Reaktori s brzim neutronima jedinstveni su razvoj ruskih znanstvenika i budućnost cijele nuklearne energetske industrije

Mirni atom jedan je od stupova svjetske energije, bez kojeg je moderno društvo jednostavno nemoguće. Unatoč svim prednostima postojećih nuklearnih elektrana, glavna je mana bilo i ostalo odlaganje istrošenog nuklearnog goriva.

Čini se da će i ovaj problem biti riješen - zahvaljujući jedinstvenom ruskom razvoju zatvorenog ciklusa nuklearnog goriva, čija je primjena moguća u nuklearnim reaktorima koji koriste brze neutrone.

Koji je problem suvremene nuklearne energije

Dakle, mirni atom već više od desetak godina služi čovječanstvu za proizvodnju električne energije u cijelom svijetu. Ali postoji jedan vrlo ozbiljan problem. Nije sav prirodni uran pogodan kao gorivo za nuklearne reaktore.

Uran-238 raširen je u prirodi (92 protona, 146 neutrona), a njegov udio u svjetskim rezervama iznosi 99,3% ukupnog urana na Zemlji. Ali jednostavno nije pogodan za nuklearne reaktore kao gorivo.

Samo preostalih 0,7% svjetske opskrbe u obliku urana-235 (92 protona, 143 neutrona) može poslužiti kao gorivo. Ali čak i ovaj preostali dio urana ne može se jednostavno uzeti i natovariti u reaktor. Mora se unaprijed obogatiti i udio urana-235 u ukupnoj masi urana-238 povećati za oko 700 puta.

Ispada da će, unatoč ogromnim svjetskim rezervama, uran koji je doista pogodan za gorivo biti dovoljan, prema prosječnim izračunima, samo 50 godina.

Nije sve tako tmurno kao što se čini na prvi pogled. Uran-238 se i dalje može prilagoditi nuklearnim reaktorima. Istina, za to je potrebno pretvoriti uran-238 u plutonij-239, a taj je postupak moguć samo kada je izložen brzim neutronima.

Ispostavilo se da ova transformacija nije laka. Napokon, većina modernih reaktora radi na "sporim" neutronima, koji su namjerno usporeni, budući da uran-235 "ne želi komunicirati" s brzim neutronima. No, uran-238, naprotiv, nije uključen u proces transformacije na sporim neutronima.

Ekonomski nije moguće provesti transformaciju urana-238 u plutonij-239 odvojeno. Mnogo je učinkovitije za to koristiti takozvane dodatne neutrone koji nastaju tijekom reakcije raspada. Stoga se u modernim reaktorima posebno uklanjaju pomoću apsorbera.

Dakle, moramo kombinirati "smeće" urana-238 i "ispraviti" uran-235 na jednom mjestu - atomskom reaktoru. A tada će biti moguće i proizvoditi električnu energiju i posebno transformirati "nepotrebni" uran-238 u novo nuklearno gorivo za reaktore. Ali preduvjet za to je činjenica da on (reaktor) mora raditi na brzim neutronima.

No, stvaranje takvog stvarno djelujućeg reaktora brzih neutrona pokazalo se velikim problemom za mnoge inženjere. I samo su se ruski inženjeri-znanstvenici nosili sa zadatkom.

Reaktori brzih neutrona, koja je njihova značajka

Dakle, potreban nam je reaktor koji radi na uran-235, a istodobno ga moramo natjerati da radi na brzim neutronima. Da bi to bilo moguće, potrebno je značajno povećati gustoću neutronskog toka (tako da uran-235 postane spremniji za interakciju s brzim neutronima).

To znači da će se morati koristiti obogaćenije gorivo, dok će temperaturni režim i neutronski tokovi biti mnogo tvrđi - trebat će stabilniji materijali.

Uz to treba izbjegavati materijale koji će usporiti neutrone. Odnosno, klasična verzija - voda - u ovom slučaju nije prikladna, jer savršeno usporava neutrone.

Zbog toga se živa koristila kao rashladna tekućina u ranim fazama razvoja brzih reaktora, no ta je opcija brzo napuštena zbog velike toksičnosti metala.

U sljedećim fazama pokusa isprobali su metale poput olova, bizmuta i natrija.

Utvrđeno je da su materijali koji najviše obećavaju natrij i olovo. I u prvoj su fazi sovjetski inženjeri uspjeli "ukrotiti" natrij.

Sovjetski reaktor BN-600 postao je prvi komercijalni reaktor s brzim neutronom u potpunosti u pogonu. A već 2015. godine Rosatom je lansirao reaktor BN-800 (natrij). Ovo je jedinstveni reaktor te vrste, koji je već prilagođen za rad na plutonijevom gorivu s potpuno zatvorenim ciklusom uzgoja.

Koja je prednost brzih reaktora

Preliminarni izračuni pokazuju da zahvaljujući ovoj tehnologiji postotak nuklearnog goriva pogodnog za reaktore naglo raste sa skromnih 0,7% na 30%.

Slijedom toga, efektivne rezerve goriva povećat će se za oko 43 puta, što znači da bi trebale biti dovoljne ne za nekih 50 godina, već za više od dva tisućljeća. Mislim da postoji razlika čak i uz vrlo grubu računicu.

Osim toga, takvi reaktori mogu u potpunosti funkcionirati na istrošenom nuklearnom gorivu iz "sporog" reaktora, što obećava rješenje najveće glavobolje ekologa - kako zbrinuti istrošeni nuklearni element gorivo.

Također, takvi su reaktori puno sigurniji. Napokon, oni koriste natrij umjesto zagrijane vode pod visokim pritiskom. Natrij postaje tekući na 100 Celzijevih stupnjeva, a u fazu vrenja prelazi tek na 900 stupnjeva.

Sjetimo se kako sustav hlađenja radi na "konvencionalnim" nuklearnim reaktorima. Tamo voda pod ogromnim pritiskom djeluje kao rashladna tekućina. Očito je da je visoki tlak visok rizik od smanjenja tlaka i nesreće.

S natrijem nema takvih problema. Budući da je točka ključanja visoka, može se održavati pod normalnim tlakom, što znači da nema šanse za izbijanje i nesreću.

Čak i u slučaju abnormalne situacije, reaktivnost natrija također će igrati u korist sigurnosti. Pri interakciji s kisikom i parom vlage u atmosferi natrij će se vezati u postojanu kemikaliju spojevi koji će ostati na teritoriju stanice i neće se raspršiti po okrugu, šireći se radioaktivno zagađenje.

Rusija je ispred ostalih

Unatoč brojnim pokušajima raznih zemalja, samo Rusija, a posebno Rosatom, ima punopravnu komercijalnu verziju reaktora s brzim neutronom.

Doista, čak i Francuzi (njihovim obećavajućim razvojem "reaktora Phoenix") nisu se uspjeli nositi s problemom periodičnog rada zaštitnih sustava, a projekt su zaustavili 2010. godine.

Japanci su testirali i svoju verziju - reaktor Monju, ali nakon niza nesreća odlučili su ga rastaviti.

Indijanci su također željeli stvoriti vlastiti reaktor za brzi neutron, ali ništa se nije dogodilo.

U Rusiji se tehnologija nesmetano razvija, a već se radi na projektu brzog reaktora BN-1200, u kojem se rastopljeno olovo koristi kao rashladno sredstvo. Prema planu, bit će potpuno operativan do 2030. godine.

Ispada da je Rusija jedina zemlja koja stvarno može proizvoditi nuklearnu energiju učinkovit i doista siguran zahvaljujući jedinstvenom dizajnu - brzom neutronskom reaktoru.