В прошлой статье мы рассмотрели целесообразность и рациональность выбора ядерной энергетики будущего, а также потребности населения планеты в электроэнергии. В данной статье мы более детально разберем то, что сегодня происходит в мире ядерной энергетики, какой будет ядерная энергетика будущего, а также, что случилось на Фукусиме и где "рванет" следующая АЭС.
Как нам уже известно, мировые запасы подходящего Урана-235, который является топливом в реакторах почти всех действующих и строящихся АЭС в мире, подходят к концу. Но на Земле имеется огромный запас U238 (изотоп Урана), который по своим потенциальным энергетическим запасам превосходит все известные запасы, нефти, угля, газа и прочих горючих ископаемых. (Порядка 90% ко всем остальным, если быть более точным). Единственная проблема с U238 заключается в том, что его не возможно использовать в классических реакторах в качестве топлива, которые сегодня распространены в мире (Water Boiling Reactors), так называемые реакторы на тепловых нейтронах. Но, все же имеются варианты использования U238 в качестве топлива в реакторах на быстрых нейтронах, где конечным продуктом реакции является оружейный плутоний 239 (Pu239). Вполне себе отработанная и известная в мире технология, за исключением некоторых технологических и инженерных трудностей, которые и без того ограничивают распространение ядерной энергетики в мире, таких как замкнутый топливный контур, не содержащий водород теплоноситель, состоящий из жидкого натрия, ртути или чего-либо еще.
Экзотический выбор теплоносителя обусловлен тем, что вода и водород содержащие вещества, как известно, гасят скорость нейтронов своими легкими компонентами молекулы. Разумеется, такой реактор не будет работать, ведь суть его работы заключается в наличии именно быстрых нейтронов, а не замедленных. И данный, хоть и обоснованный выбор теплоносителя, на самом деле не совсем простая инженерная задача. К примеру, построенный в Японии в 1995 году, реактор Monju в том же году, получил утечку теплоносителя в несколько сотен килограммов. (жидкий натрий). После десятилетнего перерыва, вновь приступив к работам, японцы уронили четырехтонный кран, утопив его реакторе, заполненном жидким натрием. Достать который удалось лишь спустя полтора года.
Так же, развитие данной технологии имеет определенные трудности с наращиванием по времени. К примеру, построив одну станцию на быстрых нейтронах и введя её в эксплуатацию сегодня, наработав необходимое количество топлива для следующей станции вы потратите примерно 50 лет. То есть строить следующую станцию по данной технологии в расчете на собственные энергозапасы топлива, можно будет не ранее, чем через 50 лет, ну а построить следующие две вы сможете уже в следующем веке. Хотя данная проблема частично устраняется, если у вас завалялось где-то там на складах несколько десятков сотен оружейного или энергетического плутония для того, чтобы начать цикл, но опять же не полностью.
Другой немаловажный аспект, по которому не совсем целесообразно развивать технологию реакторов на быстрых нейтронах - вынужденная наработка оружейного плутония в больших количествах. То есть самим топливом в реакторах на быстрых нейтронах не совсем является именно U238, но благодаря поддержанию реакции на Pu239, сам U238 переходит в топливо. В реакторах данного типа обкладки из U238 являются отражателями быстрых нейтронов и в конечном счете сами переходят в Pu239. Далее после извлечения Pu239 его вновь "разбавляют" U238 и цикл повторяется. К примеру, в одном подобном цикле может крутиться до 10-20 тонн оружейного Pu239, в то время когда благодаря его сравнительно небольшой величине критической массы, ядерную бомбу можно изготовить уже из 6 кг. И некоторые технологии позволяют сделать это даже из энергетического плутония.
Все эти факторы переводят использование реакторов на быстрых нейтронах в качестве основных энергоустановок в ближайшем будущем в разряд сложных, потенциально опасных с точки зрения доступности ядерных технологий, а так же предельно низко эффективных с точки зрения развития и обеспечения электроэнергией в мире.
Стройка реактора на быстрых нейтронах в Индии, город Калпаккам, 2015 год.
С учетом того, что запасы U235 подходят к концу, большинство стран уже не развивает классическую ядерную энергетику на тепловых нейтронах. Не имеет смысла. Кстати, это может быть одной из причин, почему в Казахстане отказались строить АЭС, разговоры о которой были в информационном поле в 2014 году. И вот что у нас получается:
1) АЭС на тепловых нейтронах уже не строят.
2) АЭС с реакторами на быстрых строят те кто умеет это делать. И как говорится "тильки для сэбэ", так как отдавать в руки технологию удобного производства оружейного Pu239, равносильно подарку чугунной гранаты человекоподобному примату.
3) Постройка реактора на быстрых нейтронах, автоматически де-факто переводит страну в ядерный клуб, члены которого не совсем желают видеть рядом, такие развитые страны как Северная Корея, Пакистан. Что разумеется делает их попытки по вступлению самыми обсуждаемыми в совете безопасности ООН.
Отсутствие новых проектов по построению АЭС на тепловых нейтронах (где используется U235) в мире (таблицы приведены в прошлой статье), говорит о том, что прогнозы Микаэля Диттмера о истощении природных запасов изотопа урана 235 и о начале его дефицита в 2013 году, пусть и не точны, все же реалистичны.
К примеру, США отказались от развития ядерной энергетики по пути технологии тепловых нейтронов уже как 30 лет, построив последнюю АЭС в 1989 году. И только в 2013 году решили усилить Ви-Ви Саммер и Вогтль всего лишь 4 реакторами, но уже для действующих электростанций (и это самое интересное, но об этом чуть позже).
