Быстрый реактор и замкнутый цикл

А при пирохимической переработке  безопасное количество америция составляет 20 кг. Поэтому только в неводных системах необходимо перерабатывать ОЯТ БР.

 

 

Что сделано за последние 40 лет  с момента пуска Натриевых реакторов?

Что сделано за 50 лет эксплуатации тяжелометаллических реакторов?

 

 

Быстрый реактор и его проблемы

 

Чтобы понять, что за зверь быстрый  реактор, рассмотрим сначала «обычный»  реактор.

В 70-х и 80-х годах пропаганда СССР воспевала атомную энергетику как самую безопасную энергетику. Однако 26.04.1986 все обрушилось. Оказалось, что достаточно одной аварии, чтобы атомная энергетика стала самой опасной и самой дорогой.

После снятия железного занавеса оказалось, что запасов урана для действующих реакторов хватит лет на 100, а при увеличении реакторного парка втрое на 30 лет. Стало очевидней очевидного, что реактор, предназначенный работать 40-50 лет, не сможет доработать до окончания своего ресурса по причине отсутствия топлива.

За 25 лет были разведаны новые запасы урана, переоценены старые, и оказалось, что урана хватит при нынешних темпах использования на 50 лет. То есть построенные сегодня реакторы смогут доработать до окончания своего ресурса.

Однако вложения, сделанные в  атомные энерготехнологии, не окупятся при использовании лишь одного поколения реакторов. Сегодня считается, что реактор должен работать до 70, а то и до 100 лет. При сроках строительства реактора 6-10 лет, продолжительность проекта доходит до 110 лет. Окупаемость атомного Энергетического (не путать с оружейным) проекта, возможно, наступит при длительном использовании атомной энергии,  с периодом эксплуатации в сотни лет. Значит, и топливных ресурсов надобно иметь лет на 300 вперед, чтобы не замерзнуть при наличии большого парка реакторов.

Для получения экономичной энергии  реакторы должны безаварийно работать 10 млн. реактор-лет. Современный опыт работ реакторов показывает, что  тяжелая авария, влияющая на экономику реактора, случается раз в 1430 реактор-лет. Следовательно, человечеству необходимо преодолеть еще 1000 кратный технический барьер. То есть работать, работать и работать над безопасностью производства атомной энергии. То есть тратить, тратить и тратить деньги налогоплательщиков на поиски технических решений.

Атомные отходы придется хранить или  контролировать 300 – 300000 лет будущим  поколениям людей. Никто пока не может  сказать, сколько денег потребуется  для осуществления данной деятельности. Никто пока не может сказать, сколько жизней унесет эта деятельность. Для примера можно сослаться на нормы МАГАТЭ, где указано, что 0,1 Ки плутония на 1 км² требует полного отселения населения на бесконечное время.

Это составляет 1,6 г/км². При площади всего Земного шара 509 млн. км², включая океаны, для полного отселения всей Земли достаточно 814 тонн. Из не переработанного ОЯТ в количестве 300 тыс. тонн (на 2005 год) при неконтролируемом хранении выделится 10 тыс. тонн плутония в окружающую среду. Это превысит в 12 раз порог отселения землян на другую планету (если таковая найдется в ближайшее время). Произойдет данное неприятное явление в течение ближайших 300 – 400 лет, и будет действовать до распада плутония, в основном 239, 24 тысячи лет*4, то есть почти 100 тысяч лет.

Подытожим проблемы:

1  запасы урана малы, не хватает  даже для обеспечения одного  поколения реакторов, увеличение  разведанных запасов приводит  к экспоненциальному возрастанию  стоимости ядерного топлива.

2  уровень современной безопасности  атомных станций на 3 порядка, то есть в тысячу раз, ниже требуемого.

3  обращение с радиоактивными  отходами перекладывается на  будущие поколения, сколько наши  внуки и правнуки будут тратить  на обеспечение своей безопасности, непонятно.

4  реальная стоимость кВт-час электроэнергии, кВт-час тепловой  энергии, кВт-час любой другой полезной энергии нигде не сообщается. Это информация частично доступна в США, Франции, полностью недоступна в СССР и России. Методика расчета засекречена, так как она касается основной деятельности атомных проектов – производства атомного оружия.

Эти четыре нерешенные задачи, эти  четыре неопределенности не позволяют  провести экономическую оценку стоимости  киловатт-часа атомной энергии. Неопределенность достигает 2 порядков, то есть 100 раз. Причем нижний предел оценки стоимости – примерно равен углеводородной энергии, а верхний улетает в заоблачные значения.

С точки зрения рядового философа атомная энергетика является обычной  теологией с проповедниками, гуру, раввинами, муллами, попами. Каждый из этих руководителей концессий борется с конкурентами за паству, которая тупо пасется на планете Земля.

