Table of Contents

Реакторы быстрого размножения (FBR) представляют собой преобразующий класс ядерных технологий, которые могут глубоко изменить глобальный энергетический ландшафт. Преобразуя богатые плодородные материалы, такие как уран-238 и торий, в расщепляющееся топливо при одновременном производстве энергии, эти реакторы предлагают путь к почти вечному снабжению топливом и резкому сокращению отходов. Достижение целей устойчивого развития Организации Объединенных Наций (ЦУР) - особенно тех, которые связаны с чистой энергией, климатическими действиями и ответственным потреблением - потребует использования всех доступных низкоуглеродных технологий. Реакторы быстрого размножения, несмотря на годы технических и экономических препятствий, являются одним из самых многообещающих, но недостаточно используемых инструментов для этой миссии.

Что такое быстрые реакторы?

Быстрый реактор-селекционер - это тип ядерного реактора, который поддерживает цепную реакцию с использованием быстрых нейтронов - нейтронов, которые не замедляются модератором. Обычные легководные реакторы (LWR) используют более медленные (термальные) нейтроны, которые гораздо более эффективны при расщеплении урана-235, но неэффективны при использовании более обильного урана-238 или тория. FBR, напротив, используют конструкцию ядра, которая сохраняет энергию нейтронов высокой (обычно выше 0,1 МэВ). Эти быстрые нейтроны могут индуцировать деление в плутонии-239 и других расщепляющихся изотопах, а также преобразовывать плодородный материал, такой как уран-238, в плутоний-239 со скоростью, превышающей потребление расщепляющегося топлива. Это «размножение» нового топлива дает реактору его название и его определяющую характеристику: отношение конверсии больше, чем одно .

Большинство FBR сегодня охлаждаются жидкими металлами - обычно натрием, но также свинцом или свинцовым висмутом эвтектика - потому что эти охлаждающие жидкости не умеряют нейтроны (в отличие от воды) и имеют отличные теплопередающие свойства. Наиболее зрелой технологией быстрого реактора с натриевым охлаждением является быстрый реактор с натриевым охлаждением (SFR), с многолетним опытом работы от экспериментальных и прототипных установок. Другие разрабатываемые проекты включают быстрый реактор с свинцовым охлаждением (LFR) и быстрый реактор с газовым охлаждением (GFR). Сам ядро реактора обычно компактно, с большим запасом плутония в топливе, а область покрытия, окружающая ядро, содержит плодородный материал ( обедненный уран или торий), где разводится новое топливо.

Историческое развитие и ключевые примеры

Первый экспериментальный быстрый реактор Клементина, эксплуатировался в Лос-Аламосе в 1946 г. С тех пор несколько стран построили и эксплуатировали FBR. Советский Союз BN-350 (1973-1999) в Казахстане был первым крупномасштабным реактором быстрого охлаждения натрия, в основном используемым для опреснения и выработки электроэнергии. Российские реакторы BN-600 и BN-800 (последний в настоящее время работает в Белоярске) представляют собой самые передовые SFR в мире. Индия эксплуатирует FBTR (испытатель быстрого разведения быстрозаводчика быстрого типа мощностью 500 МВт (PFBR) и строит реактор быстрого разведения прототипа мощностью 500 МВт (PFBR). Франция управляла реактором Superphénix (1985-1998), блок мощностью 1200 МВт, который продемонстрировал промышленное разведение, но столкнулся с техническими и политическими трудностями. Японский прототип Monju (1994-2016) был прототипом 280 МВт, который пострадал от утечки натрия и был в конечном итоге выведен из эксплуатации. Китай строит CFR-600, китайский быстрый реактор с иностранными входами. Эти проекты

Процесс размножения объяснили

Чтобы понять, почему FBR уникальны, необходимо понять нейтронную экономику. В обычном LWR каждое деление урана-235 высвобождает в среднем 2,4 нейтрона. Один нейтрон требуется для поддержания цепной реакции, а остальные либо поглощаются структурными материалами, теряются при утечке, либо захватываются плодородным материалом. В FBR более высокий поток нейтронов и энергия позволяют захватывать значительно большую долю нейтронов плодородным материалом. Для каждого потребляемого расщепляющегося атома создается более одного нового расщепляющегося атома - обычно от 1,1 до 1,4 в хорошо спроектированном заводчике.

