Кіріспе
Тез нейтрондық реакторлар (ТНР) немесе жылдам спектрлі реактор немесе жай ғана жылдам реактор – ядролық реактордың бір түрі, онда бөліну тізбектік реакциясы жылдам нейтрондармен (орташа есеппен 1 МэВ-тан жоғары энергияны тасымалдайтын) сақталады, ал термиялық нейтрондық реакторларда қолданылатын баяу термиялық нейтрондардан ерекшеленеді. Мұндай жылдам реакторға нейтрондық модератор қажет емес, бірақ термиялық нейтрондық реакторға қарағанда бөлінетін материалға бай отын қажет. Әлемде шамамен 20 құрлықтағы жылдам реактор салынды, олардың барлығы 400 реакторлық жылға жуық жұмыс істеді. Олардың ішіндегі ең ірісі – Франциядағы Суперфеникс натриймен салқындатылатын жылдам реакторы, ол 1242 МВт электр энергиясын беруге арналған. Тез реакторлар 1950 жылдан бері жан-жақты зерттелді, себебі олар сумен салқындатылатын және сумен реттелетін реакторлардың қазіргі паркіне қарағанда бірнеше артықшылықтар ұсынады. Олар:
Жылдам нейтронның сіңірілуінен туындаған бөліну кезінде баяу (термиялық немесе модерацияланған) нейтрондармен салыстырғанда көбірек нейтрондар пайда болады. Осылайша, сындық жағдайға жету баяу нейтрондарға қарағанда оңайырақ. Бүгінгі күнге дейін салынған барлық жылдам реакторлардың жобаларында салқындатқыш ретінде сұйық металдар қолданылады, мысалы, натриймен салқындатылатын жылдам реактор және қорғасынмен салқындатылатын жылдам реактор. Бұл металдардың қайнау температурасы өте жоғары болғандықтан, реактордағы қысымды төмен деңгейде ұстауға болады, бұл қауіпсіздікті айтарлықтай жақсартады. Реактордың ішкі температурасы сумен салқындатылатын конструкциядағыдан әлдеқайда жоғары болғандықтан, мұндай реакторлардың термодинамикалық тиімділігі жоғары; өндірілген жылудың үлкен бөлігі пайдалы электр энергиясына айналады. Ураннан ауыр атомдар термиялық нейтрондарға қарағанда жылдам нейтрондармен ыдырауға бейім. Бұл ядролық қалдықтар ағынындағы ауыр атомдардың, мысалы, курийдің мөлшерін едәуір азайтады, нәтижесінде қалдықтарды басқару талаптары айтарлықтай төмендейді. GEN IV бастамасында болашақта ұсынылған реакторлардың үштен екісі осы себептерге байланысты жылдам спектрді пайдаланады.
A fast neutron reactor (FNR) or fast spectrum reactor or simply a fast reactor is a category of nuclear reactor in which the fission chain reaction is sustained by fast neutrons (carrying energies above 1 MeV, on average), as opposed to slow thermal neutrons used in thermal neutron reactors. Such a fast reactor needs no neutron moderator, but requires fuel that is relatively rich in fissile material when compared to that required for a thermal neutron reactor. Around 20 land based fast reactors have been built, accumulating over 400 reactor years of operation globally. The largest of this was the Superphénix Sodium cooled fast reactor in France that was designed to deliver 1,242 MWe. Fast reactors have been intensely studied since the 1950s, as they provide certain advantages over the existing fleet of water cooled and water moderated reactors. These are:
More neutrons are produced when a fission occurs, resulting from the absorption of a fast neutron, than the comparable process with slow (thermal, or moderated) neutrons. Thus, criticality is easier to attain than with slower neutrons. All fast reactor designs built to this date use liquid metals as coolant, such as the sodium cooled fast reactor and the lead cooled fast reactor. As the boiling points of these metals are very high, the pressure in the reactor can be maintained at a low level, which improves safety considerably. As temperatures in the core can also be substantially higher than in a water cooled design, such reactors have a greater thermodynamic efficiency; a larger percentage of the heat generated is turned into usable electricity. Atoms heavier than uranium have a much greater chance of fission with a fast neutron, than with a thermal one. This means that the inventory of heavier atoms in the nuclear waste stream, for example curium, is greatly reduced, leading to a substantially lower waste management requirement. In the GEN IV initiative, about two thirds of the proposed reactors for the future use a fast spectrum for these reasons.
