Сайт СФУ
Сибирский форум. Интеллектуальный диалог
февраль / 2015 г.

Плутоний: туда и обратно

В год своего 65-летия Горно-химический комбинат Железногорска готовится к пуску новых производств, чтобы замкнуть российский ядерный топливный цикл на базе инновационных технологий.

Наступивший 2015 год должен стать знаковым для российской атомной отрасли. На Горно-химическом комбинате (предприятие госкорпорации «Росатом» в ЗАТО Железногорск) планируется завершение строительства пускового комплекса Опытно-демонстрационного центра по радиохимической переработке ОЯТ нового поколения. Отработка этой технологии в опытно-промышленном масштабе должна определить многое в мировых трендах. Сегодняшние лидеры, французы, имея на своём лучшем заводе UP-3 технологию 2-го поколения, оценили презентацию ОДЦ ГХК как 4-е поколение. Существенное отличие этого поколения — отсутствие жидких РАО. Японцы, так и не справившись с пуском завода в Роккашо по французской технологии, в минувшем году два раза приезжали на ГХК ознакомиться с опытом сибирских атомщиков.

Кроме того, в канун своего 65-летнего юбилея, который отмечается 26 февраля, коллектив ГХК готовится к производству ТВС (тепловыделяющих сборок) на основе уран-плутониевого топлива для реакторов нового поколения. Комбинат, изначально построенный для создания ядерного щита, сегодня определяет тренды развития ядерного топливного цикла.

Разделить неделимое

История человечества напрямую связана с непрерывным освоением новых видов энергии. В конце 30-х годов ХХ века научный прогресс привёл к открытию деления атомного ядра урана; освобождённая внутри­атомная энергия в миллионы раз превышала до тех пор известную плотность энергии.

Первые практические шаги в использовании этой энергии сделали американцы, и это стало трагедией — 6 августа 1945 года атомная бомба «Малыш» с зарядом из урана-235 уничтожила Хиросиму. 9 августа «Толстяк» с плутониевым зарядом испепелил Нагасаки. Бомбы были использованы «немедленно по готовности», американцы даже не провели полигонных испытаний урановой бомбы. Плутониевый заряд был предварительно испытан на полигоне Аламогордо 16 июля 1945 года — испытание «Тринити» (Троица) стало первым в истории человечества ядерным взрывом.

После Японии следующей целью стал Советский Союз. Ещё 28 сентября 1942 года Государственный комитет обороны СССР по инициативе Академии наук и разведки издал историческое Распоряжение «Об организации работ по урану». Фаза промышленной реализации стартовала только 20 августа 1945 года, после бомбардировок Хиросимы и Нагасаки. В этот день были созданы Специальный комитет и Первое главное управление. Задача создания атомного оружия сдерживания стала официально называться Дело №1.

Успешное испытание первой советской бомбы РДС-1 состоялось 29 августа 1949 года — в этот день советские атомщики положили конец американской ядерной монополии. Символично, что, сделав бомбу и имея безусловное превосходство по времени, американцы отстали в мирном применении атомной энергии. В июне 1954 года в городе Обнинске заработала первая в мире атомная электростанция, созданная под руководством И.В. КУРЧАТОВА. В этом направлении мы на два года опередили зарубежных коллег и конкурентов.

Уникальное предприятие

Самое уникальное предприятие атомной отрасли было также создано в нашей стране.

Постановление Совета министров СССР о создании Горно-химического комбината под Красноярском Иосиф СТАЛИН подписал шестьдесят пять лет назад — 26 февраля 1950 года. Промышленный комплекс такого масштаба впервые создавался глубоко в недрах гранитного кряжа. Это защищало стратегический объект от попадания атомной бомбы, а также гарантировало секретность и экологическую безопасность при работе с ядерными материалами. Менее чем за три пятилетки были построены и запущены три промышленных уран-графитовых реактора, радиохимический завод и подземная атомная электростанция. Одновременно вырос один из красивейших городов нашей страны — Железногорск.

