В России изобрели вечный двигатель  19

Энергетика

20.10.2022 22:00

Борис Марцинкевич

7549  10 (12)  

В России изобрели вечный двигатель

Как так случилось, что в Евросоюзе атомную энергетику зачислили в разряд зеленых технологий и какие такие перспективы это открывает перед Росатомом?

Вот уже год тому как сплошная международная панорама — в мире действительно раскручивается, все мощнее и активнее, небывалый никогда ранее энергетический кризис, внезапных новостей со всех сторон реально выше головы. Оценка кризиса не моя, а недавно ушедшего в мир иной генерального секретаря ОПЕК — он был уверен, что кризис 1974 года, всемирный нефтяной, и в подметке не годится тому, что началось в третьем квартале прошлого года.

Да, полсотни почти уже лет тому назад все выглядело весьма драматично — стоимость нефти за полгода подскочила в четыре раза. Это тогда ведь голландцы пересели на автомобили, в ФРГ запретили автомобильную езду по выходным дням и так далее. Но тогда взлетели цены только на нефть и, соответственно, на нефтепродукты.

А летом 2021 года дорожать стало все подряд — росли котировки нефтяных фьючерсов, в горние выси стартовали цены природного газа, им в затылок дышали и дышат цены на уголь и, как следствие, практически неконтролируемо растут тарифы на конечную продукцию переработки энергетических ресурсов — на тепловую и на электрическую энергию.

В нашем 21-м веке это означает отложенный спурт цен на все остальное от слова «вообще» — растут цены на продукты питания, на продукцию химической переработки, лезут, как тесто на дрожжах, цены в черной и цветной металлургии, стоимость сельскохозяйственных удобрений превращает их едва ли не в ювелирные изделия. Нет, 70е прошлого века — это летний бриз на фоне девятибального шторма, прав был и остается Мохаммед Баркиндо, мир праху его.

И вот на фоне всего этого буйства событий, калейдоскопа новостей из всех волостей энергетика атомная потихоньку превратилась в своеобразный островок стабильности — кроме порции глупостей от руководства Чехии с Финляндией никаких сенсаций, и даже односторонние дискриминационные санкции, по количеству которых Россия внезапно обошла многолетнего лидера в лице Исламской Республики Иран, Росатом в частности и атомной отрасли вообще как-то не касаются, да и все тут. Что такое, как же так, почему так, а не иначе и что тут вообще происходит-то? И подумалось: раз уж журналисты ДеньТВ интересуются таким удивительным морем спокойствия, то мне точно не грех отвлечься от бесконечной международной газово-нефте-угольной панорамы и попробовать хотя коротенько перебрать события в атомной энергетике, тем сердце и успокоится. Не ждите сегодня жареных фактов — придержим коней, оставим на следующий заход.

Атомный позитив

Атомно энергетических новостей на самом деле было много — на столько, что я уже и не очень понимаю, с чего именно начать. Впрочем, нет — вру, поскольку 22 сентября этого года произошло событие, значение которого сложно переоценить, зато совершенно обоснованно можно и нужно называть знаковым, важным, рубежным.

Строки новостных сообщений были, впрочем, до предела скупы: «Энергоблок № 4 Белоярской АЭС с реактором БН-800 впервые выведен на 100%-ный уровень мощности при полной загрузке активной зоны МОКС-топливом. Реактор успешно прошел стадию технологического перехода на инновационное топливо и готов нести полную загрузку».

Потрясающая новость! Ага, все верно — ёрничаю я, подтруниваю, подкалываю и даже иронизирую. Иронизирую по поводу того, что нашенские большие СМИ палец о палец не желают ударить для того, чтобы пояснить всем тем, кто не живет по уши в атомной теме, что же такое случилось-то. Ну, а то, что не до подробностей, не до разжевывания отраслевым СМИ Росатома, вообще понятнее некуда — наши атомщики шагали к этому событию без малого полвека, им бы отметить такое достижение, а не вспоминать все с уровня «И создал Бог небо и землю, и сказал он, что это хорошо».

Слова Библии я наверняка переврал, искренне прошу прощения у всех, кого эта вольность задела — новость уж больно приятная, так что простите, люди добрые и в комментариях, если нужно, всенепременно поправьте. А я, с вашего позволения, подпоясавшись кушаком терпения, попробую растолковать, о чем, собственно, речь идет и почему это праздник на нашей атомной улице. Бегом-бегом, без формул, без научной детализации, крайне схематично.

Немного теории

Что мы помним про атомную энергетику из школьного курса физики-то? Свободный нейтрон врезается в атом урана, тот из-за этого удара разваливается на две части, при этом на свободу вырываются уже два новых нейтрона, которые ударяют уже по двум новым атомам урана, в результате получается четыре свободных нейтрона... Как-то так ведь, не правда ли?