Бөліну процестері
Тез реакторлар уран және басқа да ауыр атомдардың бөлінуі арқылы жұмыс істейді, бұл жағынан термиялық реакторларға ұқсас. Дегенмен, маңызды айырмашылықтар бар, себебі коммерциялық ядролық реакторлардың басым көпшілігі баяулағыш (модератор) қолданады, ал тез реакторларда ол қолданылмайды.
Әдеттегі ядролық реакторларда модератор ретінде жеңіл судың кемшіліктері
Модераторды пайдаланудың төмендегі кемшіліктері жылдам реакторларды зерттеу мен әзірлеуге себеп болды. Арзан, оңай қол жетімді және оңай тазартылатын болса да, жеңіл су нейтрондарды сіңіріп, реакциядан шығарады. Бұл табиғи уранның концентрациясы тізбекті реакцияны ұстап тұру үшін тым төмен; судағы сіңіру арқылы жоғалған нейтрондар және қоршаған ортаға жоғалғандармен бірге отынның ішінде аз қалды. Бұл мәселені шешудің ең кең таралған жолы - байытылған уранды өндіру үшін отынның құрамында уранның мөлшерін шоғырландыру, ал қалған бөлігі кеміген уран деп аталады. Басқа термиялық нейтрондық конструкциялар басқа модераторларды қолданады, мысалы, ауыр су немесе графит, олар нейтрондарды сіңіруге аз ықтимал, сондықтан олар табиғи уран отынымен жұмыс істейді. CANDU, X 10 графит реакторын қараңыз. Екі жағдайда да реактордың нейтрондық экономикасы термиялық нейтрондарға негізделген. Суды суытудың екінші кемшілігі - оның қайнау температурасы салыстырмалы түрде төмен. Электр энергиясын өндірудің басым бөлігі бу турбиналарын пайдаланады. Бұл жүйелер будың қысымы (соның нәтижесінде температурасы) жоғары болған сайын тиімдірек болады. Сумен суытылған және орташа температурада жұмыс істейтін ядролық реактор электр энергиясын тиімді өндіру үшін жоғары қысыммен жұмыс істеуі керек. Осылайша, мұндай реакторлар өте ауыр болат ыдыстарды пайдалана отырып, мысалы, 30 см (12 дюйм) қалыңдықты пайдаланады. Бұл жоғары қысымды операция реактордың құрылымын күрделілендіреді және физикалық қауіпсіздіктің кең шараларын қажет етеді. Әлемдегі ядролық реакторлардың басым көпшілігі сумен салқындатылады және сумен реттеледі. Мысалға PWR, BWR және CANDU реакторларын аламыз. Ресей мен Ұлыбританияда графитті модератор ретінде, ал ресейлік реакторларда суды және британдық реакторларда газды салқындатқыш ретінде пайдаланатын реакторлар жұмыс істейді. Бұл реакторлардың жұмыс температурасы мен қысымы инженерлік және қауіпсіздік шектеулеріне байланысты, екеуі де шектеулі. Осылайша, бу турбинасына жеткізілетін температура мен қысым да шектеулі. Қазіргі заманғы қысымды су реакторының су температурасы шамамен 300°C, ал қысымы шамамен 85 бар (1233 псальи) болады. Мысалы, қазіргі заманғы көмірмен жұмыс істейтін бу контурларымен салыстырғанда, мұнда негізгі бу температурасы жоғары болады, бұл салыстырмалы түрде төмен жылу тиімділігіне әкеледі. Қазіргі заманғы электр энергиясын өндіру реакциясында ядролық жылудың 30-33 пайызы электр энергиясына айналады. Үшінші кемшілік - ядролық реактор (немесе кез келген) жұмыс істегеннен кейін тоқтатылған кезде реактордағы отын енді бөліну процестеріне ұшырамайды. Алайда, жоғары радиоактивті элементтердің бар, олардың кейбіреулері едәуір мөлшерде жылу өндіреді. Егер отын элементтері ашық болса (яғни элементтерді салқындататын су болмаса), бұл жылу енді шығарылмайды. Одан кейін отын қызып, циркалой қаптамасының балқу температурасынан жоғары болады. Бұл кезде отын элементтері еріді, және отынның еруі пайда болады, мысалы, Фукусима апатында болған бірнеше отынның еруі. Реактор тоқтатылған кезде температура мен қысым атмосфералық деңгейге дейін төмендейді, сондықтан су атмосфералық температурада қайнайды. Бұл салыстырмалы төмен температура, қолданылатын болат ыдыстардың қалыңдығымен бірге, Фукусима апатынан көрініп тұрғандай, отынды салқындатуда қиындықтар тудыруы мүмкін. Сонымен қатар, термиялық спектрдегі уран мен плутонийдің бөлінуі жылдам спектрдегіге қарағанда аз нейтрон береді, сондықтан жылдам реакторда көп шығын болады. Ұсынылған жылдам реакторлар осы проблемалардың барлығын шешеді (негізгі бөліну қасиеттерімен қатар, мысалы, плутоний 239 жылдам нейтронды жұтқаннан кейін баяу нейтроннан гөрі бөліну ықтималдығы жоғары).