Сегодня в России из 142 миллионов  лишь 0,280 миллиона работает в атомной  промышленности. Это лишь один человек  из 500. На какую информацию должны ориентироваться остальные 499 человек? Кому верить? В потоке противоречивой информации обыватели ориентируются лишь на самые простые вещи – тепло в квартире, освещение, бензин в баке автомобиля, эвакуацию, огороженные колючей проволокой территории, воронки от ядерных взрывов.

Проповедники (пропагандисты) атомной  энергии (не имеющие никакого отношения  к науке) читают проповеди о великой  роли атомной энергии в современном  мире. Для этого не надо обладать красноречием – атомные взрывы говорят  красноречиво сами за себя. Поэтому все население планеты верит в мощь атомной энергии разрушения. Задача проповедника плавно перенести эту веру на мирный атом. Сначала все шло отлично, но потом информация об атомных авариях свела на нет всю работу. Население потеряло веру.

Картина современной атомной энергетики крайне грустна. Я бы назвал ее чрезвычайно пессимистичной.

 

Однако!!! Ренессанс!!!

Оказывается, у атомной энергетики есть колоссальный резерв мощности, который  почти 70 лет пытаются реализовать, но пока не реализовали. Этот резерв называется быстрый реактор.

Суть этого резерва заключается  в следующем.

Современные реакторы реализуют лишь 0,02 – 0,4% энергии, заключенной в уране. Это связано с тем, что современная  наука позволяет использовать только один изотоп урана – 235. Его доля составляет 0,72% от всех изотопов урана - 234, 235, 238. Это лишь одна 140 доля. Кроме того, топливо современных реакторов обогащено по изотопу 235, а почти половина этого изотопа остается в так называемом отвальном уране, таким образом, до реактора доходит лишь один из 280 атомов урана. Это будет 0,36% от всей массы урана, добытого из земли.

При работе современных реакторов  далеко не весь уран-235 сгорает, так  как образующиеся осколки деления  урана останавливают цепную реакцию. Примерно треть урана-235 не догорает. Однако, из огромной массы урана-238 накапливается плутоний - изотопы 239, 240, 241. На один сгоревший атом урана-235 образуется примерно 0,7 атомов плутония-239. Таким образом, лучшие из современных реакторов реализуют использование 0,4% энергии урана – примерно 0,24% из атомов урана-235, и 0,16% из урана-238 через плутоний-239.

Не путайте величину использования  урана с величиной выгорания  тяжелых атомов ядерного топлива. Средний  коэффициент выгорания составляет 3,5%, максимальный – до 5% т.а., что соответствует примерно выгоранию 30 и 45 ГВт-сут/тонну. Это топливо обогащено в 4-5 раз по изотопу 235, в отвале находится 8-10 кг обедненного урана на каждый килограмм обогащенного.

Как же нам поднять величину использования  урана?

Для этого необходимо проводить  цепную реакцию не на медленных, а  на быстрых нейтронах. Тогда, при  энергии нейтронов выше 1 МэВ, начинают делиться четные изотопы урана и  плутония.

Первым эту возможность использования  урана-238 доложил на совещании Манхэттенского проекта Энрико Ферми 23 февраля 1943 года. В то время только еще строились графитовые реакторы для накопления плутония, в которых величина использования урана не превышала 0,1%. Ферми предложил теоретический путь использования атомной энергии, который в тысячу раз может дать больше энергии, чем графитовый реактор.

Давайте рассмотрим предложения Ферми. И попытаемся понять, почему 15 годовых  бюджетов США оказалось недостаточно для реализации его идей.

 

Для этого необходимо сначала выяснить, а имеется ли энергетическая прибыль при получении атомной электроэнергии с помощью сжигания ядерного топлива.

На добычу руды расходуется энергия. На извлечение урана из руды требуется энергия. На перевозку урановой руды требуется энергия. И это лишь 2-5% всей затраченной энергии. Когда мы начинаем разделять изотопы урана, то можно сказать, что до этого мы почти не тратили энергии. Для разделения изотопов в 40 -50 годы использовалось столько энергии, что были построены огромные гидроэлектростанции на просторах Сибири. Цеха по разделению изотопов потребляли гигаватты дешевой сибирской энергии, консервировали ее в обогащенном уране, и таким образом позволяли очень дешевым способом передавать энергию на большие расстояния в виде высокообогащенных изотопов. По мнению некоторых политологов, работы по обогащению урана сравнимы с проектами переброски сибирских рек в европейскую часть СССР. Возможно, именно это применение энергии сибирских рек и приостановило воплощение проектов суперканалов Сибирь-Европа.