Преобразование фертильного в расщепляющийся работает следующим образом: Уран-238 (наиболее распространенный изотоп в природном уране, 99,3%) поглощает быстрый нейтрон, чтобы стать ураном-239, который бета-распады в нептуний-239, а затем в плутоний-239 (полужизнь около 23 минут и 2,4 дня, соответственно). Плутоний-239 расщепляется и может поддерживать цепную реакцию. Торий-232, другой плодородный материал, следует аналогичному пути; он поглощает нейтрон, чтобы стать торием-233, который распадается на протактиний-233 и, наконец, на уран-233, отличное расщепляющееся топливо. Ториевый топливный цикл набирает интерес, потому что он производит менее долгоживущие трансурановые отходы и устойчив к пролиферации по отношению к циклу плутония.

Ядро FBR обычно использует смешанное оксидное топливо (MOX: смесь диоксида плутония и диоксида урана), хотя также были протестированы металлическое топливо и карбидное топливо. Платоний для первоначальной загрузки ядра должен поступать из переработанного отработанного топлива LWR или из специализированных производственных реакторов - поэтому многие национальные программы быстрого реактора тесно интегрированы с инфраструктурой переработки.

Преимущества быстрых реакторов для устойчивого развития

Повышение топливной эффективности

LWR извлекают менее 1% энергетического потенциала в добытом уране. Путем обеспечения повторной переработки и использования урана-238, FBR могут увеличить это использование примерно до 60-80%. Это само по себе уменьшает добычу урана и расширяет практическое предложение топлива на протяжении веков, даже при нынешних темпах потребления. С быстрыми реакторами на основе тория потенциал расширяется дальше.

Сокращение объема и токсичности ядерных отходов

Долгоживущие радиоактивные отходы от обычных реакторов состоят в основном из трансурановых элементов (плутоний, америций, кюриум), которые должны быть изолированы в течение десятков тысяч лет. FBR могут быть разработаны для сжигания этих трансурановых веществ в качестве топлива, снижая радиотоксичность и объем конечных отходов. Исследования Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) показывают, что парк быстрых реакторов может сократить отходы высокого уровня, требующие глубокой геологической утилизации, до 90% и сократить его опасный срок службы до нескольких сотен лет. Это напрямую поддерживает ЦУР 12 (Ответственное потребление и производство).

Энергетическая безопасность и независимость

FBR позволяют странам превращать запасы обедненного урана (отходы от обогащения) и запасы тория в топливо. Для стран без богатых урановых месторождений, таких как Индия, FBR могут разорвать зависимость от импортного топлива. В трехступенчатой ядерной программе Индии явно используются FBR для использования его обильного тория. Это согласуется с ЦУР 7 (Доступная и чистая энергия) путем диверсификации источников энергии и обеспечения долгосрочной доступности.

Низкоуглеродная базовая нагрузка

Как и все ядерные реакторы, FBR не выделяют углекислый газ во время работы. Их выбросы жизненного цикла на киловатт-час сопоставимы с ветровыми и солнечными (приблизительно 12 г CO2eq / кВтч). Поскольку они обеспечивают непрерывную, диспетчерскую мощность, они могут дополнять прерывистые возобновляемые источники энергии и помогать декарбонизировать электрические сети, промышленность и даже производство водорода. Это является центральным для ЦУР 13 (Климатическое действие).