Все, в общем-то, верно, вот только есть несколько чрезвычайно важных моментов. Вот такому цепному делению подвержены только те атомы урана, у которых в ядре нечетное число нуклонов. Нуклоны — это общее название для протонов и нейтронов, для чего это название физикам потребовалось — отдельный и долгий разговор.

В основном изотопе урана этих самых нуклонов — 238 штук, то есть никакого цепного деления в стиле 1 — 2 — 4 — 8 — 16 с таким ураном не получится в принципе. Атом с числом нуклонов на 1 больше — это уже не уран, 239 нуклонов — это уже ядро плутония, так что это тоже немного не то, про «немного» — чуть позже.

Если из ядра урана-238 каким-нибудь способом украсть 1 нейтрон, получим уран-237, нечетное число нуклонов и вроде как должен быть подходящим. Но кто сказал, что в атомной, ядерной, квантовой физике все так просто-то? Период полураспада урана-237 — всего 6,75 дней, меньше семи суток. То есть вот лежит перед нами кусок урана-237, а через неделю этот кусок — бац, и уменьшился в два раза. Утрирую, конечно, но с таким веществом работать дико неудобно.

У основного изотопа, урана-238 период полураспада — 4,5 млрд лет, вот тут уж точно никуда торопиться не надо, тут все стабильно. Ладно, с ураном-237 получается не получается, вычеркиваем. Крадем из ядра урана-238 еще один нейтрон, получаем уран-236 и тоже сразу вычеркиваем — четное число нуклонов, не годится такое.

Крадем третий нейтрон, получаем уран-235 и сразу смотрим на период полураспада, грубо — на срок его жизни. Оба-на — 700 миллионов лет, то есть это и есть наш клиент, с ним вся наша атомная энергетика и работает. И вот тут вылезает еще одно толстое обстоятельство — этого изотопа, урана-235, в природном уране, который мы тем или иным способом из-под земли извлекаем, всего 0,711%.

Давайте то же самое на пальцах еще разок. Богатой урановой рудой считается та, в которой урана больше 0,1%. Извлекаем тонну руды, в ней — 999 кг никому ненужных примесей, урана 238 — всего-навсего 1 килограмм. Но в нем нужного, необходимого атомной энергетики — те самые 0,7%, то есть вообще какие-то крохи, разнесчастные 7 грамм. И автоматически возникает вопрос — а стоит ли овчинка выделки-то?

Выгрести из урановой шахты тонну породы и получить из нее 7 грамм полезного вещества — это, простите, не перебор? Но бородатые в белых халатах, слыша такой вопрос, только пальцем у виска крутят, поскольку из грамма урана энергии можно извлечь столько же, сколько мы умеем извлекать из 90 тысяч граммов угля. Кило ядерного топлива — эквивалент 90 тонн угля, то есть полтора стандартных железнодорожных вагона, и этим все сказано. Никакой химической реакции горения, никаких угарных газов, никаких гигантских складов, золы, шлака и прочих прелестей, от которых господа экологи шипят, что сатана от святой воды. Потому, при всей трудоемкости по производству ядерного топлива, ответ известен: атомной энергетике — быть! Да, для особо любопытных добавлю: 1 кило ядерного топлива — эквивалент 60 тонн нефти, так что и в этом случае ответ точно такой же: атомной энергетике — быть.

С одним нюансом разобрались, двигаемся дальше. Для того, чтобы цепная реакция с алгоритмом 1-2-4-8-16 шла без проблем, братьям-физикам маловато тех самых природных 0,7% урана-235, им вынь, да и положи обогащение по содержанию этого изотопа никак не менее 3%, то есть в четыре с лишним раза больше, чем в природном уране.

Есть, конечно, всевозможная тяжеловодная экзотика, но она в мировой атомной энергетике погоды точно не делает. Тут как бы должен следовать подробный рассказ о том, какими способами достигается повышенное содержание урана-235, но об этом я, во-первых, уже рассказывал, во-вторых, главный герой сегодняшнего рассказа — вовсе не уран-235.

Скажу коротко — обогащать уран, то есть наращивать в нем количество, процентное содержание урана ученые, конструкторы и инженеры научились достаточно давно. Что остается на выходе таких вот заводов по обогащению урана? Тут никаких диаграмм Фейнмана не требуется, вполне достаточно здравого смысла. На входе на технологическую линию завода по обогащению поступает природный уран, в котором урана-235 — те самые 0,7%, на выходе — уже не очень природный уран, поскольку урана-235 в конечной продукции в обычных случаях около не 3, а целых 5%.