Разумеется, определенные запасы топлива имеются как у США, так и других стран, эксплуатирующих мирный атом. Одна только программа ВОУ-НОУ значительно разрядила ситуацию по дефициту ядерного топлива на рынке, так как одним из основных потребителей данного топлива является США. По сути, Россия продала США оружейный уран (500 тонн), из которого можно было бы делать либо ядерное оружие, либо обеспечить себя на долгие годы топливом для АЭС, который США использует (якобы) как топливо для своих электростанций делая из высокообогащенного урана низкообогащенный (абр-ра воу-ноу как бы намекает).
Ниже представлена таблица с значениями дефицита (красным) и излишка (зеленым) потребления / производства ядерного топлива по странам на 2006-2008 год.
Дефицит U235 на планете не совсем вяжется с ценами на это ядерное топливо. Казалось бы, дефицит топлива на рынке должен вызвать рост цен, но тут следует отметить, что построение АЭС, скажем из 2-4 блоков занимает в лучшем случае 5-7 лет, цикл перезагрузки топлива от года до 5 лет, для построения требуются огромные средства (≈ 3-5 млрд долларов на один энергоблок), а срок окупаемости составит более 20-25 лет. Низкие цены на урановое топливо как раз таки указывают на то, что развитие в данной (добывающей) отрасли умирает, но еще существует в связи с длительной экономической инертностью цикла жизни АЭС, от проекта до конца срока его эксплуатации.
На фоне таких обстоятельств, авария на Фукусиме-1, при более детальном рассмотрении, выглядит не то чтобы странной, но я имею догадки, что это могло быть вполне спланированной и закономерной операцией. Странность и последовательность действий в устранении аварии как раз таки указывает на намеренный вывод из строя реакторов. Расплавление остаточным энерговыделением всех трех ректоров, по очереди или в день по одному, вызывает много вопросов. Как собственно и полное отсутствие возможности наладить охлаждение хотя бы в одном из реакторов на протяжении недели (!). Ну не могу я себе представить, что в Японии не нашлось необходимое количество дизель генераторов, или насосных установок на 1050 psi (70 атм) которые экстренно можно было доставить к месту с любого уголка страны за сутки. Последний раз авария такого класса, как расплавление зоны реактора остаточным энерговыделением имела место в 1979 году на "Три-Майл-Айлэнд". И в наше время она выглядит мягко говоря несерьезной, тем более для такой страны как Япония.
Разумеется, все эти доводы можно списать на катастрофические последствия цунами, которые могли сказаться на реакции подготовленного персонала, работающего и живущего в сейсмоактивной зоне (сарказм).
Но факт остается фактом - при жестком дефиците U235, в Японии 6 реакторов остановлены, в США, которая не строила дополнительные реакторы с 1989 года, 4 начали строить в 2013 году.
Оценив другие страны на предмет потребления U235, можно сделать выводы, что следующая станция "рванет" либо на Украине, либо во Франции.
Вроде как U238 есть и его много, но как еще его можно использовать в качестве топлива на АЭС? Неужели не существует альтернативной технологии "сжигания" U238? Ведь принципиальное в данном случае отличие U238 от U235 заключается только в том, что первый не имеет возможности рождения достаточного количества нейтронов для поддержания цепной реакции деления. Откуда взять такой поток частиц с необходимой энергией, чтобы заставить U238 делиться?
- Ускорители частиц!
Да, конечно! Идея неплохая, но вот только для того, чтобы успешно делить U238 нужны нейтроны большой энергии (порядка более 10 мЭВ). Но тут есть некоторые трудности, обычный ускоритель имеет размеры согласно энерговыхода примерно 1ГЭВ на 1 км. Для создания электростанции подобного типа необходимо 10 ГЭВ, несложный расчет показывает, что это кольцо с длинной по окружности порядка 10 км. Существуют ли более компактные ускорители? Оказывается, существуют.
На фото выше Ускоритель Богомолова
Минимальный размер аппарата на 4 ГЭВ свободно помещается в самолет "Руслан".
Использование данной установки позволяет реализовать ядерные реакторы на U238 с внешним источником быстрых нейтронов высоких энергий, которые смогут делить уран и поддерживать цепную реакцию в реакторе. На изобретение имеется патент. (вот еще ссылочка)
Хочется задать простой вопрос - патент есть, почему до сих пор не развивают?
Дело в том, что столь компактный и мощный ускоритель заряженных частиц позволяет решить не только проблему с энергоресурсами, но и ряд комплексных и весьма сложных задач. Самая наверное важная из которых, устранение или ликвидация любых средств: кораблей, подводных лодок, авианосцев с ядерными энергетическими установками на борту, на сравнительно удаленной дистанции.
Любой аппарат подобного типа, в реакторе которого происходит контролируемая цепная, ядерная реакция, рискует после облучения пучком с компактного ускорителя получить большую интенсивность деления топлива в реакторе, в результате чего, цепная реакция более не может быть контролируемой и реактор вместе с аппаратом взрывается.
Иными словами, данная технология превращает любые транспортные средства с ядерными реакторами на борту в качестве энергетических установок, в легкодоступные и легкоустраняемые объекты.
Кто согласится развивать технологию, при которой некоторые мировые державы могут превратиться в региональные? - риторический вопрос, на котором я останавливаюсь.
Статья составлена по многочисленным интервью, доктора технических наук профессора, специалиста по ядерной физике Острецова Игоря Николаевича.