Быстрый реактор и замкнутый цикл

Глобальная проблема – топливо должно циклировать, то есть периодически выгружаться из реактора, освобождаться от осколков деления и снова загружаться в новые оболочки. В основном сейчас цикличность обусловлена крайне малой стойкостью оболочки твэл БР, производители дают гарантии лишь на 8% выгорания тяжелых атомов. При этом вероятность потери герметичности оболочек будет менее 1/10⁵ [НИИАР]. Дальнейшее увеличение выгорания приводит к увеличению доли разгерметизации оболочек. А при выгораниях более 25% дополнительно начинаются самопроизвольные скачки мощности реактора, если не приняты меры к снижению Доплер-эфекта. Огромная проблема заключается в политическом (субъективном) решении неопределенности: выгорание т.а. – коэффициент воспроизводства – время удвоения делящегося матреиала –вероятность разгерметизации оболочки - загрязнение теплоносителя - …

Шестая проблема – переработка облученного топлива с 2-3 месячной выдержкой. Топливо должно легко, и желательно, дешево перерабатываться неводным способом. Это связано со следующей неразрывной проблемой топлива быстрого реактора:

Седьмая проблема – распад плутония 41. Это чудесный материал для любого типа реактора имеет малый период полураспада – 14 лет. При длительности цикла – облучение – хранение радиохимическая переработка – изготовление топлива – более 7 лет быстрый реактор перестает работать в режиме накопления плутония, даже если он будет состоять чисто из металлического топлива. Поэтому и встает на первый план проблема скоростной переработки ОЯТ БР. Проблема высокого темпа выгорания в реакторе – желательно 8% и более за год. Проблема хранения и транспортировки топлива с 2-3 месяцами выдержки. Проблема контроля качества вновь изготовленных (рефабрицированных) ТВС.  При увеличении времени выдержки до 1-2 года использование неводных методов теряет смысл – тут начинают работать старые проверенные водные технологии. Развитие высокоскоростных методов водных технологий переработки ОЯТ, (ВЖХ, ВЦЭ…), создание новых продуктов типа ион-селективных сорбентов, открывает неограниченные возможности использования, как тяжелых металлов, так и осколочных элементов.

Восьмая проблема – верификация расчетов. Все сегодняшние быстрые реакторы управляемы только на 235 и 239 массах. Без них управляемость реактора не проверена. А должен работать не 238-245. Требуется провести массу экспериментов. Длительных, дорогостоящих, сложных, и не совсем адекватно моделирующих будущий реактор. Невольно вспоминается Конфуций – чтобы узнать вкус груши необходимо ее попробовать. Чтобы доказать работоспособность реактора надо его построить.

Девятая проблема – радиоактивные отходы, которые называются ОЯТ.

Десятая – тритий. Водород и вода отличаются в 10000 раз по радиотоксичности. Как бороться – мало кто знает.

Отходы КМ – это с одной  стороны, но главное – это осколочные элементы и ТПЭ (трансплутониевые элементы, миноры, минор-актиниды, МА). Если не удастся решить проблему миноров сжиганием их в быстром реакторе, (в медленном темп накопления больше темпа выгорания) то атомная промышленность оставит будущим поколениям смертельные ловушки на долгие столетия, и никакая выгода сегодня (небольшой группе людей)  не компенсирует тотальное уничтожение всего живого в будущем (всего человечества).

Проблема возникает из-за колоссальной энергии, заключенной в радиоактивных  атомах. Все 100% атомы миноров распадаются, при этом каждая альфа-частица плюс ядро отдачи разрушает до 200 тысяч химических связей, превращая камень в аэрозоль.

Конструкционные материалы на 90% - 99% состоят из стабильных атомов. Все радиоактивные атомы в КМ являются бета или гамма активными, со средней энергией в 10 – 100 раз меньшей, чем у альфа. Поэтому опасность КМ при равной активности на несколько порядков меньше, чем МА.

Осколочные элементы требуют индивидуального  подхода, каждому нужна своя технология утилизации или захоронения. Первые работы в этом направлении выполнены, некоторые оценочные результаты получены.

Сегодня переработано не более 1% накопившихся отходов, из 300 тысяч тонн не более 3 тысяч тонн.

Ориентировочно считается, что  через 300 – 1000 лет не переработанное ОЯТ попадет из временных хранилищ в окружающую среду. К этому моменту  основную опасность будут представлять Pu и МА. Поэтому не переработка ОЯТ – это недопустимая операция.

Ядерный шантаж сегодня выглядит следующим  образом – если вы (обыватели) не дадите нам (атомной промышленности) денег на переработку ОЯТ, то наши с вами потомки вымрут в течение 10-20 поколений.

Так что выбор у простого человека невелик – либо отдать половину своих доходов функционерам атомной  промышленности, либо послать этих функционеров в самостоятельное  плавание по экономическим просторам. В первом случае обыватели снимают с себя груз ответственности за гибель человечества, и перекладывают ее полностью на небольшую группу людей. Во втором случае они будут разделять ответственность за уничтожение жизни с атомными функционерами, так как не оказали им вовремя финансовую помощь.

