Реакторы – размножители на быстрых нейронах

На втором этапе исследования, проводимого институтом JNC, основные усилия были сосредоточены на четырех основных типах конструкции реакторов-размножителей на быстрых нейтронах: реакторы, охлаждаемые расплавленным натрием и заправляемые смесевым оксидным топливом и металлическим топливом; реакторы, охлаждаемые гелием и заправляемые нитридным и смесевым оксидным топливами; реакторы, охлаждаемые свинцово-висмутной эвтектикой (легкоплавким расплавом) и заправляемые нитридными и металлическими топливами; сверхкритический водоохлаждаемый реактор, заправляемый смесевым оксидным топливом. Все эти конструкции предусматривают применение замкнутого топливного цикла, и были рассмотрены три пути переработки использованного топлива: перспективный способ переработки в водной среде; выделение металлов из оксидов с применением электричества (oxide electrowinning); пиротехническая обработка металлов (электроочистка) (metal pyroprocessing, electrorefining). Данные работы связаны с инициативой "4-е поколение" (Generation IV), в реализации которой Япония играет ведущую роль благодаря своим реакторам-размножителям на быстрых нейтронах, охлаждаемым жидким натрием. Бюджет агентства JAEA на 2006 г. позволил значительно активизировать исследования и разработки по топливному циклу для реакторов-размножителей на быстрых нейтронах благодаря возрастанию объема финансирования до 34,6 млрд. иен.

В сентябре 2006 г. Федерация электроэнергетических  компаний (FEPC) предложила конструкцию  компактного реактора-размножителя на быстрых нейтронах, охлаждаемого жидким натрием, имеющего электрическую мощность 1500 МВт и заправляемого смесевым оксидным топливом. Ожидается, что данная конструкция будет конкурентоспособна по отношению к перспективным конструкциям легководных реакторов. Компания Mitsubishi ведет работу по коммерциализации данной конструкции. Создание меньшего по размерам демонстрационного образца прогнозируется на 2025 г.

Агенство JAEA проделало  определенную работу по переработке  использованного топлива реакторов  на быстрых нейтронах с более  высокими уровнями содержания плутония. Федерация FEPC предполагает производить переработку использованного топлива в водной среде, которая позволяет выделять из топлива уран, плутоний и нептуний вместе, а "малые актиниды" (minor actinides) с целью их "сжигания" будут добавляться в гранулы смесевого оксидного топлива.

В апреле 2007 г. правительство  Японии выбрало компанию Mitsubishi Heavy Industries (MHI) в качестве основной компании по разработке нового поколения реакторов-размножителей  на быстрых нейтронах (FBR). С июля должна была начать работу компания Mitsubishi FBR Systems в качестве компании специалистов. Кроме того, эта компания несет ответственность за подготовку совместного с компанией Areva предложения о проведении работ по американскому проекту создания перспективного реактора для повторного использования делящихся материалов (US Advanced Recycling Reactor project), который является частью программы глобального ядерного энергетического партнерства (Global Nuclear Energy Partnership), которая осуществляется под эгидой США.

 

Реакторы  нового поколения

 

Накопленный человеком  опыт эксплуатации ядерных реакторов  благотворно сказался на их конструировании. Производители реакторов в Северной Америке, Японии, Европе и России имеют  несколько проектов новейших ядерных реакторов, которые либо внедряются в производство, либо находятся в стадии окончания проектирования, или в стадии научно-исследовательских разработок.

Конструктивные  особенности этих реакторов увеличивают  безопасность условий работы. Электростанции, работающие на таких реакторах, будут более просты в эксплуатации, а, следовательно – надежнее, более доступны для осмотров, обслуживания и текущего ремонта, более экономичны.

Реакторы нового поколения:

• Их конструкция проще, облегчает управление ими и исключает нарушение режима работы реактора в результате ошибок персонала.
• Являются более экономичными и конкурентоспособными.
• Исключают возможность расплава активной зоны реактора.
• Имеют большую доступность для осмотра и ремонта и более длительные сроки службы.
• Обеспечивают более эффективное использование топлива и уменьшают количество ядерных отходов.
• Имеют стандартизированные проекты для каждого типа, упрощающие процедуру лицензирования, уменьшающие их стоимость и сроки строительства.

На новых  реакторов применяются так называемые «пассивные» системы безопасности, которые еще называют «системами естественной безопасности». В основе их функционирования лежит действие сил тяжести, тепловая конвекция и т.п. Они не требуют активного вмешательства персонала в случае каких-либо сбоев в работе энергетической установки. Реакторы с такими системами безопасности невозможно вывести в режим неуправляемой цепной реакции деления.

 

Реакторы  будущего: управляемая термоядерная реакции

Ученые давно пытаются воспроизвести в лабораторных условиях процессы термоядерного синтеза. Реакции слияния легких ядер, происходящие на Солнце, дают свет и тепло Земле. Если удастся осуществить такие реакции в земных условиях, энергетические проблемы человечества будут полностью решены. В наших руках окажется практически неисчерпаемый источник энергии.