Тез бөліну және көбейу
Олардың жоғары энергиялы нейтрондармен тұтқындау қимасы төмен болғанымен, олар MeV диапазонына дейін реактивтілігін сақтайды. Егер немесе тыңғыздығы жеткілікті болса, жанар майдағы бөлінетін атомдардың саны тізбекті реакцияны жылдам нейтрондармен ұстап тұру үшін қажетті шегіне жетеді. Шындығында, жылдам спектрде жылдам нейтронды тұтқанда, ол шамамен 11% жағдайда бөлінеді, ал қалған тұтқындар «радиациялық» болып, плутоний-239 ыдырау тізбегіне енеді. Реактор жылдам нейтрондармен жұмыс істегенде, изотопы термиялық нейтронды тұтқанда болатын 62% бөлінудің орнына 74% бөлінуге ұшырау ықтималдығы бар. Сонымен қатар, жылдам нейтронды сіңіргенде бөліну ықтималдығы 70% құрайды, ал термиялық нейтрон үшін ол 20% төмен. Жылдам нейтрондар уран мен плутонийді тұтқындау мүмкіндігі аз, бірақ тұтқындалған жағдайда бөлінуге себеп болу ықтималдығы айтарлықтай жоғары. Сондықтан пайдаланылған жылдам реактор отынының тізімінде уран мен плутонийден басқа актинидтер жоқ, оларды тиімді қайта өңдеуге болады. Тіпті егер реактор ядросы бастапқыда 20% массалық реакторлық плутониймен (орташа есеппен 2% , 53% , 25% , 15% , 5% және іздері бар) толтырылса да, жылдам спектрлі нейтрондар олардың әрқайсысын маңызды деңгейде бөлінуге итермелейді. Отын циклының 24 айлық соңында бұл қатынастар өзгереді, үлесі 80% асып, ал қалған плутоний изотоптарының үлесі төмендейді. Модераторды жою арқылы реактор ядросының көлемін және күрделілігін қысқартуға болады. және әсіресе жылдам нейтронды тұтқанда бөлінуге бейім болғандықтан, мұндай реакторларды плутоний мен табиғи уран қоспасымен немесе 20% шамасында байытылған материалмен отынмен қамтамасыз етуге болады. Жаңа отынның пайда болу процесі көбейту деп аталады. Термиялық циклде өндірілген барлық уранның 1% азы қолданылады, ал ең жақсы жылдам реактор циклдерінде табиғи уранның 60% дейін бөлінеді. Қазіргі пайдаланылған ядролық отын қоры (реакторлық плутоний бар) ескерілгенде, осы пайдаланылған отын материалдарын өңдеуге және актинид изотоптарын көптеген жылдам реакторларда отын ретінде қайта пайдалануға болады. Бұл тиімді түрде , реакторлық плутонийді , және тұтынуға мүмкіндік береді. Пайдаланылған реактор отынының қорында әлі де көп мөлшерде энергия бар; егер осы материалды пайдалану үшін жылдам реактор түрлері қолданылса, бұл энергияны пайдалы мақсаттар үшін алуға болады.