Проблемы и соображения

Высокие капитальные затраты

FBR более сложны, чем LWR, с жидкометаллическими системами охлаждения, которые требуют специализированных материалов, насосов и теплообменников. Стоимость строительства исторически была на 20-50% выше, чем эквивалентные LWR. Например, BN-800 пережил годы задержек и перерасхода средств. Однако, по мере роста производственного опыта и улучшения стандартизации конструкции, эти затраты, как ожидается, упадут. Международный форум поколения IV (GIF) стремится коммерциализировать быстрые реакторы к 2030-м годам с экономической конкурентоспособностью.

Безопасность и химия охлаждающих веществ

Охладитель натрия бурно реагирует с водой и экзотермически с воздухом. Утечка натрия может привести к пожарам, как это произошло в Монжу в 1995 году. Конструкторы смягчают это с помощью вторичных контуров охлаждающей жидкости и инертных газовых одеял. Сегодняшние СФР имеют пассивные системы безопасности, такие как самоограничивающие эффекты реактивности и естественное охлаждение циркуляции, которые могут отключать и охлаждать реактор без вмешательства оператора или внешней мощности. Охлажденные свинцом FBR снижают риск пожара, но создают проблемы коррозии и более высоких точек замерзания охлаждающей жидкости. Органы безопасности в России, Индии и Китае лицензировали работающие или почти работающие FBR, демонстрируя, что риски можно управлять.

Озабоченность в связи с распространением

Поскольку ФБР производят и потребляют плутоний, существует риск того, что материал может быть перенаправлен на оружие. Плутоний в отработанном топливе ФБР обычно представляет собой смесь изотопов, которая не идеальна для оружейного класса (высокая концентрация Pu-240), но гарантии распространения по-прежнему необходимы. МАГАТЭ применяет строгие гарантии ко всем гражданским ядерным материалам. Некоторые конструкции, такие как реактор с свинцовым охлаждением, использующий цикл тория, по своей сути производят меньше плутония и имеют уменьшенные векторы распространения. Решения национальной политики в отношении переработки и конфигурации топливного цикла будут определять чистое воздействие нераспространения.

Технологическая зрелость и инфраструктура

В то время как промышленные ФБР работают в России и Франции на протяжении десятилетий, технология еще не является коммерчески стандартной. Только Россия в настоящее время предлагает ФБР на экспорт. Многие страны не имеют необходимых мощностей по переработке и изготовлению топлива. Разработка замкнутого топливного цикла, где отработанное топливо перерабатывается и используется повторно, требует значительных инвестиций и политической воли. Доступность обученного персонала и цепочек поставок остается узким местом.

Вклад в достижение целей устойчивого развития

ЦУР 7: Доступная и чистая энергия

ФБР могут обеспечивать базовую нагрузку электроэнергией при стабильной, предсказуемой стоимости в течение 60 лет жизни конструкции. Компонент стоимости топлива является низким, поскольку первичное топливо ( обедненный уран или торий) является недорогим и обильным. По оценкам МАГАТЭ, мировые урановые ресурсы могут питать ФБР более 2000 лет без переработки отходов, а с переработкой сроки распространяются на десятки тысяч лет. Это обеспечивает доступную энергетическую безопасность для будущих поколений.

ЦУР 9: Индустрия, инновации и инфраструктура

Строительство FBR способствует прогрессу в металлургии, теплогидравлике, химии и робототехнике, особенно для обработки натрия и свинца. Такие страны, как Индия и Россия, разработали обширные промышленные экосистемы вокруг программ быстрого реактора. Эти инновации также распространяются на другие промышленные сектора, такие как материалы для экстремальных условий и передовые приборы. Международное сотрудничество через GIF и двусторонние соглашения ускоряет передачу знаний.

ЦУР 12: Ответственное потребление и производство

Способность ФБР использовать весь урановый ресурс — не только крошечную долю — и сократить объем высокоактивных отходов почти на порядок непосредственно воплощает принципы круговой экономики. Закрытый топливный цикл гарантирует, что большая часть материала, который в противном случае стал бы отходами, превращается в энергию. Это резко снижает экологическую нагрузку глубоких геологических хранилищ и объемы необходимой добычи.