Все, больше об этом не думаем — ушел этот обогащенный уран на дальнейшую переработку, на прессование топливных таблеток, на производство твэлов и ТВС. Но на том же обогатительном заводе остается еще и исходное сырье — уран-238, из общей массы которого атомщики постарались вытащить весь уран-235. Такой уран, в котором содержание урана-235 меньше, чем в природной руде, атомщики так и называют — обедненный.

Физики — не химики, с названиями на латыни не изощряются. Уран, в котором урана-235 больше, чем в природном — обогащенный, а уран, в котором урана-235 меньше, чем в природном — обедненный, так что любой школьник может уверенно считать, что разобраться в атомной энергетике — вообще без проблем. Обогащенный уран уходит в дело, обедненный уран горами валяется на складах заводов по обогащению — такова, простите, «се ля ва».

Оно, конечно, можно было бы тупо выбросить — радиоактивность обедненного урана в те же 5-7 раз ниже, чем у урана природного, бояться нечего. Но, блин, мы ведь все отлично знаем, что самое страшное в мире животное — это жаба, поскольку она огромное количество народу передавила...

Уран где-то там, в дальних уголках из-под земли извлекли, от пустой породы очистили, за несколько тысяч верст на обогатительные заводы доставили — и теперь взять и выбросить? Поллитру. Разбить. Вдребезги. Да я тебя!..

Нет, это не наш метод, проклятый расхититель социалистической собственности. Ничего не выкидываем — пусть лежит, а мы будем думу думать, как его, обедненный уран, к делу приспособить. Тем более, что довести содержание урана-235 до абсолютного нуля никак не получается, хоть ты тресни. Если обогащение идет по европейской технологии — в отвалах обедненного урана изотопа-235 целых 0,3%, после нашенских газовых центрифуг — 0,1%, но ведь все равно не нуль!

В общем, попытки сопротивляться жабе успехом не увенчались нигде, кроме такой дикой страны, как США — там из обедненного урана умудрялись наконечники для бронебойных снарядов делать. Дикари, что с них взять.

Продолжаем продолжать разбираться в нюансах. Уран-238, как я уже сказал, в цепных реакциях деления участвовать отказывается — гордый он, не согласен он на такое унижение. Но есть у него одно удивительное свойство: время от времени он неохотно, лениво, но соглашается принять внутрь своего ядра дополнительный протон.

Нуклонов становится на 1 больше, но это уже другой химический элемент, который всем нам хорошо известен — это плутоний-239, самое лучшее, самое качественное вещество для создания ядерного и термоядерного оружия. Об этом свойстве урана-238 ученые-атомщики, само собой, хорошо знают — иначе бы мир не познакомился со взрывами над Нагасаки, со слойкой Сахарова, с Царь-Бомбой над Новой Землей.

Полный объем технологических изощрений по созданию плутония-239 нам с вами никто никогда не расскажет — если вы, конечно, не получили образование в одном из наших ядерных вузов и не отправились на работу в то подразделение Росатома, которое называется ЯОК, ядерный оружейный комплекс. Но грубое описание никто не запрещает.

Нужно запустить цепную реакцию деления ядер урана, дождаться точно вычисленного момента, когда в куске урана с повышенным содержанием урана-235 наберется максимально возможное по физическим законам количество плутония-239 и выдернуть этот кусок урана из активной зоны, чтобы с бешеной скоростью отправить его на радиохимический завод, где специальные люди специальными методами все атомы того плутония-239 аккуратно выделят, соберут в кучку и опять отправятся к высшему руководству страны клянчить строительство пролива имени Игоря Курчатова.

Такой способ создания атомного, ядерного и термоядерного оружия оказался исторически первым, а использование именно плутония-239 дает наилучший результат. Ой, если кому-то вот такой тон рассуждений кажется излишне циничным — вы уж меня снова извините, так просто быстрее получается. Кому нужно — добавьте слова про гуманность, человеколюбие и прочее по собственному вкусу, я не возражаю.

В чем сила, брат?

Реакторы, на которых нарабатывался плутоний-239, называются реакторами-наработчиками — какая неожиданность, не правда ли? И вот тут мы переходим к третьему нюансу атомной энергетики, постепенно приближаясь к расшифровке новости, с которой я начал. Напрягаем воображение, дабы представить, что происходит в активной зоне реактора.

Пусть обогащение по урану-235 у нас 5%, тогда в активной зоне на каждую тонну загруженного свежего топлива имеем 950 кило урана-238 и 50 кило — урана-235. И вот тут физик-ядерщик просто обязан подойти к зеркалу и внимательно присмотреться к собственной физиономии, чтобы ответить на вопрос: я создатель ядерного оружия или же я — атомный энергетик?

В первом случае все ясно: берешь в руки совершенно секретный секундомер, чтобы во время выдернуть блочок урана с максимальным количеством плутония-239 и вперед, за орденами.

