В детской игре «горячая картошка» участникам нужно умудриться поймать быстро движущийся мяч и как можно скорее перебросить его другому игроку. Кто-то ловит стремительно летящий предмет легко, кому-то мяч нужно передавать медленнее. Так и в ядерной энергетике есть два типа топлива: одно умеет «играть» с быстрыми «мячами», другое предпочитает медленные. Разберемся, чем отличаются друг от друга реакторы, работающие на этих видах топлива.
Принцип работы ядерного реактора довольно простой. В сердце установки — активной зоне — идет цепная реакция деления ядер топлива, в результате которой выделяется гигантское количество тепла. Его поглощает теплоноситель — жидкость, которая течет по трубам вокруг активной зоны и затем поступает к емкостям с водой. Ей теплоноситель передает собранный жар, в результате чего вода испаряется, и потоки быстро движущегося пара крутят турбину генератора. В нем механическая энергия преобразуется в электричество.
Топливом для реактора является уран, из которого можно «выжать» еще больше электричества, если немного по-другому инициировать реакцию деления ядер.
Ядро атома можно сравнить с мешком картошки. Чем туже он набит, тем вероятнее порвется, если втиснуть еще одну картошину. Так, ядро тяжелого химического элемента может «лопнуть», если число частиц, из которых оно состоит, увеличится на одну. Когда такое ядро рвется, вне «мешка» оказывается несколько частиц-«картошин». Они могут попасть в другие ядра и привести к их разрыву — делению на части. Если новых свободных «картошин» больше одной, то количество «разорванных мешков»-ядер будет лавинообразно расти — это и есть цепная реакция деления.
Уран (U) — самый тяжелый химический элемент в природе. В нем больше сотни «картошин», то есть нейтронов — электрически нейтральных элементарных частиц. От их точного количества зависит, «картошка» какой «температуры» и на какой скорости должна влететь в ядро, чтобы инициировать реакцию деления.
В любом ядре урана 92 протона, а вот нейтронов может быть 141 или 146. Ядра, различающиеся числом нейтронов, — это изотопы, их обозначают суммой входящих в них протонов и нейтронов. В любом куске урановой руды есть легкие и тяжелые изотопы, причем их пропорция всегда одинакова: «легкого» урана-235 (235U) содержится 0,7%, а «тяжелого» урана-238 (238U) — больше 98%. В составе есть и другие изотопы, но для реакции деления они не так важны, как уран-235 и -238.
Уран с меньшим количеством нейтронов любит «холодную картошку». Он делится с намного большей вероятностью, если в него влетает «лишний» медленный нейтрон. Такой движется «не спеша» — примерно с той же скоростью, что и молекулы газа (например, воздуха) при комнатной температуре. Более тяжелое ядро 238U предпочитает «картошку погорячее», то есть раскалывается быстрым нейтроном, энергия которого сравнима с энергией стремительно движущихся частиц горячего газа.
В цепной реакции деления ядер рождаются быстрые нейтроны, а в природе намного больше урана-238, ядра которого любят «горячую картошку». В теории, большинство промышленных реакторов должно работать на быстрых нейтронах и тяжелых изотопах урана. В реальности все ровно наоборот.
Перед отправкой в «медленный» реактор природный уран обогащают: с помощью цепочки сложных физико-химических преобразований увеличивают «концентрацию» изотопа 235U с 0,7% до 3–5%. Затем его превращают в топливо и опускают в активную зону реактора. Когда начинается реакция деления, рождаются быстрые нейтроны. Их замедляют, чтобы инициировать следующие расколы ядер. Замедлителем в современных реакторах выступает вода. Она же является теплоносителем, поэтому реакторы называются водо-водяными.
Какое вещество можно сделать теплоносителем в реакторе на быстрых нейтронах и уране-238? Простая в обращении и доступная вода не подойдет: она замедлит нейтроны, и тяжелый изотоп урана откажется вступать в реакцию деления. Атомщики нашли решение — жидкие металлы: они не влияют на скорость нейтронов, зато прекрасно проводят тепло.
В реакторах на быстрых нейтронах теплоносителем могут быть жидкие натрий, свинец и литий. Пока во всех действующих установках используется расплавленный натрий, который активно взаимодействует с водой. Металл всплывает на ее поверхности и плавится, попутно выделяется водород, который может воспламениться. Полностью от воды в реакторе не избавиться: пар нужен, чтобы крутить турбину. Поэтому сейчас в России проектируют и строят реакторы со свинцовым теплоносителем — они менее активно взаимодействуют с водой.
В мире есть только два энергетических реактора на быстрых нейтронах — БН-600 и БН-800. Они находятся в России на территории Белоярской атомной электростанции. Еще два отечественных реактора научно-исследовательские. Это ИБР-2 в Дубне и БОР-60 в Димитровграде. Также есть по одному исследовательскому реактору в Индии и Китае.
Главный плюс реактора на быстрых нейтронах — возможность организовать замкнутый цикл использования ядерного топлива: из отработанного топлива можно достать «недогоревшие» атомы, сделать из них новую порцию топлива и снова дать ему поработать в реакторе — и так несколько раз. По мнению ученых, это повысит эффективность использования природных запасов урана и уменьшает количество отходов.
На специальных радиохимических заводах из отработанного ядерного топлива выделяют уран 238U, которого очень много после «работы» в «медленном» реакторе, а также остатки 235U и плутония.
По словам эксперта, реактор на быстрых нейтронах позволит повторно использовать отработанное топливо, что потенциально может обеспечить человечество электроэнергией на тысячи лет. К тому же замкнутый топливный цикл поможет избавляться от долгоживущих радиоактивных ядер, которые в противном случае пришлось бы где-то хранить.
При переходе на замкнутый цикл задач придется решить немало. Переработка топлива, побывавшего в реакторе, — долгий и непростой процесс. Из смеси нужно химическими методами извлекать расколотые радиоактивные ядра короткоживущих и долгоживущих элементов. Не стоит забывать и о сложностях с теплоносителем из жидкого металла. Пока большую часть энергии человечество продолжит извлекать из традиционных ресурсов.