Горно-химический комбинат выполнил свою историческую миссию по созданию ядерного оружия сдерживания. Являясь одним из основных производителей оружейного плутония, ранее секретное предприятие внесло огромный вклад в укрепление обороноспособности нашей Родины и геополитической стабильности во всём мире. Одновременно работа оборонных производств позволила создать материальную базу энергетики нового тысячелетия. Речь идёт о запасах плутония и урана-238.

Быстро или тепло?

Сердцем любой АЭС является атомный реактор, в котором происходит цепная самоподдерживающаяся реакция деления ядерного материала. Плотность энергии в ядерном топливе — в 4 миллиона раз больше, чем у коксующегося угля. При этом АЭС в процессе работы фактически не даёт сбросов в окружающую среду. Этой энергии может быть произведено любое количество, и это не окажет никакого влияния на климат планеты и глобальное потепление.

На сегодняшний день в качестве ядерного топлива в основном используется уран-235. Содержание делящегося изотопа 235U в природном уране составляет 0,71%. Остальное приходится на «балластный» 238U, который сам по себе не делится тепловыми нейтронами и очень плохо делится быстрыми нейтронами. Вместе с тем 238U способен к захвату нейтронов с образованием в реакторе делящегося изотопа плутония 239Pu.

В феврале 2014 года Горно-химический комбинат посетил глава отрасли — генеральный директор Росатома  Сергей Кириенко. Он проинспектировал опытный стенд по отладке технологий таблетирования МОКС-топлива

В феврале 2014 года Горно-химический комбинат посетил глава отрасли — генеральный директор Росатома Сергей Кириенко. Он проинспектировал опытный стенд по отладке технологий таблетирования МОКС-топлива

По мере развития атомной энергетики атомщики придумали способ вовлечь в ядерный топливный цикл реакторный плутоний, подмешивая его небольшое количество к урановой матрице. Получается МОКС-топливо (от англ. Mixed OXide fuel — ядерное топливо, состоящее из смеси оксидов урана и плутония). Так, например, французы затачивают свой МОКС под «классические» реакторы на тепловых нейтронах, которые не обеспечивают эффективное воспроизводство делящихся материалов. В активной зоне таких реакторов на каждые 100 актов деления генерируется не более 80 ядер плутония. Кроме того, в отработавшем ядерном топливе накапливаются долгоживущие младшие актиниды: америций и кюрий. Они плохо делятся тепловыми нейтронами, поэтому с точки зрения «классической» энергетики являются балластом.

В отличие от французских коллег российские атомщики будут использовать уран-плутониевое топливо в реакторах на быстрых нейтронах. Эти реакторы дороже и сложнее в эксплуатации, но их можно вывести на режим расширенного воспроизводства, когда на 100 израсходованных ядер образуется минимум 100 новых делящихся ядер. Тем самым мы эффективно в «алхимической печке» превращаем «свинец в золото» — балластный 238U в делящийся плутоний. Кроме того, за счёт большей энергии нейтронов «быстрые» реакторы могут «дожигать» америций и кюрий, решая проблему высокоактивных актинидов.

На шаг впереди

На сегодняшний день Россия — единственная в мире страна, которая успешно эксплуатирует промышленные реакторы на быстрых нейтронах. На Белоярской АЭС 35 лет на урановом топливе исправно работает быстрый натриевый реактор БН-600. На стадии подготовки к промышленному пуску находится новый реактор — БН-800, активная зона которого рассчитана под загрузку МОКС-топливом.

Хотелось бы отметить, что сегодня «пророки» разного толка пытаются выставить себя патриотами, на самом деле стремясь остановить развитие российской атомной энергетики. Суть их претензий — вовлекая наш плутоний в ядерный топливный цикл в форме МОКС-топлива, мы снижаем оборонный потенциал страны, с таким трудом созданный ветеранами. Такие аргументы можно вернуть по месту их происхождения, потому что они основываются на глубоком непонимании физики ядерных реакторов и особенностей ядерных топливных циклов.