Салқындатқыш
Барлық ядролық реакторлар жылу өндіреді, оны реактор өзегінен шығарып тастау қажет. Термиялық реакторлардағы ең көп қолданылатын салқындатқыш – су, бірақ ол жылдам реактор үшін тиімді емес, себебі су тиімді нейтрондық тежегіш ретінде әрекет етеді. Барлық жұмыс істейтін жылдам реакторлар – сұйық металлмен салқындатылатын реакторлар, олар салқындатқыш ретінде натрий, қорғасын немесе қорғасын-бисмут эвтектикасын пайдаланады. Клементин реакторының алғашқы нұсқасында сынап салқындатқышы және плутоний металл отыны қолданылған. Адамға зиянды болуынан басқа, сынаптың нейтрондарды тұтқындау қимасы жоғары (яғни, ол (n,γ) реакциясы үшін нейтрондарды оңай сіңіреді, бұл салқындатқышта белсенділікке алып келеді және отында сіңірілуі мүмкін нейтрондардың жоғалуына себеп болады), сондықтан ол енді салқындатқыш ретінде пайдалы емес. Ресей балқытылған қорғасын және қорғасын-бисмут эвтектикалық қорытпаларын пайдаланатын реакторларды жасады, олар теңіздік қозғалтқыш құрылымдарында, әсіресе советтік «Альфа» класындағы суасты кемелерінде, сондай-ақ кейбір прототиптік реакторларда кеңінен қолданылды. Натрий-калий қорытпасы (NaK) төмен балқу температурасының арқасында сынақ реакторларында танымал. Тағы бір ұсынылған жылдам реактор – балқытылған тұз реакторы, онда тұздың тежегіш қасиеттері маңызды емес. Қолданылатын тұздың нақты формуласы маңызды, өйткені кейбір формулалар тиімді тежегіштер, ал басқалары – емес. Газбен салқындатылатын жылдам реакторлар гелийді қолдана отырып, зерттелді, оның сіңіру және шашырату қималары төмен, бұл салқындатқышта маңызды нейтрондарды сіңірмей, жылдам нейтрондық спектрді сақтауға мүмкіндік береді. Тазартылған азот-15 де салқындатқыш газ ретінде ұсынылды, себебі ол гелийге қарағанда көп таралған және нейтрондарды сіңіру қимасы да өте төмен. Дегенмен, барлық ірі жылдам реакторлар балқытылған металл салқындатқышын пайдаланған. Балқытылған металдардың артықшылықтары – төмен құны, аз белсендіру потенциалы және сұйық фазаның кең диапазоны. Соңғысы материалдың төмен балқу және жоғары қайнау температурасына ие екенін білдіреді. Бұл реакторлардың мысалдарының бірі – бүкіл әлемде әлі де дамытылып келе жатқан натриймен салқындатылатын жылдам реактор. Ресей қазіргі уақытта екі мұндай реакторды коммерциялық масштабта пайдалануда. Сонымен қатар, Ресейде қорғасынмен салқындатылатын жылдам реакторлар бойынша 80 жылдық тәжірибе бар, ол қызығушылықты күшейтуде.
