Ядерный прорыв – куда и зачем

На очередной сходке CatCat’а в Москве товарищ, не имеющий совершенно никакого отношения к подводному флоту (https://vk.com/fordtrak), очевидно подустав от вопросов про контуры ядерных энергетических установок атомных подлодок, порекомендовал мне попробовать самому облечь в осмысленную форму, если есть что порассказать. Ну так и вот, поговорим о том, что, будем надеяться, действительно станет прорывом в ядерной энергетике. Как раз скепсис по поводу «аналоговнет» сейчас несколько притух.

Для людей, далёких от темы мирного, да и немирного атома, начинать придётся с самого начала. С понимания того, что такое ядерная энергия. Одна из вещей, которая из школьной программы физики обычно не забывается никем: одноименные электрические заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. «Плюс», «минус», «противоположности притягиваются» – вот это вот всё. Ядро атома состоит из нейтронов и протонов. Нейтроны электрически нейтральны, а протоны – положительны. Возможность формирования ими устойчивых ядер, а вместе с тем всего ощущаемого нами мира, обеспечиваются т.н. ядерными силами (гуглить «сильное взаимодействие», если интересно углубиться), которые на расстояниях порядков радиуса атома «пересиливают» электромагнитное отталкивание и позволяют сформировать положительно заряженное ядро. Штука достаточно умозрительная, но это только начало. Дело в том, что масса ядра (гуглить «массу покоя») меньше суммы масс входящих в его состав нейтронов и протонов по отдельности. Т.е. вот тут классический закон сохранения вещества уже перестаёт работать, возникает дефект массы, который напрямую увязан с энергией связи ядра (минимальной энергией, необходимой для разделения ядра на составляющие его нуклоны). Я намеренно стараюсь избегать формул, но тут уж больно меметичная (стала меметичной ещё до появления слова «меметичный»): Eсвязи = Δmc2, где Δm – как раз тот самый дефект массы. Так вот, удельная (в пересчёте на один протон или нейтрон в ядре) энергия связи наиболее велика в диапазоне значений массовых чисел (грубо – количества протонов и нейтронов в ядре) примерно от 40 до 100.

Ещё одна контринтуитивная деталь: это ни в коем случае не значит, что такие ядра наиболее стабильны и не склонны к самопроизвольному распаду. Это значит всего лишь, что, если два лёгких ядра (не любые) умудриться схлопнуть в одно потяжелее, или если тяжёлое сломать (главное не потерять – статья 220 УК РФ), у нас «на бумаге» высвободится энергия. Как схлопывать и что потом будет – гуглим «термоядерный синтез», там голова больше нужна. Если же тяжёлое ядро развалить, то энергия будет выражена в скорости осколков. Т.е., грубо, ядро взрывается, а разлетающиеся куски повышают среднюю скорость движения (колебания) атомов окружающего вещества и, как следствие, температуру (гуглим «МКТ», очень прикольно). Т.е. там, где тяжёлые ядра распадаются в существенном количестве, растёт температура. Это первый основополагающий момент.

Но это мы сейчас такие умные, потому как на плечах гигантов стоим. А первое рождение практики из теории шло неочевидными шагами, т.е. нелинейно. Чтобы не откатываться к ихтиостегам, волюнтаристски начнём с британца Чедвика, который в 1932 г. открыл нейтрон. Дальше, начиная с итальянца Ферми в 1934 г., физики развлекались, облучая нейтронами разные элементы, в том числе, например, уран. Просто из интереса, почему бы и не облучить самый тяжёлый из встречающихся в природе элементов недавно открытыми частицами. Результаты получались разными и интересными, но только к 1938 г. немцы Ган и Штрассман (а потом и Ферми снова подключился, и ещё разные другие товарищи высказывали идеи и принимали участие) смогли подвести к важному: бахнули по урану нейтроном, получили барий, криптон (в их случае) и ν нейтронов. А ν > 1, «и оба реактивные», но об этом чуть позже. Все эти ссылки на года и национальности просто для понимания, как быстро и всем миром это изучалось, в дальнейшем постараемся без них.