 В начале 60-х на получение одного эл-кВт-час атомной энергии расходовалось 10 кВт-час гидроэнергии. При себестоимости 0,02 коп (Ангарская ГЭС), было выгодно в европейской части продавать атомною электроэнергию за 2 коп. Однако, затраченная энергия на получения топлива не возвращалась в виде электроэнергии.

Сейчас резко улучшились энергетические показатели процесса разделения изотопов. Если полвека назад требовалось 2 – 2,5 тыс кВт-час на ЕРР, то сейчас – лишь 50. Это означает снижение энергопотребления на процесс в 50 раз! Колоссальный прогресс. Соответственно, сейчас вместо 10-кратной потери мы имеем 5-кратную прибыль энергии.

 

К сожалению, само оборудование для  разделения изотопов стоит очень  дорого, и если его учитывать, то мы получим значительно затянутую  по времени прибыль в 1,5-2 раза (лет на 20).

Сейчас выходит на первое место  сам природный уран в стоимости  топлива. Если ранее руда содержала  до 40 кг/т урана, то теперь разрабатываются  руды с содержанием 0,5-1,5 кг. Если бы их разрабатывали по старым технологиям, то уран бы вздорожал в 100 и более раз. Опять выручают новые технологии. Уран подорожал  лишь в 7 раз. Косвенно это можно пересчитать на энергозатраты, увеличенные в 7 раз. Следовательно, доля природного урана в топливе возрастает до 14%, значит, суммарно энергозатраты снижены лишь в 7 раз. (Не понял.) Значит, сегодня энергозатраты превышают производство атомной энергии в 1,3 раза.

Приведенные выше полуколичественные рассуждения показывают, что не обязательно  энергетически выгодно производить  атомную энергию. Производство может быть энергетически убыточно, причем в разы, но благодаря дешевому удаленному источнику энергии экономически приемлемо. Создание «атомной батарейки» в виде ТВС ВВЭР или АЗ АПЛ, заряженной дешевой энергией Сибири, приносит свет и тепло в Европу.

Понятно, почему уже 40 лет США не строит АЭС. У них нет таких  дешевых и невостребованных электрических  ресурсов, как на сибирских просторах. Для них «энергетически убыточно»  равняется «экономически убыточно».

 

Предложение Ферми выглядит следующим  образом – должен быть создан реактор, который работает на быстрых нейтронах. То есть, в котором большая доля нейтронов с энергией выше 1 МэВ. Хотя бы более 20%. Лучше – 30-40%.

Фактически, это конструкция, очень  близкая к конструкции ядерного взрывного устройства.

С начала 60-х годов атомная промышленность разных стран начала испытывать разные конструкции реакторов, работающих на быстрых нейтронах.

Однако, первая проблема, которая выяснилась – крайне трудно получить нейтроны с высокоэнергетическим спектром. Средняя величина энергии нейтрона в таких реакторах не превышала 0,5 МэВ. А надо, чтобы около 1 МэВ. Любые конструкционные материалы, в том числе сами тяжелые изотопы, понижают энергию нейтронов до неприемлемых величин. Был сделан вывод о том, что минимальная плотность топлива, которая позволит реализовать идею использования массы 38, более 14. Практически, только металл можно использовать для изготовления топлива. С некоторой натяжкой подходит нитрид. Оксид – заведомо не дает необходимых результатов.

Вторая проблема – увеличивающаяся реактивность топлива. Если на тепловых реакторах эта величина крайне незначительна, и то только в первый момент, то для быстрого реактора – велика, и может привести к неуправляемости реактора.

Третья проблема – колоссальный нейтронный поток, который выше теплового на 2 порядка. Это увеличивает нагрузку на конструкционные материалы, и они становятся критическим параметром – сегодня проблема КМ не решена и на 40% (80 сна вместо 200). Возрастают и объемы захоронения облученных сталей.

Четвертая – высокая  температура. Топливо должно быть высокотемпературным. Для обеспечения высокого КПД нужны высокие температуры. Высокая температура воды (вплоть до сверкритической) – одно из достоинств быстрого реактора. Это резко сужает выбор материалов для самих твэл, для КМ, для теплоносителя.

Пятая проблема – накопление миноров. При превышении 2,5% америция в топливе типа МОХ, топливная композиция становится с положительным температурным коэффициентом реактивности. Компенсация этого фатального Доплер-эффекта еще более ограничивает выбор КМ и теплоносителя. Выглядит это в виде резкой потери управляемости реактора при превышении некоторого предела выгорания топлива, а также в трудностях управления реактора при внесении в рефабрикованное топливо америция. Реактор из паиньки превращается в сбесившуюся лошадь. Внесение компенсирующих материалов в АЗ снижает коэффициент воспроизводства.