Отын
Іс жүзінде, жылдам нейтрондармен тізбекті бөліну реакциясын сақтау үшін салыстырмалы түрде байытылған уран немесе плутоний қолдану қажет. Бұл себебі, бөліну реакциялары жылу энергиясында тиімдірек болады, себебі жылу спектрінде бөліну қимасы мен сіңіру қимасы арақатынасы ~100, ал жылдам спектрде – 8 құрайды. Жоғары (жылдам) энергияда бөліну және сіңіру қималары екі жағдайда да төмендеуімен, жылдам нейтрондар отын арқылы өзара әрекеттеспей, одан өтіп кетуі мүмкін; сондықтан, көбірек бөлінетін материал қажет. Осылайша, жылдам реактор табиғи уран отынымен жұмыс істей алмайды. Дегенмен, өндірісі тұтынудан артық болатын отынды өндіретін жылдам реакторды құру мүмкін. Бастапқы отын зарядталғаннан кейін, мұндай реакторды қайта өңдеу арқылы отынмен толықтыруға болады. Бөліну өнімдерін қосымша байытусыз табиғи, тіпті азайтылған уран қосып алмастыруға болады. Бұл – жылдам көбейту реакторының (FBR) тұжырымдамасы. Бүгінгі күнге дейін көптеген жылдам нейтронды реакторлар MOX (аралас оксид) немесе металл қорытпа отынын пайдаланған. Кеңес Одағындағы жылдам нейтронды реакторлар бастапқыда (көп байытылған) уран отынын қолданды, ал 2022 жылы MOX отынына көшті. Үндістанның прототиптік реакторы уран карбиді отынын пайдаланады. Жылдам энергиядағы сындық жағдайға 5,5 салмақтық пайызға дейін байытылған уранмен қол жеткізуге болады, бірақ ядроның қызмет ету мерзімін ескере отырып, 20 пайызға дейін байытумен жылдам реакторлардың жобалары да ұсынылған: егер жылдам реактор ең төменгі сындық массамен зарядталса, алғашқы бөлінуден кейін ол сындықтан төмен болады. Керісінше, реактивтілікті басқару механизмдерімен реактивтілікті басқару толығымен енгізіліп, реакторды суперкритикалықтан критикалық күйге жеткізеді; отын сарқылғанда реактивтілікті басқару алынып тасталып, бөліну процесін жалғастыруға қолдау көрсетіледі. Жылдам көбейту реакторында жоғарыда айтылғандар қолданылады, бірақ отынның сарқылуынан туындаған реактивтілік де тиісінше немесе көбейту арқылы өтеледі. Кейбір жобаларда жоғары нейтронды тұтқындау қималары бар изотоптарды қамтитын, жанғыш уларлар (немесе жанғыш сіңірушілер) қолданылады. Бұл мақсатта табиғи гадолинийдегі концентрленген немесе қолданылады. Бұл изотоптар артық нейтрондарды сіңіре отырып, сіңіру қимасы төмен изотоптарға айналады, сондықтан отын циклының өмірі бойы олар жоғары тұтқын қималары бар көбірек бөліну өнімдері пайда болған сайын жойылады. Бұл жаңа отынмен іске қосылғанда ядродағы реактивтілікті басқаруды жеңілдетеді.
Бақылау
Термиялық реакторлар сияқты, жылдам нейтронды реакторлар да реактордың сынилығын кідірілген нейтрондарға тәуелді ету арқылы, ал жалпы басқаруды нейтронды сіңіретін басқару таяқшалары немесе жалақтары арқылы жүзеге асырады. Бірақ, олар модераторларына өзгерістер енгізуге сүйене алмайды, себебі модератор мүлдем жоқ. Сондықтан, термиялық нейтрондарға әсер ететін модератордағы Допплер кеңеюі, сондай-ақ модератордың теріс бос коэффициенті де жұмыс істемейді. Бұл екі техника да әдеттегі жеңіл су реакторларында кеңінен қолданылады. Отынның молекулалық қозғалысынан және оның қыздыруынан туындаған Допплер кеңеюі жылдам теріс кері байланыс жасауға мүмкіндік береді. Бөлінетін материалдардың молекулалық қозғалысы отынның салыстырмалы жылдамдығын нейтронның ең тиімді жылдамдығынан ауыстыруы мүмкін. Отынның жылулық кеңеюі де теріс кері байланысқа себеп болуы мүмкін. Су асты кемелері сияқты кішкентай реакторлар Допплер кеңеюін немесе нейтрон рефлекторларының жылулық кеңеюін пайдалана алады.
Ресурстар
1960 жылдары уран кенінің қорына қатысты бағалау өте төмен болғандықтан және ядролық энергияның базалық қуатты қамтамасыз етуге көшу қарқыны күтілгендей болмағандықтан, 1960 және 1970 жылдар аралығында жылдам көбейгіш реакторлар әлемнің энергия қажеттіліктерін шешуге болатын жағдай деп есептелді. Екі рет өңдеу процесі арқылы жылдам көбейгіш реакторлар белгілі кен орындарының энергиялық мүмкіндіктерін арттырады, яғни қолда бар кендер жүздеген жылдарға жетеді. Бұл тәсілдің кемшілігі – көбейгіш реакторға өңделген отын қажет, ол пайдаланылған отынды өңдеу орналысында өңделуі тиіс. Сұраныс артып, белгілі ресурстар азайған сайын, бұл баға байытылған уран бағасынан төмен болады деп күтілді. 1970 жылдары, әсіресе АҚШ, Франция және КСРО-да эксперименттік көбейгіш реакторлардың жобалары зерттелді. Бірақ, осы кезде уран бағасы күрт төмендеді. Күтілген сұраныстың өсуі тау-кен компанияларын 1970 жылдардың ортасында реакторлар құрылысының баяулауымен бірге, өндіріс көлемін арттыруға итермеледі. Осының салдарынан, отынның артық өндірісі 1980 жылы фунтқа 40 доллардан 1984 жылы 20 долларға дейін төмендеді. Көбейгіш реакторлар 100-160 долларға дейін қымбат отын өндірді, ал коммерциялық режимде жұмыс істеген бірнеше реакторлар экономикалық тұрғыдан тиімсіз болып шықты.
