosatom ir ātrgaitronu reaktora pilnvērtīga komerciāla versija.

Patiesi, pat francūžiem (ar daudzsološu "Fēniksas reaktora" attīstību) neizdevās tikt galā ar aizsardzības sistēmu periodiskas darbības problēmu, un viņi pārtrauca projektu 2010. gadā.

Japāņi pārbaudīja arī savu versiju - Monju reaktoru, taču pēc vairākām avārijām viņi nolēma to izjaukt.

Indiāņi arī vēlējās izveidot savu ātro neitronu reaktoru, taču nekas nenotika.

Krievijā tehnoloģija attīstās nevainojami, un jau notiek darbs pie ātrā reaktora BN-1200 projekta, kurā kā dzesēšanas šķidrumu tiek izmantots izkausēts svins. Saskaņā ar plānu tā pilnībā darbosies līdz 2030. gadam.

Izrādās, ka Krievija ir vienīgā valsts, kas patiešām var ražot kodolenerģiju efektīvs un patiesi drošs unikālā dizaina dēļ - ātrs neitronu reaktors.