Укрощение «лишнего» нейтрона

В феврале Ростехнадзор наконец выдал лицензию на строительство опытно-демонстрационного быстрого реактора БРЕСТ-300, который через пять лет запустят в Северске. Между тем в этом году ядерная энергетика отмечает сразу несколько исторических событий, связанных с реакторами на быстрых нейтронах: исполняется 75 лет с пуска в США Clementine, 70 лет назад, в 1951-м, в Айдахо заработал Experimental Breeder Reactor I (EBR-I), давший первое в мире атомное электричество, и прошло 65 лет с начала работы советского БР-2 в Обнинске
Укрощение «лишнего» нейтрона
Первый экспериментальный быстрый реактор «Клементина» (Clementine) был введен в действие в декабре 1946 года в ядерном центре в Айдахо
wikiwand.com

Чем быстрые реакторы (БР) так приглянулись ученым? Физики сразу оценили в них уникальный избыток нейтронов (теоретически около 2,3 против 1 для тепловых реакторов с медленными нейтронами). Было понятно, что если не замедлять нейтроны, а оставлять их быстрыми — такими, как они рождаются при реакции деления, — то помимо поддержания цепной реакции получается лишний нейтрон, который можно использовать в специальных целях. 

magnifier.png «Быстрые» установки, нарабатывая плутоний, могли вовлекать в производство идущий сейчас в отвалы уран-238, которого в добытом сырье 99,3%, а перспективе и тория-232, запасы которого по меньшей мере в три раза превышают урановые

Предсказывалось, что этот потенциал может быть использован для расширенного воспроизводства ядерного топлива; конечно, была очевидна возможность и его мирного энергетического применения, но в ситуации противостояния двух послевоенных сверхдержав на первом месте все же стояла выработка ядерных оружейных материалов. Известно, что реакторы на тепловых, или медленных, нейтронах работают на обогащенном уране-235, которого всего 0,7% в ископаемом уране. Быстрые же установки, нарабатывая плутоний, могли вовлекать в производство и идущий сейчас в отвалы уран-238, которого в добытом сырье 99,3%, а перспективе и тория-232, запасы которого по меньшей мере втрое превышают урановые. Поэтому БР с самого начала эпохи атома рассматривались в качестве основы развития ядерной энергетики.

Наследники «Клементины»

Первый экспериментальный быстрый реактор «Клементина» (Clementine) был введен в действие в декабре 1946 года в ядерном центре в Айдахо. В ее успешном запуске сыграл важную роль ученый-экспериментатор Уолтер Зинн, ученик Энрико Ферми.


ЗИНН.jpg
Уолтер Зинн нажимает кнопку на пульте управления реактором
wikiwand.com

По настоянию Ферми Зинн начал планировать небольшую испытательную установку для доказательства справедливости принципа расширенного производства ядерных материалов и для оценки возможности использования жидкого металла в качестве теплоносителя уже в конце 1944 года. «Клементина» работала на плутонии-239, имела тепловую мощность 25 кВт, а теплоносителем служила ртуть. Экспериментальная «Клементина» успешно проработала до 1952 года, дав бесценный опыт по материалам для американской военной ядерной программы и показав, в частности (хотя в самой установке это достигнуто не было), что воспроизводство в таких реакторах ядерного топлива возможно, а ртуть в качестве теплоносителя для БР бесперспективна.

В 1951-м американцы запустили EBR-1 (Experimental Breeder Reactor — экспериментальный реактор-размножитель) тепловой мощностью 1,4 МВт, который стал первым в мире атомным устройством с подключенным турбогенератором, вырабатывающим электроэнергию, из-за чего в американской литературе его иногда несамокритично называют первой атомной электростанцией.

magnifier.png Экспериментальная Clementine успешно проработала до 1952 года, дав бесценный опыт по материалам для американской военной ядерной программы и показав, в частности (хотя в самой установке это достигнуто не было), что воспроизводство в таких реакторах ядерного топлива возможно, а ртуть в качестве теплоносителя для БР бесперспективна