Да, еще один, сугубо субъективный момент, чтобы с моим моральным обликом все было понятно. Вот эти ребята с секундомером, с забегами от реактора до радиохимического цеха и есть самые главные, самые нужные России люди — я в этом убежден, как православный — в верности «Отче наш».

У тех, кто правит Западом, есть всего два основных инстинкта — жажда наживы и страх смерти, все прочие чувства для них вторичны и третичны. И когда наша с вами страна пошла на то, чтобы присоединиться к запрету всех видов ядерных испытаний — она, на мой взгляд, совершила большую ошибку.

Этот запрет привел к исчезновению наглядности мощи ядерного и термоядерного оружия, результатом чего стало исчезновение у западников страха. Мы зачем над ними издеваемся-то, мы ведь их основного инстинкта лишили, а это совершенно антигуманно.

Снижение уровня страха перед мощью термоядерного оружия дало крайне ядовитые всходы — возможность разнести вдребезги и пополам Югославии, Ирака, Ливии, Сирии, привело к событиям, разворачивающимся на территории бывшей УССР. Наглость и дерзость коллективного Запада — это следствие нашего согласия на запрет проведения ядерных испытаний, господа и товарищи.

Не нужен нам этот запрет, возвращение к славным традициям первых лет атомной эры — назревшая необходимость. Новая техника, все эти беспилотники и прочие квадрокоптеры позволяют со всеми подробностями снимать и показывать образование грибов термоядерных взрывов, ударной волны, сноса всевозможных укреплений, горящих зданий и техники, переворачивающихся кверху пузом кораблей.

Эти картинки должны вернуться в эфир всех телестанций, их нужно показывать, как можно чаще. Не только то, как «Сарматы» с Камчатки прилетают на Новую Землю, но и то, как срабатывают их боевые заряды — со всей разрушительной мощью, во всех подробностях.

Высший гуманизм — это не мы за мир во всем мире, а «Зачем нам мир, в котором нет России» не в качестве философского размышления, а в качестве служебной инструкции в наших с вами РВСН.

Высший гуманизм — это люди, у которых палец на дистанционном взрывателе не задрожит от ложного чувства гуманизма. Хотите мира — готовьтесь к войне, и все эти западные стратеги должны всеми фибрами своих гнилых душонок понимать: Россия готова к войне, после которой следующие войны будут вестись деревянными дубинами.

Ничего другого, кроме животного страха, на эту публику не действует — это просто медицинский факт. Так что будьте добры, верните нам возможность проводить ядерные испытания с изделиями самой разной мощности, верните нам возможность во всех подробностях снимать эти испытания, возможность показывать всем и каждому логическое завершение бряцания оружием.

Только тогда при одной мысли построить базу НАТО в Прибалтике или под Киевом — диарея с энурезом, липкий пот на лбу и трясущиеся руки. Это и есть высшая форма гуманизма, а все прочее — от лукавого. Разумеется, это всего лишь мое личное мнение, но не вижу повода его скрывать. Если что — готов к дискуссии и еще раз извините за лирическое отступление от основного рассказа.

Так вот, про физика-ядерщика у зеркала. Если в зеркале — атомный энергетик, то задача у него совершенно иная, на плутоний-239 не завязанная. Задача — извлечь из урана-235 все крохи энергии, досуха, до последней капли. На научном жаргоне — необходимость добиться максимального выгорания ядерного топлива, добиться того, чтобы в управляемой реакции деления поучаствовал весь запас урана-235, желательно — до последнего атома.

Только в этом случае будет получен максимальный экономический эффект — весь уран, который из-под земли извлекали, от пустой породы очищали, по урану-235 обогащали, топливо фабриковали, совершит полезную работу, отдав все свои запасы энергии.

Первое следствие очевидно — топливная сессия, то есть период времени, в течение которого ядерное топливо находится в активной зоне, должен быть максимальным.

Второй вывод чуть сложнее — о нарастающем по мере выгорания урана-235 дефиците свободных нейтронов, но и тут вполне хватает обычной логики: много делящихся атомов — много свободных нейтронов, чем меньше количество актов деления — тем меньше образуется свободных нейтронов.


И вот тут вылезает еще один нюанс, с которым нельзя не считаться. Ядра атомов урана-235 делятся при попадании в них нейтронов, движущихся с любой скоростью — как быстрых, так и медленных.

Но вот те самые ядра урана-238 лишний нейтрон принимают внутрь себя тем активнее, чем быстрее нейтрон, а это уже не хорошо — такое поглощение нейтронов увеличивает их дефицит, у ядер урана-235 все меньше поводов для цепной реакции деления.

Единственный логичный вывод — скорость нейтронов нужно каким-то образом снижать, при этом не снижая их количество. Как замедлить движение мечущегося шарика? Подставлять под его удары препятствия, от которых он будет отскакивать: удар — скорость ниже, еще удар — еще один шажок по снижению скорости.