Сегодняшняя ситуация значительно  отличается от ситуации полувековой  давности. Тогда государство силовыми методами перераспределяло все свои ресурсы в пользу атомной промышленности. Сегодня государство просит (можно  сказать, стоит с протянутой рукой) за атомную промышленность. При этом сама атомная промышленность пока еще только наращивает аппетиты, и не может сказать, когда закончится у нее детство и начнется самостоятельная жизнь. Она считает, что все ресурсы государства должны быть направлены на ее скорейшее развитие, как когда-то полвека назад.

 

Постройка реактора нового типа –  это чисто политическое решение. Это игнорирование интересов  большинства в пользу решения  своих амбициозных научных целей. Это большой эксперимент на длительный период.

Создание ЗЯТЦ – то же самое. Только еще большее по всем параметрам. Результаты эксперимента ныне живущее  поколение не увидит, и с трудом осмысленно может предсказать результаты.

 

В общем, у быстрой энергетики куча проблем – политических, технических, физических и химических. Кроме этого, если использовать зональность активной зоны, то реактор становится идеальной машиной для накопления боевых делящихся материалов, позволяющих в считанные недели накапливать необходимое количество дешевого плутония оружейного качества.

 

 

Основной вопрос философии атомного проекта – что важнее, оружие или энергия?.

Если пойти чисто логическим путем, следуя только фактам, то факты приведут к пониманию того, что на чисто энергетические задачи деньги до сих пор не выделялись. А вот замкнутый топливный цикл – это в первую очередь энергетика, и только побочный продукт - оружие. ЗТЦ принципиально отличается именно этим от оружейных программ – в нем оружейные материалы лишь промежуточный продукт, который одновременно с образованием в реакторе в нем же и расходуется.

 

С чего начать?

Предлагаю начать со здравого смысла, то есть пойти по пути логического решения, задавая и отвечая на последовательные вопросы.

Что нужно нам, как  обыкновенным обывателям?

Жить в мире и тепле.

Что дает нам атом?

Оружие и энергию. Оружие дает нам мир, энергия – тепло.

С оружием без вопросов, а вот с энергией не все так просто. Энергию надобно:

1 - на долгие тысячелетия,   и

2- по цене, конкурентоспособной  с первыми четырьмя видами  электроэнергетики, которые сегодня опережают атомную электроэнергетику.

Можно сказать, что атом дает нам  и то и другое.

Какие виды энергии дают нам тепло?

Освоенные виды: 1 Уголь, 2 газ, 3 нефть, 4 ветер, 5 атомное деление, 6 реки, 7 солнце, 8 био. Не освоенные виды: атомный синтез и др,. 1, 2, 3, 5, 8 виды попутно с электричеством производят кучу тепла, которое летом не востребовано, а зимой недостаточно для теплоснабжения многих российских регионов.

Побочно: Проблема аккумуляции энергии?

Что важнее, количество или  дешевизна атомной энергии?

Так просто не ответить. Нужен компромисс, так как чем больше энергии  извлекаем, тем дороже она становится. Для нахождения компромисса нужен еще какой-то критерий. Вернемся к вопросу

Что нужно нам, как  обыкновенным обывателям?

Жить долго, в мире и тепле. То есть, чтобы отдельный индивидуум жил долго, мир длился долго, и тепло длилось долго.

В качестве основного критерия возьмем  продолжительность жизни человека. При каком виде энергии она  будет максимальной?  Начнем по порядку  современного вклада в генерацию электроэнергии.

Уголь – выделяет массу углекислоты, угарного газа, серы, пыли, радиоактивных  веществ. Но дает сегодня самую дешевую  электроэнергию.

Газ – почти ничего не выделяет, креме углекислоты.

Нефть – слишком ценный продукт, его для тепла сжигать не выгодно. Это основа мобильной энергетики. На теплоэлектростанциях сжигают отходы нефтепереработки – мазут. Резюме – нефть дает нам современный образ жизни, очень много современной продукции получается из нефти.

Ветер – шумит в лопастях.

Атомное деление – на сегодня выбросы составили (за счет аварий АЭС, в основном Чернобыль) более 70 млн Ки долгоживущих осколочных продуктов и 0,8т плутония плюс америций, кюрий, примерно 0,2 млн Ки альфа-нуклидов.

Попробуем посчитать. Данные цифры делим на количество электричества, произведенного атомной энергетикой, и получаем величину активности на один кВт*час.

Сегодня (2012) вся мощь АЭС составляет 400 ГВт, в 70-м году – будем считать 0. За 40 лет средняя генерации примерно 200 ГВт, при КИУМ 80% - 160 ГВт. В году 8760 часов, значит в среднем за год произведено 1400 ТВт*час (1,4*10¹² кВт*час), за все сорок лет 5,6*10¹³ кВт*час.