Строительство EBR-I началось в конце 1949 года. Он был спроектирован и построен командой под руководством Уолтера Зинна из Аргоннской национальной лаборатории в Арко (штат Айдахо). Энергетический пуск CP-4 произошел летом 1951 года, а позднее установка в тестовом режиме выработала около киловатта электроэнергии — общеизвестна картинка с четырьмя горящими 200-ваттными лампочками, а позднее и 200 кВт, достаточных для энергоснабжения здания самого исследовательского комплекса. Но главной целью, конечно же, ставилось именно воспроизводство топлива. Подход Энрико Ферми и Уолтера Зинна к созданию новой технологии был таков: максимально уменьшить долю нейтронов, захватываемых теплоносителем, замедлителями и самим топливом и максимально же увеличить эффективность их улавливания бланкетами из урана-238, окружающими активную зону реактора с 52 килограммами урана-235 объемом с футбольный мяч. Интересно, что многих расчетов величин, например, эффективного сечения ядер, которые показывали бы вероятность взаимодействия элементарной частицы, того же нейтрона, с атомным ядром или другой частицей, тогда не существовало, многое делалось на глазок. Но уже было понятно, что потери нейтронов можно избежать и сохранять их высокую энергию при использовании особых теплоносителей, например жидкометаллических, а не графитовых или водных, как в реакторах на тепловых или медленных нейтронах. Обратили внимание на натриево-калиевую смесь, жидкую при комнатной температуре и с хорошими теплопередающими свойствами. В итоге экспериментов и тысяч измерений в начале 1953 года лабораторный анализ показал, что EBR-I создавал более одного нового атома плутония-239 на каждый «сгоревший» атом урана-235 (соотношение размножения 1,27 к 1). Долгожданный результат теоретических изысканий стал практической реальностью. Реактор поработал до 1963 года, после чего был остановлен и со временем демонтирован, а здание, где он был установлен, стало национальным музеем. Примерно в это же время, с 1961-го по 1963-й, в Лос-Аламосе с целью изучения поведения плутониевого топлива в быстрых реакторах 20-мегаваттный LAMPRE-I с натриевым охлаждением и плутониевым топливом. 


ЕБР-1.jpg
В 1951-м американцы запустили EBR-1 (Experimental Breeder Reactor — экспериментальный реактор-размножитель) тепловой мощностью 1,4 МВт. Реактор и здание первой атомной электростанции
wikiwand.com

А дело первого EBR продолжил второй. Установка сразу строилась для энергоснабжения всего исследовательского комплекса в Айдахо и состояла из бридера, охлаждаемого натрием, и трехконтурной паротурбинной системы электрической мощностью 20 МВт, и в таком составе она проработала до 1969 года. Возводился комплекс с объявленной целью выйти на замкнутый ядерный цикл с полной переработкой отработавшего топлива. Достичь этого не удалось, но была отработана технология жидкого натриевого охладителя и впервые реализована система пассивной безопасности, которая обязательна для всех новых проектов реакторов. Установка функционировала еще четверть века, но уже в качестве исследовательского центра для тестирования топлива и материалов для будущих более крупных реакторов с жидким металлом. В какое-то время Америку увлекла идея создания «быстрой» ядерной энергетики, но в 1966 году, вскоре после пуска реактора «Ферми-1» в Детройте, из-за проблем в натриевом контуре на нем произошла авария с расплавлением активной зоны. Частные инвесторы тут же и надолго потеряли интерес к перспективной технологии. С 1980 по 1992 год в Ханфорде работал быстрый натриевый (Fast Flux Test Facility) реактор мощностью 400 МВт Департамента энергетики, также предназначенный для выполнения программ по разработке новых типов топлива, материалов и оборудования для коммерческих реакторов. Они так и не появились, тем не менее от «быстрых» реакторов в США не отказываются. В 2025 году силами Аргоннской национальной лаборатории планируют ввести VTR (Versatile Test Reactor) с бюджетом в два миллиарда долларов со схожими задачами, что и у FFTF.


ОБНИНСК АЭС.jpg
Первая в мире промышленная атомная электростанция в Обнинске (была подключена к сети «Мосэнерго» в 1954 году)
aes1.ru


Хватило бы на два «Толстяка»

А что у нас? В 1950 году Александр Лейпунский представляет на рассмотрение НТС Первого Главного управления доклад «Системы на быстрых нейтронах», который дал старт развитию новаторского направления энергетики в нашей стране. С этих пор ученый руководил созданием экспериментальных БР-1, БР-2, БР-5/10 и БОР-60 (пущенный в 1969-м, он до сих пор работает). 