Т.е. в уран летят нейтроны, и при этом растёт не только температура, но и количество этих самых нейтронов, которые могут сами дальше делить уран. Это и есть основа цепной реакции – второй основополагающий момент. Более наглядно (с картинкой) описание этого процесса приведено в ч.1 цикла товарища Старостина про Чернобыль (https://vk.com/@37253151-chernobyl-1).

Резонный вопрос: а почему тогда весь уран, где он более-менее локализован, не произвёл «хлопок»? И почему, собственно, уран – мало ли тяжёлых элементов? Тория, например, в земной коре на порядок больше. И вот тут начинаются детали (да, до этого всё были общие места). Дело в том, что не всякий уран одинаково полезен. В природном уране сочетаются, по большому счёту, два изотопа – 238U (почти 99,3 %) и 235U (чуть больше 0,7 %). Есть ещё 294U, но его меньше сотой доли процента, и он нам не интересен. Обладая одинаковыми химическими свойствами, они существенно отличаются по нейтронно-физическим: обладают разными вероятностями того или иного исхода встречи с нейтронами, зависящими ещё и от скорости нейтронов (гуглим «сечение взаимодействия», даёт приятное ощущение перестроения нейронных связей). Так вот, несмотря на то, что число нейтронов, выделяющихся при делении ядра урана ν, упомянутое двумя абзацами выше, в среднем равняется примерно 2,5, для оценки возможности самоподдерживающейся цепной реакции важен параметр η – число нейтронов, идущих именно на дальнейшее деление. А он может быть существенно меньше ν, т.к. выделившийся при делении нейтрон может быть, например, просто сожран следующим ядром, но не вызвать его деления. И для нейтронов на скорости, которую они приобретают при делении предыдущего ядра урана (помните про «оба реактивные»?), вероятность быть поглощённым без деления 238U заметно выше таковой для 235U, хотя и того же порядка. А вот вероятность поделиться у 238U более чем в 2 раза меньше, чем у 235U. Вообще обывателю можно в голове держать, что «нечётные» изотопы делятся сильно лучше. Это очень грубо, но зато легко запомнить. У уже упомянутого тория, например, вообще нет природного нечётного изотопа, и эта одна из основных (но не единственная) проблема его использования в ядреной энергетике. Когда конкретные значения соответствующих сечений взаимодействия для этих изотопов подставляются в формулы, получается, что η для естественной смеси изотопов урана существенно меньше 1. Т.е. принципиально на пальцах возможная цепная реакция невозможна уже в первом приближении, если привлечь математику. Поэтому, кстати, математику обычно не любят – она обламывает большую часть волшебных стартапов на взлёте. И только если добить долю 235U в смеси до 15 %, в ней возможна самоподдерживающая цепная реакция. А для американской бомбы «Малыш» (гуглим совместные с японцами испытания в 1945 г.), уран обогащали до более чем 80 % в среднем, чтобы сразу получилось ярко и эффектно. Но обогащение урана – процесс люто сложный и дорогостоящий, в него могут не только лишь все. И даже те, кто могут, на оружие, конечно, расщедрятся, а для энергетики дорого, грузите уголь вагонами.

Но там, где дорого увеличивать обогащение, можно изменять сами сечения взаимодействия. Для этого нейтроны, вылетающие при делении урана, нужно замедлить. Да, медленные (т.н. «тепловые») нейтроны уже не могут поделить 238U, не хватает энергии. Зато 235U начинает делиться «за себя и за того парня» – сечение деления у него подскакивает на два порядка. В общем случае нейтроны замедляются после столкновений с ядрами в результате т.н. упругого рассеяния, когда нейтрон просто «отскакивает» от ядра, передав ему часть своей кинетической энергии. Так-то и от урана нейтрон может просто отскочить, но эффективней всего терять скорость на лёгких ядрах. Правда, тут снова надо учитывать, что это ядро может нейтрон поглотить без какой-либо дальнейшей пользы для процесса. Подытоживая: для поддерживания самопроизвольной цепной реакции в уране надо либо обогащение повышать, либо нейтроны замедлять. Это третий основополагающий момент.