Делим киловатт*часы на выброшенную  активность и получаем около 20 тыс.Бк/кВт*час бета-гамма и 30 тыс.Бк/кВт*час альфа.

Для непросвещенного человека это не более чем феноксиметилпенницилин, я имею в виду абракадабру. Поэтому переводим эти цифры в нормально воспринимаемые «Пределы годового поступления для населения». Тогда получим следующий результат – около 300 ПДП для бета-гамма и 1500 ПДП для альфа при среднедушевом потреблении 2000 кВт*час в год.

Посмотрим, что дает нам уголь, который  содержит уран. В зависимости от месторождения цифра составит от 9 до 500 ПДП для альфа при среднедушевом  потреблении 2000 кВт*час в год. Выбросы серы – 20-200 ПДП в год, углекислого газа – ниже ПДП. Кроме того, сегодня угольные станции фильтруют свои газы. Поэтому вредные выбросы окислов серы, азота, урана, свинца находятся на уровне ПДП.

В цивилизованных странах сегодня  идет выброс только углекислого газа, который безвреден для человека и животный в тех количествах, которые выбрасываются. Превышения ПДП есть только в мегаполисах, и то на небольшие проценты в среднем в год. Углекислый газ вреден для климата Земли, по мнению некоторых ученых, ведет к глобальному потеплению. Большинство же обывателей северного полушария с 2007 года наблюдают глобальное похолодание на фоне увеличивающихся выбросов цеодва.

(Лже-) наука под названием «парниковый  газ цеодва» совершенно неизвестна  в США, которые глубоко плюют на Киотские соглашения, выбрасывая в 20 раз больше цеодва, чем в среднем жители земли. На Китай пытается давить Япония и Евросоюз, но он считает соглашения в Киото – сговор развитых стран против развивающихся, ведь фиксация сегодняшних выбросов приводит к сковыванию экономики развивающегося государства.

 

Сегодняшняя политика РФ (намерения) предлагает БР решить задачу переработки  топлива тепловых реакторов, решить задачу выжигания миноров, задачу получения  финансовой прибыли, и никто не снимает  оборонных задач.

Это чересчур много для несуществующей отрасли.

Сегодня ни один из БР не продемонстрировал  режим накопления плутония в АЗ. Мало того, что КВА должен быть больше единицы, ведь надо еще, чтобы увеличивалась  доля 239 массы. А это становится возможным только на КВА более 1,37. Сегодняшние директивы на создание БР с КВ 1,05 на старте – это ошибка, ведь вновь накопленный плутоний не сможет поддержать КВ 1,05 на равновесных циклах. Сегодняшние быстрые реакторы (конверторы - стартовые бридеры)  должны давать очень высокий КВ, чтобы наши потомки могли воспользоваться энергией урана-238.

 

Проблема миноров в БР может  быть решена при принятии политического  решения о сжигании 235 и 239 массы. Загружая в быстрый реактор высокообогащенные  материалы для уничтожения, можно одновременно с этим сжигать до 20-30 процентов по массе миноров в наружных рядах АЗ.

Для этого необходимо экспериментально проверить концепцию выжигания  америция в мишенях с инертной матрицей. Предлагаемый вариант –  оксид америция в матрице оксида магния. Такая мишень может стоять просто в наружном ряду БОР-60. В этом эксперименте можно будет экспериментально подтвердить расчетные скорости выгорания изотопов америция в БОР-60, определить темп выгорания данных изотопов, проверить совместимость топливной композиции с оболочкой, перемещение америция

 

Брюхов С.М.

 

Необходимо понять, что  сегодня мы (Я) пока можем только сформулировать вопросы, а ответы представляем себе очень и очень смутно. Проблема атомной энергетики настолько запущена, что даже отсутствуют основные подходы к решению задач. Более того, не все проблемы и задачи еще выявились. Мы еще не знаем того, чего мы не знаем.

 

 Словарь терминов и сокращений

Природный уран – уран с изотопным составом, обычным для планеты Земля – U-238=99,27%; U-235=0,72%; U-234=0,0055%. Стоимость в 2012 году $125-150 за кг U₃O₈.

Отвальный уран – уран с  уменьшенным содержанием легких изотопов. Доля U-235 от 0,2% до менее 0,72%. В данной статье для расчетов используется цифра 0,36%. Почти не содержит U-234. Реальные цифры не публикуются в открытой печати. Остаточная доля U-235 в отвальном уране оказывает обратно экспоненциальное влияние на стоимость обогащенного урана. Обычно находится в виде UF₆. Стоимость считается номинально отрицательной.

Обогащенный уран – уран с увеличенным содержанием легких изотопов. Делится на:

Низкообогащенный  уран (НОУ) - доля  U-235 более 0,72% и до 20%. В нем почти весь U-234. Большинство запасов в виде диоксида, из которого изготавливаются твэлы.