Новая технология позволит значительно снизить себестоимость электроэнергии, производимой на АЭС
Число действующих энергоблоков на АЭС может достичь тысячи при нынешних программах развития атомной энергетики в России, Китае, Индии. В этом случае природные запасы урана в 16 миллионов тонн будут исчерпаны за 80 лет. Прогноз изменится с переходом к использованию реакторов с быстрыми нейтронами, исходным материалом для которых является уран-238 (U-238).
Представим, что человечество использует все запасы, превратив их в радиоактивные отходы (РАО). Что с ними делать? По современным представлениям – переработать и захоронить. Такая технология годится для ограниченных количеств РАО, но в данном случае речь идет о миллионах тонн и большом количестве могильников. Основная доля радиоактивности РАО связана с элементами с периодами полураспада 30–50 лет. Это значит, что могильники будут фонить веками. Все это время они должны эксплуатироваться и охраняться. Весьма непроизводительное и дорогостоящее занятие.
Природа дала решение, как избавиться от радиоактивных элементов: все они в естественных условиях распадаются, однако очень медленно. Значит, нужно найти способы ускорения. Специалисты утверждают: "Сам эффект ускорения, известный с 1947 года, не противоречит ни одному из известных законов физики. Президиум АН СССР поставил задачу разработать мероприятия по организации исследований по управлению процессами радиоактивного распада".
“ Возникает идея отвода тепла гелием, который может подаваться непосредственно на турбину ”
Атомная промышленность России вырабатывает и поставляет на рынок около четверти мирового объема электроэнергии. Структурно ее себестоимость логично представить по технологическим этапам добычи и обогащения урана, непосредственно выработки электроэнергии и хранения РАО. Затраты в каждой части структуры ориентировочно составляют одну треть.
Добыча и обогащение урана привязаны к месторождениям. А выработку электроэнергии и место хранения РАО технологически возможно объединить и разместить в одном месте. В городе Северске Томской области реализуется программа Росатома "Прорыв". В ее основе концепция "сжигания" топлива в реакторе на быстрых нейтронах (БРЕСТ) и последующего "дожигания" РАО, прошедших этап обогащения через минорные актиниды. То есть не хранение РАО, а утилизация. Полное преобразование РАО в ТБО возможно только через 300 лет. Но в любом случае это намного короче, чем хранение на протяжении тысячи лет, что предлагается сейчас.
Концепция безопасности реактора БРЕСТ декларируется как "нулевая". Он включает в себя 10 тысяч тонн свинца и множество конструктивных особенностей, направленных на отведение тепла из активной зоны (АЗ). Предполагается, что в случае нештатного выхода из эксплуатации какого-либо технологического звена сам реактор просто погаснет по условию невозможности прогреть выше точки кипения общий объем свинца. Выдержать температурный баланс "выработка тепла – отдача тепла" и обеспечить диапазон его регулирования в области активной зоны при таких объемах теплоносителя крайне затруднительно. Конструктивно процесс передачи тепла от свинца к водяному пару имеет ряд технологических этапов и соответственно будет затратным при эксплуатации турбин, вырабатывающих электроэнергию. К тому же технологическая концепция реактора очень громоздкая, нерегулируемая по критериям температурного диапазона, необходимого при более глубоком "дожигании" подготовленного из РАО топлива.
Но его безопасность может и должна обеспечиваться простотой конструкции, дублированием технологической концепции теплоотвода из активной зоны. У свинца высокая теплоемкость, он очень медленно нагревается, имея температуру кипения почти в пять раз выше плавления. Поэтому применение свинца как ключевого элемента безопасности вполне обоснованно. Он нейтрален для нейтронов, которые необходимы для поддержания и регулирования ядерной реакции в активной зоне. Гелий также нейтрален для нейтронов и представлен в общепромышленной практике в виде газа. И возникает идея отвода тепла гелием, который может подаваться непосредственно на турбину. Данная технологическая концепция прошла экспертизу патентования и получила положительное решение. Уменьшение объема свинца и дублирование теплопередачи несколькими системами теплоотвода с гелием позволит регулировать температурный диапазон, необходимый для более полного "дожигания" РАО с декларированием уровня системы безопасности реактора как "нулевой". Гелиевые турбины существуют в общепромышленной практике, хотя и не получили широкого распространения. Однако сверхтекучесть гелия не проблема, а всего лишь задача, которая конструктивно решаема.
Повторим: этап хранения радиоактивных отходов – от 300 до тысячи лет, срок в любом случае немаленький с возможным влиянием на геополитические процессы. Желательно ускорить процессы распада радиоактивных элементов (РАЭ), находящихся в РАО. Еще в 1940 году АН СССР сформулировала задачи для решения проблем ускорения распада. Но по объективным факторам они были свернуты. Ныне решение найдено.
На СХК в Северске существовала лаборатория, которая совместно с НИИ ЯФ при ТПИ работала над задачей синтеза радиоактивных элементов. В ходе экспериментов на специальной установке был обнаружен эффект ускорения распада РАЭ. Результаты до воздействия на них и после него отличались и были выше, чем в тот же период нахождения РАЭ в естественных условиях. В 2016-м на этой же установке были проведены эксперименты с различными РАЭ. Получены показания об изменении состояния после воздействия некоторых РАЭ. Результаты экспериментов выходили за уровень погрешности приборов и устойчиво показывали наличие разности скорости распада при воздействии относительно естественного в большую сторону. Конструирование установки и истоки данного эффекта принадлежат Геннадию Хандорину и Владимиру Шадрину. Эффект Хандорина – Шадрина подтвержден работами на уровне общелабораторной практики, которая проводилась группой энтузиастов в 2017 году на площадях НИИ ЯФ при ТПУ.
Реализация концепции совмещения выработки электроэнергии и хранения РАО с последующей утилизацией целесообразна на более высоком уровне, чем программа "Прорыв". Возможность переработки РАО с эффектом более глубокого "дожигания" РАЭ и утилизации в ТБО позволит значительно снизить себестоимость электроэнергии на АЭС. Технологический комплекс уменьшается в размерах и стоимости, в последующем может унифицироваться по мощности с сокращением затрат на общестроительные работы.
Цифры
Четыре тысячи АЭС нужно построить для прекращения эксплуатации всех угольных и углеводородных станций.
16 миллионов тонн составляют общемировые запасы урана.
0,711 процента U-235 содержится в природной смеси изотопов урана.
Игорь Машков, политолог
Газета "Военно-промышленный курьер", опубликовано в выпуске № 16 (779) за 30 апреля 2019 года