На обычном уровне вроде бы ничего сложного, а вот на уровне субатомных частиц задача далеко не тривиальная: нужно подобрать химический элемент, ядра атомов которого будут оставаться строго равнодушными по отношению к мечущимся свободным нейтронам. Собственно, таких химических веществ всего два — вода и графит.

Вода — потому что в составе ее молекул имеются атомы водорода, поскольку ядро атома водорода состоит ровно из одного протона, куда уж тут свободные нейтроны-то поглощать. Но хронологически первым замедлителем для свободных нейтронов был именно графит — с твердым веществом работать легче, сконструировать активную зону так, чтобы из нее было удобно вырывать блочки уранового топлива с максимальным количеством плутония-239 оказалось куда как легче, чем с водой.

Соответственно, именно уран-графитовыми были и реакторы самых первых АЭС — натренировавшись в работе с урановым топливом в военных целях, физики продолжили эту работу и в мирных целях. Но судьба уран-графитовой технологии оказалась, как известно, не удачливой — взорвавшийся реактор Чернобыльской АЭС был именно уран-графитовым.

В результате победа реакторов водно-водяных стала окончательной и бесповоротной — в настоящее время новых уран-графитовых реакторов не строит ни одна страна мира, а работающие поэтапно, по мере выработки сроков, выводят из эксплуатации окончательно и бесповоротно.

Водно-водяной реактор — двойное название, причем дважды используется слово «вода». Причина — тоже не бином Ньютона ни разу, вода в активной зоне такого реактора выполняет сразу две функции.

Первая — замедление свободных нейтронов, что обеспечивает максимальное выгорание топливо, то есть максимальное количество ядер урана-235 успевает поучаствовать в цепной реакции деления.

Вторая функция воды в таких реакторах — снятие температуры, вода и используется для того, чтобы реакция деления становилась источником энергии.

Фраза «Уран-235 отдает свою энергию» как бы оборвана на середине — чему и как уран отдает энергию-то? Энергия нагревает воду, которая под серьезным давлением протекает стремительным потоком вдоль трубок твэлов. Давление приходится держать выше 300 атмосфер, что тоже понятно — ведь при обычном давлении вода закипает при 100 градусов Цельсия, превращаясь в пар, а в активной зоне вода нужна именно как жидкость.

Из активной зоны водно-водяного реактора вода выходит с температурой 328,6 градуса — на 200 с лишним градусов выше обычной температуры давления. Эту сверхгорячую воду отправляют в теплообменник — трубки со сверхгорячей воды буквально переплетены с трубками, по которым движется вода под обычным давлением. Этого вполне хватает, чтобы вода второго контура вскипела, превратилась в пар, который и отправляют на турбину, вращение которой и обеспечивает выработку электрической энергии.

Как только появилась технология ВВЭР — так сразу физики-ядерщики и заинтересовались, что остается в твэлах по окончании топливной сессии, то есть после того, как в твэлах выгорел почти весь уран-235.

Для начала — как бы ядерщики ни старались, почти 1% урана-235 так и не успевает выгореть. Тот самый случай — чем меньше урана-235, тем меньше образуется свободных нейтронов, и цепная реакция деления прекращается сама по себе. Обидно, но ничего не поделаешь.

Но еще интереснее складывается ситуация с образованием плутония — хоть вода и замедляет свободные нейтроны, но забрать скорость у всех таких нейтронов не получается. И часть вот этих быстрых нейтронов таки успевает добраться до ядер урана-238, тем самым превращая его в плутоний-239, но и тут есть очень важный нюанс, благодаря которому реакторы ВВЭР ни при каких обстоятельствах не могут стать источником оружейного плутония, источником материала для ядерного оружия.

Ядерщикам-энергетикам нужна вся энергия урана-235, потому он находится в активной зоне максимально возможное количество времени — топливная сессия современного ядерного топлива продолжается уже два года. И такого длительного промежутка времени оказывается достаточно для того, чтобы в урановом топливе накапливался не только оружейный плутоний-239, но и еще два его изотопа — плутоний-240 и плутоний-241.

В мире нет технологий, которые позволяли бы отделить друг от друга изотопы, которые отличаются друг от друга всего на один нейтрон, потому, на научном жаргоне, ОЯТ содержит энергетический плутоний — в нем приблизительно по 1/3 плутония-239, 240 и 241. Ну, а плутоний с четным номером, то есть с четным числом нуклонов в ядре, делает энергетический плутоний неприменимым для создания ядерного оружия.

Вот такой встроенный, обусловленный фундаментальными физическими законами, предохранитель, не позволяющий использовать атомные энергетические реакторы для производства ядерного оружия.