ЛЕЙПУНСКИЙ.jpg
Александр Ильич Лейпунский — советский физик-экспериментатор, академик АН Украинской ССР
Wikipedia

Первый быстрый БР-1 «нулевой» мощности на металлическом плутонии был введен в эксплуатацию в знаменитой Лаборатории Б (сейчас — Физико-энергетический институт) в подмосковном Обнинске в 1955-м. Насколько советские власти разного уровня понимали важность предложенного Лейпунским «быстрого» проекта, говорит тот факт, что для реактора максимальной мощностью всего 100 Вт, по настоянию тогдашнего замминистра Средмаша Ефима Славского, было выделено 12 кг плутония. Эти цифры, может быть, кажутся не столь значительными, но в условиях ядерной «догонялки» с американцами этого хватило бы на два советских «Толстяка». Но уже была испытана «сахарная» водородная бомба-слойка РДС-6с. В транспортабельности мощных, от 400 килотонн, зарядов СССР опередил США, и можно было отвлечься на другие идеи, опять же, конечно, не без ориентации на военку. Так появилась первая в мире промышленная атомная электростанция в Обнинске (была подключена к сети «Мосэнерго» в 1954 году), которая служила экспериментальной базой и для возможного создания уран-графитовых реакторов для ВМФ — и сами разработчики так и не определились, как точно расшифровывается название ядерной установки АМ: то ли «атом мирный», то ли «морской». Другим известным мирным применением стал атомный ледокол «Ленин» (1959 год), на силовой установке которого отрабатывались новые ядерные паропроизводящие установки для АПЛ второго и третьего поколения.

magnifier.png В 1950 году Александр Лейпунский представляет на рассмотрение НТС Первого Главного управления доклад «Системы на быстрых нейтронах», который дал старт развитию новаторского направления энергетики в нашей стране

Но в 1954 году, еще до БР-1, в том же ФЭИ Лейпунский поставил задачу построить критическую сборку, на которой можно было бы проверить методы расчета реактора со свинцово-висмутовым теплоносителем с использованием промежуточных нейтронов с целью поставить подобный на подводную лодку. Она была собрана, но во время набора критической массы произошел разгон реактора, и исследователи попали под облучение. Полноценный стенд-прототип реактора с жидкометаллическим охлаждением был пущен здесь же уже в 1959 году, а в 1962-м вступила в строй первая АПЛ К-27 с похожей силовой установкой. Американцы нас опередили, начав ходовые испытания за пять лет до советской «быстрой» лодки своей USS Seawolf (SSN-575), но справиться с проблемами, вызванными натриевым охлаждением реактора, не смогли, и адмирал Хайман Риковер, которого называют «буйным» — за решительность — отцом атомного флота США, приказал прекратить проект, и в Штатах «быстрыми» установками для подлодок больше не занимались.


К-27.jpg
В 1962 году вступила в строй первая АПЛ К-27
ruspeach.com

Очевидно, что практической целью экспериментальных обнинских БР-1, БР-2 и последующих БР-5/10 ставилось не только расширенное воспроизводство ядерного топлива, но и, в более фундаментальном смысле, изыскания по части поведения материалов под интенсивным нейтронным излучением. Исследования, проведенные на первом советском быстром реакторе, показали возможное высокое — до 2,5 — значение коэффициента воспроизводства. На нем была экспериментально доказана возможность расширенного воспроизводства ядерного горючего и впервые в Европе в 1956 году проведена цепная реакция деления плутония на быстрых нейтронах.

magnifier.png Адмирал Хайман Риковер, которого называют «буйным» — за решительность — отцом атомного флота США, приказал прекратить проект, и в Штатах «быстрыми» установками для подлодок больше не занимались

БР-2 предназначался для проведения физических исследований, которым требовались большие потоки быстрых нейтронов. Его максимальная мощность составляла 200 кВт. БР-1 за маломощностью не охлаждался, а в БР-2 применили тот жидкий металл, который был, как вспоминают ветераны ФЭИ, под рукой, — ртуть. Но в ходе работы нашли повреждения оболочек тепловыделяющих элементов, через которые плутоний попадал в теплоноситель, и радиоактивная ртуть попадала из первого контура в парогенератор и в итоге в рабочие помещения. Поэтому работу БР-2 вскоре прекратили, окончательно признав ртутный теплоноситель непригодным для быстрых реакторов. В 1959 году на месте демонтированного реактора построили 5-мегаваттный БР-5, первый контур которого заполнялся натрием, а второй – натрий-калием. По словам обнинских ученых, на нем отрабатывались элементы технологии будущих энергетических и военных быстрых реакторов: насосы, теплообменное оборудование, натриевое оборудование, топливные элементы, системы управления, защиты, и многое другое. В 1971 году БР-5 остановили. В течение двух лет на нем заменили почти все основное оборудование, установили дополнительную биологическую защиту и изготовили новые твэлы, повысив мощность сначала до 6, а позднее и до 8 МВт. БР-5/10 открыл новую страницу в радиационной медицине, показав положительные результаты по воздействию нейтронного излучения на раковые клетки лабораторных животных. Позже рядом с ним построили небольшой медицинский комплекс, где лечение прошли около 500 человек.