Существо таких реакций  состоит в слиянии легких ядер (к их числу относятся ядра изотопов водорода и лития) при температурах, измеряемых сотнями миллионов градусов. Сегодня еще не найдены надежные методы длительного поддержания столь высоких температур. Интенсивные исследования в этом направлении постоянно продолжаются, особенно в России, Японии, Европе и США. Сейчас трудно предсказать, когда произойдет прорыв, и ученые найдут способ осуществления управляемого термоядерного синтеза. Возможно,  в следующей половине нынешнего столетия, а может, раньше.

Извлекать энергию, выделяющуюся при слиянии ядер атомов можно  в целом ряде реакций. Однако если оценивать их с точки зрения максимального  энергетического выхода и легкости получения исходных продуктов, то выбор не так уж и велик. Таких реакций две: столкновение двух ядер дейтерия (D + D)

и столкновение ядра дейтерия с ядром трития ( D + T ).

В результате обеих реакций  образуются ядра изотопов гелия, обладающие высокой кинетической энергией, и быстрые нейтроны, энергию которых также можно полезно использовать.

Дейтерий ( D ) в небольшом количестве присутствует в любой воде и его нетрудно извлекать. Этого горючего у нас вполне достаточно. Свободный тритий ( T ) неустойчив и в природе почти отсутствует. Его получают путем синтеза при взаимодействии нейтрона с ядром лития. Это - дорогое производство.

При очень высоких  температурах, когда возможны реакции  термоядерного синтеза, никакое  вещество не может быть твердым, жидким или газообразным. Здесь существует только четвертое состояние вещества – плазма. Она состоит из электронов и атомных ядер и может существовать в самых разных видах и состояниях: пламя (холодная плазма), тлеющий разряд, солнечная корона. Вещество, находящееся в условиях термоядерной реакции называется высокотемпературной плазмой.

При создании термоядерного  реактора нужно затратить энергию  на создание плазмы и на поддержание  ее температуры. Высокотемпературная  плазма должна находиться в вакууме и быть устойчивой все время, пока идет реакция. Никакой материал не выдержит контакта с ней – превратится в плазму сам. С другой стороны, из плазмы энергию уносят нейтроны и электромагнитное излучение. Чтобы использовать энергию нейтронов для получения электроэнергии, доля электромагнитного излучения должна быть меньше. Эти трудности пока не удается преодолеть.

Расчеты показывают, что  для получения полезной энергии  реакция D + D должна проходить при температуре плазмы 1000 миллионов градусов. Это в 10 раз больше, чем для реакции D + T . Однако реакция D + T , хотя и происходит при более низкой температуре, имеет весьма крупный недостаток: в ней используется тритий. Производство трития очень дорого и использует сгорание лития, количество которого в природе ограничено. Участие лития в термоядерной реакции значительно усложняет конструкцию реактора. Если же удастся использовать реакцию D + D , то энергетический ресурс можно рассматривать как неограниченный.

Управляемый синтез обыкновенных ядер водорода (как это происходит на Солнце), наврядли достижим на Земле, поскольку такая реакция требует еще более высоких температур.

Задача практического осуществления управляемой термоядерной реакции во многом сводится к задаче получения и удержания высокотемпературной плазмы. При температурах термоядерного синтеза никакие контейнеры для этого использовать невозможно.

 

Заключение

 

Pазработка новых  материалов, улучшение конструкции,  упрощение монтажа, а также  рост мировых цен на уран  сделают будущие реакторы-размножители на быстрых нейтронах вполне конкурентоспособными, - считают сторонники этой технологии. Зато эти реакторы опаснее других, - возражают противники, - ведь теплоносителем в них является расплавленный натрий, а он бурно реагирует при контакте с водой или воздухом, что чревато пожаром и даже взрывом.

Еще одна проблема таких реакторов связана с  тем, что в них накапливается  оружейный плутоний - материал для  производства ядерной бомбы, заветная мечта террористов и тоталитарных режимов. И все же государствам, сделавшим ставку на ядерную энергетику, в долгосрочной перспективе без таких реакторов-размножителей на быстрых нейтронах не обойтись, - считает Жерар Миньо. "В период между 2050 годом и концом столетия обычные реакторы и реакторы-размножители будут сосуществовать практически на равных, а потом традиционные установки начнут постепенно вытесняться", - подчеркивает он.

 

Интернет  ресурсы:

 

www.ecoatominf.ru/publishs/Help2/reactornabistrih.htm

www.dw.de/dw/article/0,,4490208,00.html

www.nuclearblog.ru/29-reaktory-razmnozhiteli-na-bystryx-nejtronax...

www.ecoatominf.ru/publishs/BN800/BN800_10.htm