Greitieji neutroniniai reaktoriai yra unikali Rusijos mokslininkų plėtra ir visos branduolinės energetikos ateities ateitis

Taikus atomas yra vienas iš pasaulio energijos ramsčių, be kurio šiuolaikinė visuomenė yra tiesiog neįmanoma. Nepaisant visų esamų atominių elektrinių pranašumų, pagrindinis trūkumas buvo ir lieka panaudoto branduolinio kuro šalinimas.

Panašu, kad ir ši problema bus išspręsta - dėl unikalaus Rusijos sukurto uždaro branduolinio kuro ciklo, kurį įgyvendinti galima branduoliniuose reaktoriuose, naudojant greitus neutronus.

Kokia yra šiuolaikinės atominės energijos problema

Taigi taikus atomas jau daugiau nei keliolika metų tarnauja žmonijai, gaminančiai elektrą. Tačiau yra viena labai rimta problema. Ne visas natūralus uranas nėra tinkamas naudoti kaip branduolinių reaktorių kuras.

Uranas-238 yra plačiai paplitęs gamtoje (92 protonai, 146 neutronai), jo dalis pasaulio rezervuose sudaro 99,3% viso Žemėje esančio urano. Bet jis tiesiog netinka branduoliniams reaktoriams kaip kuras.

Tik likę 0,7% pasaulio tiekimo urano-235 pavidalu (92 protonai, 143 neutronai) gali būti naudojami kaip kuras. Bet ir šios likusios urano dalies negalima paprasčiausiai paimti ir pakrauti į reaktorių. Jis turi būti iš anksto praturtintas, o urano-235 dalis bendroje urano-238 masėje padidėjo maždaug 700 kartų.

Pasirodo, kad, nepaisant didžiulių pasaulio atsargų, tikrai tinkamo kurui urano, vidutiniais skaičiavimais, pakaks tik 50 metų.

Viskas nėra taip niūru, kaip atrodo iš pirmo žvilgsnio. Uranas-238 vis dar gali būti pritaikytas branduoliniams reaktoriams. Tiesa, tam būtina paversti uraną-238 į plutonį-239, ir šis procesas įmanomas tik veikiant greitiems neutronams.

Kaip paaiškėjo, ši transformacija nėra lengva. Galų gale dauguma šiuolaikinių reaktorių veikia „lėtus“ neutronus, kurie sąmoningai sulėtinami, nes uranas-235 „nenori bendrauti“ su greitais neutronais. Tačiau uranas-238, atvirkščiai, nedalyvauja lėtųjų neutronų virsmo procese.

Ekonomiškai neįmanoma atskirai paversti urano-238 į plutonį-239. Daug efektyviau tam naudoti vadinamuosius papildomus neutronus, kurie susidaro skilimo reakcijos metu. Todėl šiuolaikiniuose reaktoriuose jie specialiai pašalinami naudojant absorbentus.

Taigi turime sujungti „šlamštą“ uraną-238 ir „teisingą“ uraną-235 vienoje vietoje - atominiame reaktoriuje. Tada bus galima ir gaminti elektrą, ir specialiai „nereikalingą“ uraną-238 paversti nauju branduoliniu kuru reaktoriams. Tačiau būtina sąlyga yra tai, kad jis (reaktorius) turi veikti greitus neutronus.

Tačiau sukurti tokį tikrai veikiantį greitą neutroninį reaktorių daugeliui inžinierių pasirodė didelė problema. Ir tik Rusijos inžinieriai-mokslininkai susitvarkė su užduotimi.

Greiti neutroniniai reaktoriai, kokia jų savybė

Taigi, mums reikia reaktoriaus, kuris veikia su uranu-235, ir tuo pačiu metu turime priversti jį veikti greitai veikiančiuose neutronuose. Kad tai būtų įmanoma, būtina žymiai padidinti neutronų srauto tankį (kad uranas-235 labiau norėtų sąveikauti su greitais neutronais).

Tai reiškia, kad reikės naudoti labiau praturtintą kurą, o temperatūros režimas ir neutronų srautai bus daug griežtesni - reikės stabilesnių medžiagų.