БР-1.jpg
Первый быстрый БР-1 «нулевой» мощности на металлическом плутонии был введен в эксплуатацию в знаменитой Лаборатории Б (сейчас — Физико-энергетический институт) в подмосковном Обнинске в 1955 году
ippe.ru

БН-1200, «Прорыв», МБИР

БОР-60, построенный на территории НИИАР в Димитровграде, называют новым шагом в освоении технологии натриевых реакторов. Спроектированный подольским ОКБ «Гидропресс» под научным руководством ФЭИ как малая АЭС, он выдает электрическую мощность 12 МВт. Но главным его преимуществом сами ученые называют обширные возможности по проведению многопрофильных исследований и считают, что именно полученные в процессе создания реакторов БР-5/10 и БОР-60 в 60-х годах прошлого столетия наработки дали старт проектированию и созданию промышленных энергетических реакторов. Первая промышленная установка БН-350 предназначалась для наработки плутония и производства тепла и электрической энергии, а поскольку она работала на пустынном казахстанском полуострове Мангышлак (здесь в 60-х же годах нашли месторождение урана и работал Прикаспийский горно-металлургического комбинат) — и получения пресной воды. Создатели опытно-промышленной АЭС, ставшей в 1973 году первой действующей в мире, здорово рисковали: на начало проектирования действовал только реактор тепловой мощностью 5 МВт в Обнинске, а тут сразу масштабирование до 1000 МВт, и без проблем первые годы не обошлось.


БЕЛОЯРСК.jpg
До конца 2021 года могут завершиться НИОКР по проекту БН-1200 на Белоярской АЭС
Wikipedia

В 1980 году на третьем блоке Белоярской АЭС заработал БН-600. Через три года разработали БН-800, этот реактор предполагалось сделать серийным. Но подошел Чернобыль, и построить «восьмисотый» в советское время не успели, в эксплуатацию его ввели на Белоярской в конце 2016 года, то есть через 33 года после первоначального проекта. До конца 2021 года могут завершиться НИОКР по проекту БН-1200, позднее будет приниматься решение о его строительстве. С 2013 года по направлению «Прорыв» идет разработка и сооружение опытно-демонстрационного комплекса на базе реактора на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем БРЕСТ-ОД 300 с пристанционными объектами замкнутого топливного цикла: модулем фабрикации-рефабрикации плотного уран-плутониевого нитридного топлива, модулем переработки ОЯТ, а также комплексом по обращению с РАО. В Димитровграде возводится центр с многоцелевым научно-исследовательским реактором на быстрых нейтронах четвертого поколения МБИР (многоцелевой быстрый исследовательский реактор).

magnifier.png Сейчас в разных странах снова возникает интерес к быстрым проектам. Ближе всех к созданию своих опытно-демонстрационных реакторов Индия — проект PFBR-500 и Китай — реактор CEFR, который планируется ввести в 2025 году

Сейчас в разных странах снова возникает интерес к «быстрым» проектам. Ближе всех к созданию своих опытно-демонстрационных реакторов Индия — проект PFBR-500 и Китай — реактор CEFR, который планируется ввести в 2025 году. В свое время промышленные «быстрые» построили Франция, Германия и Япония, но из-за череды неурядиц: технологических, политических и даже простого невезения — они либо так и не начали работать, либо были закрыты еще до конца первого десятилетия нашего века. Но это отдельная тема. Так или иначе, сейчас Россия — единственная страна в мире, у которой есть промышленные реакторы на быстрых нейтронах.

Еще по теме:
25.01.2022
Коллектив биологов из МГУ имени М. В. Ломоносова выяснил, каким образом Tat-белок вируса иммунодефицита человека (ВИ...
19.01.2022
14 января 2022 года скончался Юрий Иванович Журавлев, выдающийся ученый в области математики, прикладной математики и ин...
14.01.2022
Ученые из Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова и Российского экономического университета имени...
13.01.2022
Как астрономы восстанавливают и развивают советскую инфраструктурную базу для наблюдений за космическим мусором и потенц...
Наверх