Нет, конечно, энергетический плутоний вполне подходит для создания так называемой грязной ядерной бомбы, так ведь и без него грязные бомбы из ОЯТ делать можно — это та самая причина, по которым спички детям не игрушка, почему совершенно не разумно оставлять в руках киевского режима реакторы Южно-Украинской, Ровенской и Хмельницкой АЭС, не говоря уже про Запорожскую.

Тем не менее, физики-ядерщики достаточно быстро выяснили, что энергетический плутоний весьма полезен — несмотря на примеси лишних изотопов, плутоний-239 способен на участие в той самой цепной реакции деления, которая тоже вполне может быть контролируемой, то есть использоваться для целей атомной энергетики.

В ОЯТ реакторов типа ВВЭР содержание энергетического плутония — тоже почти 1%, как и невыгоревшего урана-235. 1 процент и 1 процент — это уже два процента, два процента делящегося материала, что в три раза выше содержания делящегося материала в природном уране.

Уже этого достаточно для того, чтобы признать ОЯТ не отходами, а весьма ценным материалом, потому если слышите, что какой-нибудь журналист или любой другой комментатор расшифровывает аббревиатуру ОЯТ как «отходы ядерного топлива», вы можете быть уверены — перед вами либо дурак, либо провокатор. Если энергетический плутоний — полезная штука, то дальше идеи физиков-ядерщиков вполне логичны: нужно научиться извлекать из ОЯТ и не догоревший уран-235, и этот самый энергетический плутоний.

В комплекте эти два вещества — вполне себе новое ядерное топливо, нужно только уметь его готовить. Первыми технологию производства такого топлива освоили французы, но вот название такое топливо получило почему-то английское — MOX, mix oxid fuel. Из ОЯТ отдельно извлекают остатки урана-235, отдельно — образовавшийся энергетический плутоний, то и другое соединяют с атомами кислорода. Французские атомщики научились использовать МОКС-топливо в обычных водно-водяных реакторов — после дополнительной модернизации эти реакторы выдерживают до 30% МОКС-топлива.

Именно выдерживают — у свободных нейтронов, образующихся при делении энергетического плутония характеристики совершенно иные, чем у свободных нейтронов, которые дают атомы урана-235. Не самый лучший вариант, поскольку МОКС-топливо по себестоимости куда как дороже стандартного уранового, но, тем не менее, МОКС-топливо использовалось и используется достаточно активно.

Причина — в том, что извлечение делящихся материалов из ОЯТ облегчает нагрузку при его дальнейшей переработке, логика тоже понятна: чем меньше в ОЯТ делящихся материалов, тем проще с ним работать. Ну, а сами французы так и вовсе оказались в двойном шоколаде: те же японцы за деньги отправляли им на переработку свое ОЯТ, да еще и платили и платят за то, что французы из этого давальческого сырья производили для них МОКС-топливо. При этом стоит помнить и о том, что технологии переработки ОЯТ не только весьма дорогостоящие, но еще и уникальные по своей сложности.

Был завод по переработке в Англии — закрыли, не потянули, был завод в Германии — тоже закрыт. Ну, а круче всех повели себя американцы — этим ковбоям бы только коров по прериям гонять, а не в атомную энергетику нос совать, прости госпыди. В Штатах еще в 70-е годы появился закон, объявивший ОЯТ высокорадиоактивными отходами — вот и вся любовь.

Никакой переработки, только геологическое захоронение — мы, политики, так решили, чтобы изящно прикрыть несостоятельность собственных физиков-ядерщиков. Закон есть, с тех времен все компании, владеющие АЭС, аккуратно отстегивали часть прибыли в фонд, который должен был финансировать технологии этого самого геологического захоронения, результат тоже известен: хранилища нет, а деньги куда-то потерялися.

Речь, между прочим, идет о десятках миллиардов долларов, суды владельцев АЭС с их собственным правительством длятся десятки лет — никому не скучно, но в этой напряженной обстановке заниматься какими-то там новыми атомными технологиями мистерам ковбоям просто недосуг.

Но на использовании МОКС-топлива в качестве добавки, присадки к обычному ядерному топливу в обычных реакторах научная мысль останавливаться не захотела, причина — вполне себе экономическая: грамм плутония дает энергии столько же, сколько 4 тонны угля.

По этой причине были активизированы работы по созданию и эксплуатации реакторов на быстрых нейтронах — это реакторы, где в активной зоне нет никаких замедлителей, то есть свободные нейтроны движутся с той скоростью, какую получили в момент распада ядра делящихся материалов. Основная идея — вовлечь в оборот тот самый обедненный уран-238, количество которого в мире исчисляется сотнями тысяч тонн.