ЦУР 13: Климатические действия

Модели комплексной оценки Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) показывают, что для достижения цели в 1,5 °C, вероятно, потребуется десятикратное увеличение ядерных мощностей к 2050 году. ФБР, обеспечивая почти неисчерпаемое топливо, устраняют ресурсные ограничения, которые в противном случае ограничивали бы расширение ядерной энергетики. Их низкие выбросы в течение жизненного цикла по сравнению с ископаемым топливом и даже возобновляемыми источниками энергии (с учетом землепользования, хранения и резервного копирования) делают их важным инструментом для глубокой декарбонизации.

ЦУР 17: Партнерство в интересах достижения Целей

Развитие ФБР исторически было совместным. Международный форум Поколения IV включает 13 стран, работающих вместе над исследованиями в области быстрых реакторов и топливного цикла. МАГАТЭ обеспечивает техническое руководство и организует скоординированные исследовательские проекты. Развивающиеся страны с местными ресурсами, такими как Индонезия, Иордания и Вьетнам, изучают технологии быстрых реакторов через партнерские отношения с Россией и GIF. Такие партнерства способствуют передаче технологий и наращиванию потенциала.

Будущее быстрых реакторов

Несмотря на десятилетия посадок и запусков, глобальный трубопровод быстрого реактора сейчас более активен, чем когда-либо с 1980-х годов. Российский БН-800 обеспечивает коммерческую мощность и демонстрирует жизнеспособность сжигания излишков оружейного плутония. Ожидается, что индийский ПФБР вскоре станет критическим, после чего Индия планирует построить флот из шести дополнительных ФБР к 2038 году. Китайский CFR-600 строится; планируется две установки, а возможная коммерциализация ожидается к 2030-м годам. В Европе проект ASTRID во Франции был отложен, но частные инициативы, такие как Westinghouse (свинцово-охлажденный LFR) и GE Hitachi (PRISM SFR), продолжают развитие. Япония пересматривает свою стратегию быстрого реактора после Монжу, возможно, перезапуск экспериментального реактора Джойо.

Инновации в топливной облицовке, коррозионностойких материалах (особенно для конструкций с охлаждением свинца), а также передовые приборы и управление делают FBR более безопасными и экономичными. Также изучаются малые модульные быстрые реакторы (SMFR) мощностью до 50 МВт, которые могут открыть новые рынки в отдаленных районах и для промышленного тепла. Ториевый топливный цикл, который по своей сути больше подходит для быстрых реакторов, чем для тепловых реакторов (где разведение неэффективно), привлекает новый интерес со стороны таких стран, как Индия и Канада.

Ключом к широкому развертыванию будет сочетание политической воли, общественного признания и экономической жизнеспособности. Ценообразование на выбросы углерода, механизмы зеленого финансирования и признание преимуществ сокращения отходов могут наклонить экономическое уравнение. По мере усиления неотложности изменения климата потенциал FBR для закрытия ядерного топливного цикла и обеспечения практически неограниченной чистой энергии может, наконец, быть слишком хорошим, чтобы его игнорировать.

Заключение

Реакторы быстрого размножения не являются серебряной пулей, но они являются мощной стрелой в колчане устойчивых энергетических технологий. Их способность умножать топливные ресурсы, резко сокращать отходы и обеспечивать низкоуглеродную базовую нагрузку позиционирует их как ключевой фактор для достижения нескольких целей в области устойчивого развития. Проблемы - затраты, безопасность, распространение - реальны, но управляемы, как продемонстрировал десятилетия оперативного опыта в нескольких странах. С продолжением исследований, международного сотрудничества и разумной политики FBR могут перейти от нишевой технологии к опорной точке энергетических систем 21-го века. Достижение ЦУР без них было бы гораздо сложнее.

Для дальнейшего чтения: Страница технологии быстрых реакторов МАГАТЭ; Всемирная ядерная ассоциация — реакторы на быстрых нейтронах; IV поколение — Международный форум — реакторы на быстрых нейтронах.