Повторим ещё раз. На текущий момент Россия — единственная в мире страна, эксплуатирующая реактор на быстрых нейтронах. Быстрый реактор ещё называют «бридер» (размножитель). В отличие от классического реактора на тепловых нейтронах плутоний в «быстром» реакторе не только «сгорает», но и воспроизводится в полном объёме. Таким образом, «быстрая» атомная энергетика сама себя обеспечивает топливом, оставляя оборонный потенциал в полной неприкосновенности.

В декабре 2014 года на ГХК было завершено строительство производства МОКС-топлива для быстрого натриевого реактора БН-800 Белоярской АЭС. Американцы строят МОКС-завод по французской технологии для тепловых реакторов. Строят уже в три раз дольше и потратили в десять раз больше денег. Возможно, их нерешительность объясняется обретённым пониманием тупиковости этого направления. МОКС для быстрого реактора и МОКС для теплового — это «две большие разницы».

Первые таблетки готовы

Площадкой для размещения первого отечественного производства уран-плутониевого топлива и тепловыделяющих сборок на его основе был выбран радиохимический завод ГХК. Он расположен глубоко в недрах гранитной горы, которая является надёжным защитным барьером от всех видов угроз.

В сентябре была получена первая партия таблеток МОКС-топлива, а в декабре 2014 года государственная комиссия подписала акт о готовности объекта завершённого строительства: цех по производству МОКС-топлива РХЗ ГХК. Сейчас завершается ответственный этап пусконаладки смонтированных производственных линий. Руководство ГХК рассчитывает, что до конца года Белоярская АЭС получит первую партию тепловыделяющих сборок.

Навстречу мечте

Но МОКС, как вы понимаете, ещё далеко не весь ядерный топливный цикл. На площадке ГХК строится опытно-демонстрационный центр (ОДЦ) по отработке технологий регенерации отработавшего ядерного топлива (ОЯТ). Это будет новое производство, которое позволит реализовать в опытно-промышленном масштабе новые технологии очистки облучённого топлива от осколочных радионуклидов. Составляя менее 3% от всей массы ОЯТ, они являются той самой ложкой дёгтя в бочке мёда: накопление осколочных элементов в топливе снижает реактивность, потому что осколки деления урана поглощают нейтроны, кроме того, их объём дополнительно нагружает оболочки тепловыделяющих элементов.

Пусковой комплекс «горячих» камер ОДЦ предполагается сдать в эксплуатацию в конце 2015 года. На 2018 год запланирован ввод в эксплуатацию второй очереди ОДЦ, которая позволит приступить к промышленной переработке ОЯТ ВВЭР-1000. А в следующем десятилетии на базе ОДЦ планируется создать крупномасштабный завод по регенерации топлива различных типов реакторов для российской атомной отрасли.

Напомним, что технологии ОДЦ на поколение опережают пока ещё самый современный в мире радиохимический завод UP-3 (Франция), на который замкнута переработка облучённого ядерного топлива западноевропейских и японских АЭС. Неоспоримым преимуществом российских технологий по сравнению с зарубежными конкурентами является отсутствие жидких низкоактивных отходов. Но самое принципиальное преимущество в другом. Французский ядерный цикл на тепловых реакторах даёт максимум два рецикла по урановому топливу, затем изотопный баланс смещается таким образом, что использовать трижды регенерированное топливо в тепловом реакторе уже нецелесообразно. «Быстрая» энергетика на уран-плутониевом топливе даёт гораздо большее количество рециклов и полное использование урана-238, запасов которого хватит человечеству на тысячу лет вперед.

Уже скоро у железногорских атомщиков появится уникальная возможность доказать на практике, что рецикл ядерных материалов возможен без ущерба для окружающей среды, а также закрепить за Россией и Росатомом мировое лидерство в области замыкания ядерного топливного цикла на основе инновационных техно­логий.

Александр ШВЕЙК, канд. хим. наук