С инженерной точки зрения в рамках всех ядерных проектов (гуглим «Манхэттенский проект», «Лаборатория № 2» и пр.) решалась задача организации самоподдерживающейся ядерной цепной реакции в ограниченном объёме ядерной энергетической установки – чтобы достаточно нейтронов успевало поделить следующие ядра урана, по пути замедлившись, но не поглотившись на других ядрах и не улетев за пределы установки. Решалась задача изначально в первую очередь не для гражданского применения, а для получения 239Pu, т.к. он для создания ядерного оружия намного удобнее, чем 235U (почему – тема отдельная). 239Pu образуется из 238U посредством захвата им нейтрона без деления: получается 239U, который потом «сбрасывает» электрон, превращаясь в 239Np, который тоже «сбрасывает» электрон, превращаясь в 239Pu, который хочет всех так или иначе убить. Поэтому, кстати, в первых реакторах изначально закладывалась возможность извлечения «поспевших» топливных сборок для переработки без остановки реактора. Однако, посмотрев на задорно пыхтящие шайтан-машинки, ученые-исследователи и инженеры решили, что тут можно лишнюю дурь направить в мирное русло. В результате за десятилетия развития сформировался ряд базовых конструкторских решений в гражданской ядерной энергетике:

1. реакторы, где вода является и замедлителем, и теплоносителем, с уровнем обогащения по 235U 2-6 % – большая бочка с кипящей водой или, чаще, водой под давлением (повышая давление, воду можно нагреть сильно выше 100 °C); это основа современной ЯЭ;
2. реакторы, где вода является только теплоносителем, а в качестве замедлителя применятся графит, с уровнем обогащения по 235U 2-3 % (графит намного меньше поглощает нейтроны, чем вода) – графитовая кладка с каналами, в которых кипит вода; именно в качестве энергетических по большому счёту работают только отечественные РБМК-1000, но это как «мирно пашущий советский трактор» – всегда можно «вымолачивать» плутоний, не отходя от кассы (за подробностями – обратно в статью товарища Старостина про Чернобыль (https://vk.com/@37253151-chernobyl-1);
3. реакторы, где и замедлителем, и теплоносителем является тяжёлая вода с природным ураном в качестве топлива – ныне канадская экзотика (шутки про CANDU становятся баяном ещё на 3-м курсе), но на заре ЯЭ тяжёлая вода считалась наиболее перспективным вариантом – замедляет хорошо, поглощает никак; немцы в сороковых так этой тяжёлой водой увлеклись, что в отсутствие производственных мощностей на ней и погорели, кстати;
4. быстрые реакторы – о них и поговорим, но сначала снова шаг в сторону.

А зачем нам, собственно, ядерная энергетика, есть же солнечные панели и ветряки ГЭС и ТЭС на газу (на угле – это лютый хардкор уже, уровень выбросов там, начиная ещё с добычи, совершенно невыносим, даже с учётом систем очистки)? Ответ на этот вопрос на самом деле менялся с течением времени, как минимум потому, что изначально гражданская ЯЭ была дополнением к военной программе. На текущий же момент причин для её содержания несколько:

• деньги: стоимость (гуглим LCOE – levelized cost of electricity, если есть желание углубиться в экономику) выработки электроэнергии в для АЭС относительно невелика и не превышает таковой ТЭС на угле или газу, при этом для АЭС преобладающей является доля капитальных (на сооружение) затрат, топливная же составляющая стоимости электроэнергии существенно ниже, к тому же нет налога на выхлоп углекислого газа; при сравнении с возобновляемыми источниками энергии (помним, что ветер и солнце условно бесплатны) очень важен район размещения (СЭС под Питером – не слишком рентабельный вариант), но с учётом практики продления срока службы энергоблоков, АЭС в любом случае оказываются выгоднее;
• технологии: наукоёмкость ЯЭ существенно выше, чем «в среднем по больнице» – тут и конструкторские школы, и материаловедение, и физика взаимодействия элементарных частиц, и ионизирующие излучения, и химия, и даже, кажется, немного астрологии, но это неточно;
• внезапно, экология: тут существенно меньшие (непосредственно при генерации – околонулевые) потребление кислорода с выбросами углекислого газа, небольшие требуемые площади (совокупно, с учётом всего производственного цикла); Еврокомиссия даже объявила атом чистым источником энергии в конце 2021 – начале 2022 г.; сами же радиоактивные отходы при прямых руках и развитой технической культуре легко локализуются, да и получается их не так, чтобы очень много – само-то ядерное топливо обладает, по сравнению с ископаемым, космической просто энергоёмкостью.

Казалось бы, «живи и радуйся, и делай, шо тебе говорят»: объём выработки электроэнергии на АЭС у нас 4-й в мире после США, Франции и Китая (вот уж не сюрприз), наконец-то более-менее обкатали серийный проект ВВЭР-1200 («Гусары, молчать!», это отдельный холивар проектных организаций), который теперь основной экспортный продукт Росатома.

Но, как и всегда, помимо обеспечивающих стратегическую рентабельность плюсов есть и стратегически сдерживающие минусы. Причём в основном те, из-за которых неадекватные «зелёные» впадают в состояние кататонического возбуждения.

Во-первых, вероятность масштабных аварий с лютым экономическим и экологическим ущербом на текущем уровне развития технологии крайне невысока (гуглить «вероятностный анализ безопасности»). Она таки есть, Фукусима нам об этом напомнила. И тут уже не важно, что проект старый, что стечение обстоятельств неблагоприятное – это всё разговоры в пользу бедных, никого они не волнуют. Ради интереса поинтересуйтесь в ближнем кругу, кто в курсе про Фукусиму (про Чернобыль даже и не говорю) и, для сравнения, про Бхопал.

Во-вторых, радиоактивные отходы. Их немного, но они «страшные», несмотря на неплохо отработанные технические решения по обращению с ними. В общем-то, это даже стало сценарным шаблоном фильмов категории «Б» ещё в 90-х – что-нибудь контактирует с радиоактивным чем-то, и понеслось.

В-третьих, проблема нераспространения. Как уже отмечалось выше, из отработавшего топлива можно выцедить живительный плутоний для бомбы. Не то, чтобы это было так просто сделать – не только спроектировать нормальную БЧ, но и просто извлечь плутоний и не умереть в процессе – но всё равно все опасаются. Можно ведь сляпать и т.н. «грязную бомбу», ничего не извлекая, просто чтоб запоганить всё в радиусе поражения и дальше по розе ветров (полагаю, все уже погуглили в конце февраля ещё).

Ну и наконец, непосредственно запасы урана: доказанных запасов урана на 2017 г. было менее 11 млн т (при стоимости извлечения 260 $/кг). Это позволит работать ядерной энергетике на текущих мощностях (существенного роста с учётом указанных выше проблем не ожидалось, хотя, как теперь будет развиваться мировая энергетика – большой отдельный вопрос) ещё около века. А потом всё, только 1 млн т отработавшего топлива и 9 млн т отвального урана. А ведь и 260 $/кг – это больно по нынешним меркам, даже с учётом роста стоимости урана на рынке прямо сейчас.

