Rýchle neutrónové reaktory sú jedinečným vývojom ruských vedcov a budúcnosťou celého jadrového energetického priemyslu

Mierový atóm je jedným z pilierov svetovej energie, bez ktorého je moderná spoločnosť jednoducho nemožná. Napriek všetkým výhodám existujúcich jadrových elektrární hlavnou chybou bolo a zostáva zneškodňovanie vyhoreného jadrového paliva.

Zdá sa, že aj tento problém bude vyriešený - vďaka jedinečnému ruskému vývoju uzavretého jadrového palivového cyklu, ktorého realizácia je možná v jadrových reaktoroch s využitím rýchlych neutrónov.

Aký je problém modernej jadrovej energie

Mierový atóm teda slúži ľudstvu už viac ako tucet rokov na výrobu elektriny po celom svete. Ale je tu jeden veľmi vážny problém. Nie všetok prírodný urán je vhodný ako palivo pre jadrové reaktory.

Urán-238 je v prírode rozšírený (92 protónov, 146 neutrónov) a jeho podiel na svetových rezervách predstavuje 99,3% celkového uránu na Zemi. Ale to nie je vhodné pre jadrové reaktory ako palivo.

Iba zvyšných 0,7% svetovej dodávky vo forme uránu-235 (92 protónov, 143 neutrónov) môže slúžiť ako palivo. Ale ani táto zostávajúca časť uránu sa nedá jednoducho vziať a naložiť do reaktora. Musí byť vopred obohatený a podiel uránu-235 na celkovej hmotnosti uránu-238 sa zvýšil asi 700-krát.

Ukazuje sa, že napriek obrovským svetovým rezervám bude urán, ktorý je skutočne vhodný na palivo, podľa priemerných výpočtov dosť iba na 50 rokov.

Všetko nie je také pochmúrne, ako sa na prvý pohľad zdá. Urán-238 je možné stále upraviť pre jadrové reaktory. Je pravda, že na to je potrebné previesť urán-238 na plutónium-239 a tento proces je možný iba pri vystavení rýchlym neutrónom.

Ako sa ukazuje, táto premena nie je ľahká. Väčšina moderných reaktorov koniec koncov pracuje na „pomalých“ neutrónoch, ktoré sú zámerne spomalené, pretože urán-235 „nechce komunikovať“ s rýchlymi neutrónmi. Ale urán-238, naopak, nie je zapojený do transformačného procesu na pomalých neutrónoch.

Nie je ekonomicky uskutočniteľné uskutočňovať transformáciu uránu-238 na plutónium-239 osobitne. Je oveľa efektívnejšie použiť na to takzvané extra neutróny, ktoré sa tvoria počas rozkladnej reakcie. Preto sa v moderných reaktoroch špeciálne odstraňujú pomocou absorbérov.

Musíme teda skombinovať „odpadový“ urán-238 a „správny“ urán-235 na jednom mieste - v atómovom reaktore. A potom bude možné vyrábať elektrinu aj špecificky transformovať „nepotrebný“ urán-238 na nové jadrové palivo pre reaktory. Predpokladom toho je však skutočnosť, že musí (reaktor) pracovať na rýchlych neutrónoch.

Ale vytvorenie takého skutočne fungujúceho rýchleho neutrónového reaktora sa ukázalo byť veľkým problémom mnohých inžinierov. A s úlohou sa vyrovnali iba ruskí inžinieri-vedci.

Rýchle neutrónové reaktory, aké sú ich vlastnosti

Potrebujeme teda reaktor, ktorý beží na uráne 235, a zároveň musíme zabezpečiť, aby fungoval na rýchlych neutrónoch. Aby to bolo možné, je potrebné výrazne zvýšiť hustotu toku neutrónov (aby bol urán 235 ochotnejší interagovať s rýchlymi neutrónmi).

To znamená, že sa bude musieť použiť obohatené palivo, zatiaľ čo teplotný režim a toky neutrónov budú oveľa tvrdšie - budú potrebné stabilnejšie materiály.

