Россия – единственная страна в мире, которая имеет опыт промышленной эксплуатации реакторов на быстрых нейтронах. БН-600 работает с 1980 года. Его ресурс, скорее всего. будет продлен еще как минимум на десятилетие. БН-800 дает электричество в сеть уже 5 лет. И вот недавно было принято решение о строительстве еще одного блока, но гораздо большей мощности – 1200 мегаватт. И, вероятнее всего, он появится именно на Белоярской АЭС.

Реактор на быстрых нейтронах, по сути, вечный двигатель. В нем можно получать топливо больше, чем он потребляет сам. Этот парадокс до сих пор у многих вызывает непонимание. Хотя с точки зрения физики процесс более чем обоснован и подтвержден – российскими установками так точно.
Технологией быстрых реакторов начали заниматься сразу на заре ядерной физики. В США идею обосновал Энрико Ферми, в СССР изысканиями занимался Александр Лейпунский.
Если не замедлять нейтроны, как например в водо-водяных или графитовых реакторах, а оставлять их быстрыми, то кроме поддержания самой цепной реакции рождается лишний нейтрон. Его можно использовать для превращения U238 в новый искусственный элемент – PU239, который представляет собой такой же делящийся полезный ядерный материал, как и U235. Плутоний может быть использован в качестве топлива для любых других реакторов.
В пятидесятых годах прошлого века физикой быстрых нейтронов в целях гражданской энергетики занимались США, Франция, Великобритании и СССР. Уже тогда было понимание, что запасы урана не бесконечны. Появились экспериментальные установки малой мощности. Но решительный шаг создать на основе реактора на быстрых нейтронах энергоблок сделали только советские атомщики.
Сергей Шепелев, главный конструктор реакторных установок на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем АО «ОКБМ Африкантов»: «Стояла задача отработки технологии натриевых быстрых реакторов в промышленном масштабе. Был разработан, создан и пущен в семьдесят третьем году реактор БН-350. Затем задачи [решены] опытно-промышленного реактора БН-600, который был пущен в восьмидесятом году. И далее для решения задач замыкания ядерного топливного цикла был создан реактор БН-800, который уже 5 лет работает, и в августе как раз исполнилось вот эти вот пять лет его, как мы считаем, успешной работы».
Зал отделен дверью весом в несколько тонн, но сюда можно совершенно спокойно зайти – радиационный фон даже ниже, чем в Москве. Знаменитая «ромашка» – верхняя палуба реакторной установки. под ногами 600 мегаватт мощи, но никакой наведенной радиации. Такова физика технологии – за пределы корпуса ни один нейтрон не вырывается. Уже 41 год установка дает электричество в сеть.
Валерий Шаманский, заместитель главного инженера по безопасности и надежности Белоярской АЭС: «Проектный срок службы у этого реактора был 30 лет. В 2010 году он заканчивался, и вставал вопрос – что с этим реактором будет дальше? Все конструкторские решения были выполнены с очень большой долей консерватизма, и те запасы, которые были заложены конструкторами, позволили продлить нам срок эксплуатации реактора еще на 15 лет. Необходимо было выполнить очень много модернизаций, чтобы привести блок уже к современным требованиям нормативных документов. Мы это сделали и в итоге получили лицензию до 2025 года».
Работы по подтверждению ресурсных характеристик оборудования идут и сейчас. В первую очередь это касается незаменяемых компонентов установки. Например, самого корпуса реактора. Исследования показывают – срок эксплуатации БН-600 можно продлить еще на 15 лет. Тогда установка прослужит в общей сложности шестьдесят.
Практически весь объем корпуса реактора БН заполнен жидким натрием – примерно вот до этого уровня. Вообще, есть несколько видов теплоносителей, которые удовлетворяют по ядерно-химическим свойствам и подходят для реакторов на быстрых нейтронах – это ртуть, свинец, натрий и сплав висмут-олова. Но самой востребованной оказалась именно натриевая технология.
Выбор теплоносителя подтверждался экспериментальными работами. Сооружались свинцово-висмутовые стенды, ртутные, газовые. Но натрий оказался самым дружелюбным по отношению к материалам оборудования, находящегося внутри реакторной зоны.
Сергей Шепелев, главный конструктор реакторных установок на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем АО «ОКБМ Африкантов»: «Натрий обладает очень хорошими теплофизическими свойствами, лучше других конкурентных теплоносителей. Также он обладает довольно низкой температурой плавления, то есть его поддерживать в жидком состоянии довольно легко. Также у него довольно высокая температура испарения. Коррозионная активность у него очень минимальная для наших материалов».
БН-600 кроме своих прямых функций – давать электричество в сеть – все эти годы был еще и опытной площадкой. Чтоб обеспечить замкнутый ядерный топливный цикл, ученые начали разрабатывать новые виды топлива. МОКС – это смесь оксидов урана и плутония. СНУП – смешанная нитрит-уран-плутониевая. Оба создавались на основе переработки топлива, отработавшего на реакторах в ВВЭР, и оба испытывались именно здесь – под «ромашкой».