Вот, собственно, и «актуальность задачи»: необходимость технологически реформировать стагнирующую в долгосрочной перспективе индустрию. Зачем нам это? Ну, во-первых, потому что можем. Атомка – одно из немногих направлений народного хозяйства, где мы по-прежнему ещё в топе. Поэтому логично, как и с оборонкой, это направление развивать и толкать на рынок. Ну и престиж, куда ж без этого. А ещё не надо забывать, что возобновляемые источники энергии в их традиционном понимании – не наш путь. И климат не тот, и технологии не наши. ГЭСами всё не застроишь. Сможем ли мы сами освоить термояд – вопрос к специалистам по термояду (логично). Но, с учётом исключения из международных программ, смотрю на это скептически. Вот и получается, что-либо АЭС, либо ТЭС на природном газе. Но, боюсь, решение сконцентрироваться на последних в деле обеспечения базовой нагрузки в энергосистеме страны на длинной дистанции приведёт в технологический тупик, причём сразу в нескольких областях.

Постановку задачи, как водится, необходимо дополнить «обзором литературы» – что про это думают остальные «участники регаты». Американцы в общем полагают работать по старинке: брать уран, обогащать его для легководных реакторов на тепловых нейтронах, отходы захоранивать. Это в общем случае называется открытым ядерным топливным циклом (ЯТЦ). В дополнение предполагают включить в цикл переработку отработавшего топлива «тепловых» реакторов, причём для выделения не столько даже плутония, сколько всякой высокоактивной дряни (гуглим «минорные актиниды», хтоничное). Их можно потом вместе с плутонием «дожигать» в реакторах-чистильщиках на быстрых нейтронах, но для поддержания в них цепной реакции придётся всё равно добавлять ещё плутоний извне. Причём выделенный плутоний так-то можно и в реакторах на тепловых нейтронах (РТН) использовать в качестве топлива (гуглить «MOX-топливо» и «REMIX-топливо»), так что идея применения реакторов на быстрых нейтронах (РБН) тут именно в дожигании высокоактивных отходов.

Второй вариант – франко-японская стратегия, предполагающая замыкание ЯТЦ. Для этого «после» РТН в цикл ставятся РБН с натриевым теплоносителем и высоким коэффициентом воспроизводства (КВ). Что это за зверь такой? А это «мои любимые мыши-медуницы, о них отдельно». Как уже говорилось выше, в реакторах из 238U образуется 239Pu, который преизрядно хорош как делящийся материал. Вот только в РТН получается его меньше, чем сгорает 235U, т.е. КВ < 1. Снова чистая математика, бессердечная ты эта самая. И так же, как и для η выше, скорректировав параметры, определяющие КВ, можно заставить его «работать на нас». Это может быть достигнуто только совокупностью решений: тут и повышение средней энергии мечущихся по активной зоне нейтронов (увеличение жёсткости спектра), и увеличение плотности топлива, и чисто конструктивные решения. И вот тогда теоретически прям бинго: работают РТН, вырабатывают электричество, топливо с них перерабатывается, загружается в РБН, которые тоже вырабатывают электричество, их топливо тоже перерабатывается, и так по кругу. Нет, это не нарушает закон сохранения энергии. В теории всё круто, но это именно что в теории. На практике и во Франции, и в Японии промышленные РБН остановлены, и реальные перспективы реализации такой стратегии, прямо скажем, туманны.

И вот тут снова пресловутый «третий» путь, который, будем надеяться, сыграет. Если крупными мазками, то идея в том, что, во-первых, у нас нет реальной необходимости в высоких КВ, достаточно немного превысить 1 (реакторы с КВ > 1 называют бридерами или размножителями, что придаёт всему этому лёгкий оттенок биомеха). Это может помочь делать РБН дешевле не в ущерб безопасности, и при этом получать больше делящегося материала, чем тратить.