Почему так много? Да по военным причинам, как водится. Уран, в котором изотопа урана-235 больше 90% — это оружейный уран, с действием которого жители Хиросимы познакомились в августе 1945 года и не сказать, чтобы сильно этому обрадовались. Все ядерные державы нарабатывали оружейный уран, потому и объемы обедненного урана-238 весьма и весьма значительные. Энергетический плутоний дает куда более плотный поток быстрых свободных нейтронов, чем уран-235, и это дает возможность вовлечения урана-238 в деловой оборот.

Идея проста: МОКС-топливо, никаких замедлителей, в результате интенсивность поглощения свободных нейтронов ядрами урана-238 вырастает кратно, а на выходе — тот самый энергетический плутоний, то есть новое ядерное топливо. Красиво, что и говорить. Запасов урана-238 в мире много, очень много. Его уже не нужно извлекать из подземных кладовых, возиться с очисткой от пустой породы, с транспортировкой — вот он, горами лежит рядом с обогатительными заводами. Если удастся вовлечь весь этот запас обедненного урана, нового ядерного топлива хватит, приблизительно, где-то так на 3 000 лет, если спрос на электроэнергию не будет расти слишком уж стремительно.

Но красота, как известно, страшная сила. Не замедлять свободные нейтроны, но при этом надежно снимать температуру, то есть энергию деления ядерного топлива — очень нетривиальная задача. Все варианты с легкими химическими элементами отпали сразу — они замедляют нейтроны, не подходят по определению.

Подходящими оказались следующие материалы: ртуть, жидкий натрий, жидкий свинец, жидкий висмут и смесь жидкого висмута с жидким свинцом. Это металлы, потому есть и плохой момент, и хороший. Плохой понятен: не так просто держать металл в расплавленном состоянии. Хороший — металлы могут уносить из активной зоны реактора куда как более серьезные температуры, то есть нет нужды возиться с давлениями в 300 с гаком атмосфер.

Ртуть отпала тоже почти сразу — токсичность зашкаливает, справиться с ней никаких возможностей нет. Следующим кандидатом стал жидкий натрий, реакторы с таким теплоносителем нам хорошо известны — они имеют аббревиатуру БН, быстрый, натриевый. БН-350, БН-600, БН-800, где числа — электрическая мощность в мегаваттах.

Что с ними сложного? Совершенно иная радиационная нагрузка на все конструкционные материалы — поток нейтронов, как я уже сказал, в разы интенсивнее. Химические свойства натрия, который в жидком виде вспыхивает при соединении с кислородом просто мгновенно и с огромной температурой. Это стало причиной того, что с технологией не справились, двоеточие: в Штатах, во Франции и в Японии.

Наш первый быстрый реактор БН-350 получился вполне себе ничего, но аварий с утечками натрия на нем было немало. Учились, тренировались, добивались максимальной безопасности, но при этом умудрились забросить разработку производства МОКС-топлива, так что в активных зонах БН-350 и БН-600 работает урановое топливо, разве что с более высоким, чем обычно, содержанием урана-235.

БН-800, на сегодня самый новый из быстрых натриевых, спроектирован был еще в 1994 году, то есть основной объем работ был выполнен в советские времена. Что дальше? Святые 90-е, когда денег реально не было и черт его знает, как мы тогда вообще продержались. А дальше все по привычным алгоритмам: не было бы счастья, да несчастье помогло, а тот, кто нам мешал, тот нам и помог.

В 2000м Россия и Штаты подписали СОУП, в 2011 его ратифицировали. Суть соглашения — каждая из стран утилизирует по 34 тонны оружейного плутония, а наши физики-ядерщики убедили заокеанских коллег, что единственный надежный способ утилизации — отправить этот плутоний-239 в МОКС-топливо, МОКС-топливо заправить в активную зону реактора и спалить в цепной реакции деления.

Американцы кивнули, в ответ на фразу «Но у нас денег нет», с легкостью отворотили левую полу сюртука — «С деньгами и у нас не очень, но доллары имеются». Вот тут карта и пошла, что называется. В 2015 году БН-800 был принят в эксплуатацию, одновременно сразу несколько подразделений Росатома осваивали производство МОКС-топлива.

Начинали самые опытные по части переработки ОЯТ и производства новых видов топлива — «Маяк» в Озерске и НИИАР в Димитровграде, и первые партии МОКСа были изготовлены действительно из оружейного плутония. Ну, не сильно много — в стартовой загрузке МОКС-топлива было всего 16%. Число 16 оказалось роковым — не для нас, а для американцев.

В 2016 стало окончательно ясно, что Штаты освоить технологию производства МОКС-топлива и строительства быстрых реакторов просто не способны — ну, не шмогла я, не шмогла. Путин был прост: СОУП приостанавливаем до той поры, пока коллеги не сообщат, что они хоть чему-то научились. Американцы немного повизжали по этому поводу, но реально возразить было нечем — заткнулись и делают вид, что чертовски заняты и и не до этого им сейчас. Спецы Росатома только хмыкнули и приступили к освоению технологии производства МОКС-топлива уже из энергетического плутония, извлеченного из ОЯТ.