Валерий Шаманский, заместитель главного инженера по безопасности и надежности Белоярской АЭС: «Не теряя своих экономических показателей, этот уникальный реактор позволяет производить вот такие эксперименты, такие испытания. То есть эти испытания никак не влияют на надежность, на время работы, на топливные компании. То есть это все происходит в режиме штатной эксплуатации энергоблока».
Результаты всех экспериментов оказались впечатляющими – топливо ведет себя прекрасно, и показатели энергоёмкости очень высокие. СНУП предназначена для нового реактора на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем (БРЕСТ-300, строят в Северске). На частичной загрузке МОКСом уже несколько компаний работает БН-800. Сейчас блок остановлен на плановое обслуживание, по завершению его загрузят оксидом урана и плутония на 60 процентов.
Сотрудник Белоярской АЭС: «Всё зависит от количества кампаний. То есть блок работает без останова сто пятьдесят пять суток – это одна, например, компания. Топливо находится в активной зоне, в реакторе, три, например, кампании. То есть получается 465 суток. Через 465 суток мы всю активную зону практически меняем. По мере перегрузки мы будем загружать уже только плутониевое топливо».
Между пусками БН-600 и БН-800 прошло 35 лет, но именно эксплуатация большой промышленной установки дала возможность развитию натриевой технологии и сохранила пул необходимых специалистов.
Несмотря на общую идею, реакторы разные. БН-800 мощнее, но легче. Есть такой параметр: удельный вес на мегаватт мощности. Для БН-600 –это порядка 13 тонн на мегаватт, для БН-800 – меньше десяти. И системы безопасности в новом поколении были усилены в несколько раз.
Реактор на быстрых нейтронах сконструирован таким образом, что даже при самом неблагоприятном сценарии, вроде фукусимского, у оператора БН-800 будет достаточный запас времени для принятия решений. В трубопровод каждой петли встроен специальный воздушный теплообменный аппарат, который позволяет расхолаживать реактор при естественной циркуляции натрия.
Вообще реактор на быстрых нейтронах защищает сам себя. В этих установках натрий никогда не застывает, то есть температура будет поддерживаться в районе 230-250 градусов. У него очень компактная активная зона и стабильное поле энерговыделения. Реактор легко управляемый. Если появится неконтролируемое увеличение мощности, то обратные связи по реактивности пытаются его заглушить.
Илья Филин, заместитель главного инженера по эксплуатации 4 энергоблока Белоярской АЭС: «Одна из программ, которые мы выпускаем, выполняли несколько раз: то есть на нулевом уровне мощности, пять процентов, пятнадцать, тридцать пять, пятьдесят. Она, по сути дела, копировала фукусимские события. Но это была программа осознанно подготовленная, она же писалась до Фукусимы. Для этой установки электричество для разглаживания не требуется. Установка может расхолодить сама себя в режиме естественной циркуляции. И это устройство расхолаживания где-то будет превышать 20 градусов в час. То есть за нас работают законы физики и пока они существуют эта установка будет безопасной».
40 лет эксплуатации БН-600 и пять лет работы БН-800 показали: мощные реакторы на быстрых нейтронах, при необходимости, могут стать серийными. Нареканий на действующие установки нет. Блок с мощностью 1200 мегаватт – это новая ступень эволюции технологии.
Илья Филин, заместитель главного инженера по эксплуатации 4 энергоблока Белоярской АЭС: «Процесс совершенствования бесконечен по сути дела. То есть БН-600 сейчас настолько отработал натриевую технологию, что из года в год экономическая составляющая становится все лучше и лучше, и лучше. По сути дела, такой же процесс идет и на БН-800. То есть никто не ставит себе задачу сразу новую установку разогнать на максимальную мощность. Все равно где-то держится на мощности пониже. И смотрим, где какие резервы есть. Но так, чтобы это было безопасно и для оборудования, и для окружающих».
Вероятность аварий с расплавлением активной зоны, когда задействованы все эти системы безопасности, составляет 1 случай на 100 тысяч лет. Тем не менее, на новых станциях теперь стоят еще и ловушки расплава. В случае аварии топливо просто стечет в жаропрочный тигель – емкость с двойным корпусом.
Обычно дверь резервного пульта управления опломбированы, и, прежде чем ее открыть, сменный инженер должен позвонить на блочный пункт управления и предупредить оператора. Ведь как только дверь откроется у них там сработает сигнализация. На резервный пульт выведены все основные системы управления. Но его главная задача – это остановка реактора.
За все время эксплуатации промышленных установок на быстрых нейтронах дверь на резервный пульт открывали только во время плановых учений. Специалисты видят смысл в дальнейшем развитии технологии не только с точки зрения ее доказанной безопасности и возможности тиражирования. В первую очередь они исходят из приближающихся проблем с добычей урана и ежегодно увеличивающимся объемом отработавшего топлива, и БН в этом контексте – самое важное звено в цепочке замкнутого ядерного топливного цикла.
Видео специального репортажа телеканала "Россия 24" доступно по ссылке: https://www.youtube.com/watch?v=sKwsX0Eqya8