Be to, reikėtų vengti medžiagų, kurios sulėtins neutronus. Tai yra, klasikinė versija - vanduo - šiuo atveju netinka, nes ji puikiai sulėtina neutronus.

Štai kodėl gyvsidabris buvo naudojamas kaip aušinimo skystis ankstyvose greitųjų reaktorių kūrimo stadijose, tačiau ši galimybė buvo greitai atsisakyta dėl didelio metalo toksiškumo.

Kitais eksperimentų etapais jie išbandė tokius metalus kaip švinas, bismutas ir natris.

Nustatyta, kad perspektyviausios medžiagos yra natris ir švinas. Ir pirmajame etape sovietų inžinieriams pavyko „prisijaukinti“ natrį.

Pirmasis komercinis, visiškai veikiantis greitas neutronų reaktorius buvo sovietinis BN-600 reaktorius. Ir jau 2015 m. „Rosatom“ paleido BN-800 (natrio) reaktorių. Tai unikalus tokio tipo reaktorius, kuris jau pritaikytas naudoti plutonio kurą su visu uždaru veisimosi ciklu.

Koks yra greitųjų reaktorių pranašumas

Preliminarūs skaičiavimai rodo, kad dėl šios technologijos reaktoriams tinkamo branduolinio kuro procentas smarkiai išauga nuo kuklaus 0,7% iki 30%.

Taigi efektyvios kuro atsargos padidės maždaug 43 kartus, o tai reiškia, kad jų turėtų pakakti ne maždaug 50 metų, bet daugiau nei du tūkstantmečius. Manau, kad skirtumas yra net ir labai apytiksliai apskaičiavus.

Be to, tokie reaktoriai gali visiškai veikti panaudotą branduolinį kurą iš „lėto“ reaktorių, o tai žada išspręsti didžiausią aplinkosaugininkų galvos skausmą - kaip išmesti panaudotą branduolį kuras.

Be to, tokie reaktoriai yra daug saugesni. Galų gale, jie naudoja natrį, o ne pašildytą vandenį esant aukštam slėgiui. Natris tampa skystas esant 100 laipsnių Celsijaus, o virimo stadiją jis eina tik esant 900 laipsnių temperatūrai.

Prisiminkime, kaip veikia „tradicinių“ branduolinių reaktorių aušinimo sistema. Ten milžiniško slėgio vanduo veikia kaip aušinimo skystis. Akivaizdu, kad aukštas slėgis kelia didelę slėgio mažinimo ir nelaimingų atsitikimų riziką.

Tokių problemų dėl natrio nėra. Kadangi virimo temperatūra yra aukšta, ją galima palaikyti esant normaliam slėgiui, o tai reiškia, kad nėra išsiveržimo ir avarijos tikimybės.

Net esant nenormaliai situacijai, natrio reaktyvumas taip pat bus naudingas saugumui. Sąveikaudamas su deguonies ir drėgmės garais atmosferoje, natris bus sujungtas su patvaria chemine medžiaga junginiai, kurie liks stoties teritorijoje ir neišsibarstys po rajoną, paskleisdami radioaktyvius tarša.

Rusija lenkia likusius

Nepaisant daugybės įvairių šalių bandymų, tik Rusija, o ypač „Rosatom“, turi visavertę komercinę greito neutrono reaktoriaus versiją.

Iš tiesų net ir prancūzai (žadėdami „Phoenix reaktoriaus“ plėtrą) nesugebėjo išspręsti periodinio apsaugos sistemų veikimo problemos ir 2010 m. Nutraukė projektą.

Japonai išbandė ir savo versiją - „Monju“ reaktorių, tačiau po daugybės avarijų nusprendė jį išardyti.

Indai taip pat norėjo sukurti savo greitą neutronų reaktorių, tačiau nieko neįvyko.

Rusijoje ši technologija vystosi sklandžiai, ir jau vyksta greito reaktoriaus BN-1200 projektas, kuriame kaip aušinimo skystis naudojamas išlydytas švinas. Pagal planą jis visiškai veiks iki 2030 m.

Pasirodo, kad Rusija yra vienintelė šalis, iš tikrųjų galinti gaminti branduolinę energiją efektyvus ir tikrai saugus dėl unikalios konstrukcijos - greito neutronų reaktoriaus.