Когда ядерные отходы — не бремя, а актив

Что, если бы высокоактивные ядерные отходы, образующиеся на атомных электростанциях, могли бы обеспечивать безотходную экономику в энергетическом секторе? Это может быть возможно благодаря быстрым реакторам, работающим в замкнутом топливном цикле.

В быстрых реакторах для поддержания цепной реакции деления используются нейтроны, энергия которых не уменьшается с помощью замедлителя, в роли которого выступает, например, вода, и такие реакторы имеют преимущества перед существующими ядерными реакторами на тепловых нейтронах. При работе в полностью замкнутом топливном цикле, в котором ядерное топливо перерабатывается и используется повторно, в быстрых реакторах возможно извлекать в 60–70 раз больше энергии из того же количества природного урана, чем в реакторах на тепловых нейтронах, что значительно снижает количество высокоактивных радиоактивных отходов.

«При использовании быстрых реакторов в замкнутом топливном цикле один килограмм ядерных отходов может перерабатываться многократно, пока не будет использован весь уран и не выгорят актиниды, которые сохраняют радиоактивность в течение тысяч лет. В итоге остается около 30 граммов отходов, которые будут сохранять радиоактивность в течение 200–300 лет», — говорит заместитель Генерального директора МАГАТЭ, руководитель Департамента ядерной энергии Михаил Чудаков.

Быстрые реакторы были в числе первых технологий, внедренных на заре ядерной энергетики, когда запасы урана считались недостаточными. Однако ввиду того, что на пути разработки этой технологии возникали сложности, связанные с различными техническими аспектами и выбором материалов, и что были разведаны новые запасы урана, отраслевым стандартом стали легководные реакторы. Тем не менее, в нескольких странах ведется работа по развитию технологии быстрых реакторов, в том числе в виде малых модульных реакторов (ММР) и микрореакторов (МР).

В настоящий момент в эксплуатации находятся пять быстрых реакторов: два действующих промышленных реактора (БН-600 и БН-800) и один опытный реактор (БОР-60) в Российской Федерации, испытательный реактор-размножитель на быстрых нейтронах в Индии и китайский экспериментальный быстрый реактор. В Европейском союзе, а также в Соединенном Королевстве, Соединенных Штатах Америки, Японии и других странах осуществляются проекты предназначенных для различных целей и функций быстрых реакторов, включая ММР и МР.

Некоторые страны рассматривают эксплуатацию быстрых реакторов с полностью закрытым топливным циклом как путь к обеспечению долгосрочной устойчивости ядерной энергетики.

Россия, ведет в Северске строительство опытно-демонстрационного энергетического комплекса, включающего быстрый реактор БРЕСТ-ОД-300 со свинцовым теплоносителем, модуль фабрикации и рефабрикации топлива, а также модуль переработки отработавшего смешанного нитридного уран-плутониевого топлива. Кроме того, будет построено глубинное геологическое хранилище отходов. Важность этого пилотного проекта заключается не только в том, что он позволяет продемонстрировать изготовление свежего топлива, его облучение и последующую переработку, но и в том, что все это происходит на одной площадке.

«То, что весь процесс в рамках замкнутого топливного цикла проводится на одной площадке, хорошо в плане ядерной безопасности, физической безопасности и гарантий, — отметила технический руководитель МАГАТЭ по обращению с отработавшим топливом Ампаро Гонсалес Эспартеро. — Это также должно быть более целесообразно с точки зрения экономии, поскольку ядерные отходы и материалы не нужно будет перемещать из одного места в другое (как это делается в настоящее время в некоторых странах), что снимает многие проблемы перевозки и логистики».

Для реализации замкнутого топливного цикла в любом масштабе необходимы быстрые реакторы и инфраструктура для переработки и утилизации. Кроме того, по соображениям экономии и гарантий не любая страна может иметь собственные перерабатывающие заводы. Чтобы снизить затраты, перерабатывающие заводы оказывают услуги другим странам, или же страны используют заводы совместно.

В России также планируется после 2035 года ввести в строй быстрый реактор нового поколения мощностью 1200 МВт (эл.), который наряду с легководными реакторами позволит сформировать самодостаточную энергетическую систему. Благодаря быстрому реактору отработавшее топливо с реакторов на тепловых нейтронах будет перерабатываться и использоваться повторно, а образующиеся в итоге объемы отходов будут до десяти раз меньше, чем в обычном ядерном топливном цикле.

Проекты развиваются и в других странах. В Китае идет строительство двух быстрых реакторов с натриевым теплоносителем (CFR-600) в уезде Сяпу провинции Фуцзянь. Первый блок находится в стадии ввода в эксплуатацию, и ожидается, что он будет подключен к энергосети в 2024 году. В США при содействии соучредителя корпорации «Майкрософт» Билла Гейтса разрабатывается проект быстрого реактора, который не будет работать в замкнутом топливном цикле, хотя в стране сейчас возобновлена работа над замкнутым ядерным топливным циклом и использованием имеющихся ядерных отходов для создания собственных запасов топлива. В Европе осуществляется бельгийский проект MYRRHA, с тем чтобы к 2036 году создать систему на базе ускорителя со свинцово-висмутовым теплоносителем и проверить ее способность расщеплять младшие актиниды для создания в будущем полностью замкнутого топливного цикла.

«Страны все чаще рассматривают способы утилизации таких ресурсов, как отработавшее ядерное топливо, чтобы таким образом получить экологически чистую энергию для своей экономики, — рассказал руководитель группы по разработке технологий быстрых реакторов в МАГАТЭ Владимир Кривенцев. — Это происходит в то время, когда благодаря технологическим инновациям в области материаловедения, физики реакторов и инженерного дела стало возможным создание более совершенных конструкций с улучшенными характеристиками безопасности, влекущих меньшие затраты на строительство и эксплуатацию, что улучшает экономику АЭС с быстрым реактором».

МАГАТЭ играет ведущую роль в содействии разработке и внедрению быстрых реакторов путем обмена соответствующей информацией и опытом, в том числе в рамках проектов координированных исследований, технических публикаций, технических рабочих групп и конференций. Международный проект по инновационным ядерным реакторам и топливным циклам МАГАТЭ также способствует развитию технологии быстрых реакторов и соответствующих ядерных топливных циклов путем содействия странам в планировании и сотрудничестве.