Во-вторых, в части собственно безопасности предполагается переход к топливу более высокой плотности и теплопроводности, а также к свинцу в качестве теплоносителя. По сравнению с «классическим» для гражданских РБН натрием, он обладает более высокой температурой кипения, меньшей способностью становится радиоактивным при нахождении непосредственно в активной зоне реактора и меньшей химической активностью. Это позволит существенно снизить вероятность или даже полностью исключить целые классы потенциальных аварий, например, с потерей того самого теплоносителя. В добавок предполагается за счёт дожигания высокоактивных отходов реализация принципа радиационной эквивалентности: сколько «радиоактивности» добывается вместе с ураном, столько и захоранивается с в виде отходов, не больше.

Ну и, наконец, в-третьих, деньги. Это, наверное, самое сложное. На текущий момент безопасность АЭС с РТН достигается за счёт навешивания новых и развития имеющихся систем безопасности, что, само собой, увеличивает стоимость. Реализация идеи естественной безопасности заключается в исключении некоторых типов аварий просто за счёт конструкции, о чём как раз и говорилось в предыдущем абзаце – предоставленный сам себе, реактор не попытается взбунтоваться не за счёт работы автоматики, а просто исходя из общих физических закономерностей. Ну вроде как не умеет он. Грубо, штанину не зажуёт велосипедной цепью, если ты едешь на самокате. Самокате, который быстрее и дешевле велосипеда. Если всё получится.

Тут, однако, стоит отметить, что именно переход на свинец в РБН – не принципиальный момент для замыкания топливного цикла. Достаточно вероятным является вариант развития реакторов на натрии до БН-1200М. «В пассиве» остаётся натрий в качестве теплоносителя, «в активе» – отработанные технические решения по натрию в качестве теплоносителя. Это не так впечатляюще в плане прорывных технологий, зато проще и понятней.

Помимо собственно конструкции для РБН на свинце требуется оптимизировать нормативную базу. Тут до смешного доходит, когда технически требование сформулировано на базе опыта работы с водяными реакторами или с натрием, но со свинцом тоже надо, потому как:

Подытоживая, требуется:

1. реакторы на быстрых нейтронах с КВ > 1, безопасные и недорогие,
2. технология переработки топлива (как с РТН, так и с РБН из пункта выше), безопасная и недорогая,
3. дожить до этого светлого будущего.

Что имеем:

1. парк РТН разной степени морального устаревания и экономической эффективности,
2. рабочая технология РБН на натрии (БН-600 и БН-800 Белоярской АЭС),
3. энтузиазм и господдержка.

Для превращения второго списка в первый и организован проект «Прорыв» – совместная работа огромного числа организаций. Тут и входящие в контур «Росатома»: от гигантов типа «ТВЭЛ», «Росэнергоатома», «ОКБМ Африкантов» до локальных АО, служащих конкретной цели в рамках проектного направления. Тут же и «сторонние» организации, например, ИБРАЭ РАН или меметичный в профессиональных кругах «Диаконт» (гуглить «УГР», девиз «Мы будем пилить, не вынимая!»).

Понятно, что в любом производстве новые решения на пути от идеи к серии проходят этап опытного образца. Так и двухкомпонентная, т.е. основанная на РТН и РБН в равной степени, отечественная ядерная энергетика сейчас на этом этапе: в Северске, на Сибирском Химическом Комбинате возводится опытно-демонстрационный энергокомплекс (ОДЭК), в состав которого войдет энергоблок с реактором БРЕСТ-ОД-300 на свинце, модуль фабрикации и рефабрикации топлива для него и не только (МФР), и модуль переработки уже отработавшего топлива, в том числе и с БРЕСТа (МП).

И вот этот комплекс прям реально возводится: на МФР уже завозится оборудование, завершена заливка фундамента под энергоблок. Как можно понять из названия, на этом комплексе будут оптимизироваться технические и организационные решения, на основании которых будут впоследствии создаваться промышленные комплексы двухкомпонентной ЯЭ. Что из этого получится, покажет время. Лично я шкурно надеюсь, что таки «взлетит».