Оружейный плутоний лежит себе на складах, так что насчет того, чтобы производить новое, более совершенное ядерное оружие вопрос у нас не стоит — все в полном порядке. После того, как технология стала выходить на промышленный уровень, производство МОКС-топлива сосредоточили в Железногорске Красноярского края, на ГХК, в знаменитой и очень секретной «Скале».

Наращивали объемы производства МОКС-топлива и плавно, без суеты, увеличивали количество МОКС-топлива в активной зоне БН-800. Атомная энергетика суеты не терпит, безопасность здесь не на первом, а на нулевом уровне, потому спешки не было.

В январе 2021 после очередной перегрузки МОКС-топлива в активной зоне было уже 33%, в январе 2022го — 66%, две трети. В конце июня реактор БН-800 был остановлен для проведения ППР, и вот после него активную зону загрузили МОКС-топливом на все 100%.

В начале сентября блок включили в сеть, постепенно наращивали мощность, и вот 22 сентября произошло то, к чему так долго шли — реактор выведен на 100% уровень мощности полностью на МОКС-топливе, перед этим 300 часов проработав на отметке 85% проектной мощности. Никаких замечаний, все нейтронно-физические характеристики соответствуют проектным.

До замыкания ядерного топливного цикла расстояние все меньше, развитие технологии выходит на конечную стадию и лично у меня есть шанс увидеть это при моей жизни, чему я несказанно рад. Чего не хватает? Пока в активной зоне нет стержней с обедненным ураном-238 — стоят металлические, задача которых — отражать свободные нейтроны обратно в активную зону. Последние проверки, последние испытания...

Что будет, если замечаний не последует и в этот раз? В активной зоне появится обедненный уран-238 и тогда, наконец, состоится технологическое чудо — коэффициент восстановления делящегося материала превысит единицу. Грубо: погружаем в активную зону в виде МОКС-топлива тонну делящихся материалов (энергетический плутоний и уран-235), а по окончании топливной сессии извлекаем делящихся материалов в количестве 1 тонна 200 килограмм. За время выгорания МОКС-топливо будет обеспечивать такой поток свободных нейтронов, что в стержнях с ураном-238 успеет образоваться новый объем плутония-239, в которого будет больше, чем урана и плутония в исходном МОКС-топливе.

А дальше по схеме: извлекаем этот оружейный плутоний, добавляем в МОКС-топливо обедненный уран-238, снова загружаем в активную зону, снова получаем прирост делящихся материалов — и так следующие 3 тысячи лет.

Сколько будет продолжаться начавшаяся последняя стадия проверки технологии? Молчат физики-ядерщики, но улыбаются хитро — есть надежды, что все пройдет штатно. Молчат еще и потому, что в ближайшее время на оценку научного совета Росатом будет вторично предложен проект реактора БН-1200 — с первого захода проект завернули, выявив недочеты, которые конструкторы должны придумать, как устранить.

Главная задача — экономика БН-1200 должна быть на том же уровне или выше, чем экономика ВВЭР-1200. Не стоят наши атомщики на месте — шаг за шагом двигаются к замыканию топливного цикла, и эта цель все ближе. И вот, как на духу — лично мне эти события, о которых столь скупо рассказывают большие СМИ, кажутся куда как более интересными, занимательными, захватывающими, чем все новости от этих фон дер Макронов с Урсулой Шольц или как их там. И по большому секрету — то, о чем я сегодня позволил себе вам рассказать, далеко не единственная новость от нашего Росатома.

Буду ориентироваться на ваши комментарии, уважаемые зрители и слушатели: пойму, что и вам это интересно — с удовольствием продолжу. Про реакторы малой мощности плавучие и наземные, про БРЕСТ-300, про то, как движутся проекты у нас в России и за рубежом.

Заодно и поговорим о том, какие атомно энергетические перспективы есть у той Европы, у Штатов, о том, как Китай умудрился обойти Росатом по одному из направлений развития атомных технологий и что нужно бы сделать для того, чтобы вернуть себе лидерство и в гелиевых высокотемпературных реакторах. Ну, а если интереса нет — тоже без проблем, продолжим про милую даму Урсулу фон дер Байден, она хотя бы прикольная.

«Точка сборки» — Подпишись!


Заметили ошибку в тексте? Сообщите об этом нам.
Выделите предложение целиком и нажмите CTRL+ENTER.


Оцените статью

ePN

Спасибо за обращение

Вам запрещено оценивать комментарии.
Обратитесь в администрацию.