Okrem toho by sa malo zabrániť použitiu materiálov, ktoré spomalia neutróny. To znamená, že klasická verzia - voda - nie je v tomto prípade vhodná, pretože dokonale spomaľuje neutróny.

Preto sa v počiatočných štádiách vývoja rýchlych reaktorov používala ako chladivo ortuť, od tejto možnosti sa však rýchlo upustilo kvôli vysokej toxicite kovu.

V ďalších fázach experimentov vyskúšali kovy ako olovo, bizmut a sodík.

Najsľubnejším materiálom bol sodík a olovo. A v prvej fáze sa sovietskym inžinierom podarilo „skrotiť“ sodík.

Prvý komerčný, plne funkčný rýchly neutrónový reaktor bol sovietsky reaktor BN-600. A už v roku 2015 spoločnosť Rosatom uviedla na trh reaktor BN-800 (sodík). Jedná sa o jedinečný reaktor tohto druhu, ktorý je už prispôsobený na prevádzku na plutóniové palivo s úplným uzavretým šľachtiteľským cyklom.

Aká je výhoda rýchlych reaktorov

Predbežné výpočty ukazujú, že vďaka tejto technológii percento jadrového paliva vhodného pre reaktory prudko stúpa zo skromných 0,7% na 30%.

V dôsledku toho sa efektívne zásoby paliva zvýšia približne 43-krát, čo znamená, že by mali stačiť nie na 50 rokov, ale na viac ako dve tisícročia. Myslím si, že je rozdiel aj pri veľmi hrubom výpočte.

Takéto reaktory sú navyše schopné plne fungovať na vyhoreté jadrové palivo z „pomalého“ reaktory, čo sľubuje riešenie najväčšej bolesti hlavy ekológov - ako naložiť s vyhoretým jadrom palivo.

Také reaktory sú tiež oveľa bezpečnejšie. Koniec koncov, namiesto horúcej vody pod vysokým tlakom používajú sodík. Sodík sa stáva tekutým pri 100 stupňoch Celzia a do varu prichádza až pri 900 stupňoch.

Pripomeňme si, ako funguje chladiaci systém na „konvenčných“ jadrových reaktoroch. Tam pôsobí voda pod obrovským tlakom ako chladivo. Je zrejmé, že vysoký tlak predstavuje vysoké riziko odtlakovania a nehôd.

So sodíkom nie sú také problémy. Pretože je bod varu vysoký, je možné ho udržiavať pri normálnom tlaku, čo znamená, že neexistuje šanca na únik a nehodu.

Aj v prípade abnormálnej situácie bude reaktivita sodíka hrať v prospech bezpečnosti. Pri interakcii s kyslíkom a parami vlhkosti v atmosfére bude sodík viazaný na perzistentnú chemickú látku zlúčeniny, ktoré zostanú na území stanice, nebudú sa rozptýliť po okrese a šíriť sa rádioaktívne znečistenie.

Rusko je pred ostatnými

Napriek mnohým pokusom rôznych krajín má plnohodnotnú komerčnú verziu rýchleho neutrónového reaktora iba Rusko, najmä Rosatom.

Skutočne ani Francúzi (so svojím sľubným vývojom „Phoenixovho reaktora“) nedokázali zvládnuť problém periodickej prevádzky ochranných systémov a v roku 2010 projekt zastavili.

Japonci vyskúšali aj ich vlastnú verziu - reaktor Monju, ale po sérii nehôd sa rozhodli ju rozobrať.

Indiáni tiež chceli vytvoriť svoj vlastný rýchly neutrónový reaktor, ale nič sa nestalo.

V Rusku sa technológia vyvíja plynulo a už sa pracuje na projekte rýchleho reaktora BN-1200, v ktorom sa ako chladivo používa roztavené olovo. Podľa plánu bude plne funkčný do roku 2030.

Ukazuje sa, že Rusko je jedinou krajinou, ktorá môže skutočne vyrábať jadrovú energiu efektívne a skutočne bezpečné vďaka jedinečnému dizajnu - rýchlemu neutrónovému reaktoru.