Кемшіліктер
Қазіргі уақыттағы жылдам реакторлардың көпшілігі натрий, қорғасын немесе қорғасын висмутымен салқындатылғандықтан, мұндай жүйелердің кемшіліктері осы жерде сипатталады. Реакторларды жылдам нейтрондармен жұмыс істету нәтижесінде ядроның реактивтілігі осы нейтрондармен анықталады, модерацияланған реакторларға қарамастан. Модерацияланған реакторларда реактивтілікті бақылаудың маңызды бөлігі кідірілген нейтрондардан алынады, бұл операторларға немесе компьютерлерге реактивтілікті реттеуге уақыт береді. Тез реакторларда кідірілген нейтрондар іс жүзінде рөл атқармайды, сондықтан тез реакторларда реактивтілікті өте қысқа мерзімде (мысалы, бір секунд ішінде) бақылау үшін басқа механизмдер қажет, олар жылулық кеңею және Доплер кеңдеуі. Ұзақ мерзімді реактивтілік нейтронды сіңіретін материалмен толтырылған бақылау таяқшаларынан алынады. Бүкіл реактор үлкен көлемде балқытылған металлмен толтырылғандықтан, май құю оңай емес, өйткені оптикалық құралдар (камералар және т.б.) пайдасыз. Жанармай құю үшін қымбат, мұқият калибрленген және орналастырылған роботтық құралдар қажет. Сонымен қатар, реактордан отын элементтерін толықтай алып тастау қиын. Реактордың барлық бөлме температурасынан жоғары балқу температурасы бар металлмен толтырылуы, барлық құбырлар, жылу алмастырғыштар және барлық реактор көлемі кез келген ядролық операцияны жүргізуден бұрын электрлік қыздырылуы керек. Алайда, реактор жылу шығарғаннан кейін бұл мәселе туындамайды. Бүгінгі күнге дейін жылдам реакторлардың көпшілігі қымбатқа түсіп, жұмыс істеуге шыдады және уран бағасы күрт өспесе немесе құрылыс шығындары төмендемесе, жылулық нейтронды реакторлармен бәсекелесе алмайды. Ядролық қалдықтарды жою туралы қабылданыс болғандықтан, мұндай реакторлар қажет болады деп есептеледі. Модерацияланған реакторларды салудың құны артып бара жатқандықтан (басқа факторлармен қатар) қауіпсіздіктің қатаң механизмдері, бұл жылдам реакторлардың экономикалық тиімділігін арттыруы мүмкін. Натрий тез реакторларда жиі салқындатқыш ретінде қолданылады, өйткені ол нейтрондық жылдамдықты көп өзгертпейді және жоғары жылу сыйымдылығына ие. Алайда, ол ауада жануға және көбік пайдаетуге бейім, бірақ ауадағы натрийдің жану реакциясын натрий мен судың өте күшті реакциясымен шатастыруға болмайды. Натрийдің ағып кетуі ауамен тұтанды, USS Seawolf (SSN 575) және Monju сияқты реакторларда қиындықтар тудырады. Кейбір натриймен салқындатылатын жылдам реакторлар ұзақ уақыт бойы қауіпсіз жұмыс істеді (әсіресе Phénix және EBR II 30 жыл бойы, немесе BN 600 және BN 800 1980 және 2016 жылдардан бері жұмыс істеп келеді, бірнеше ұсақ ақаулар мен өртке қарамастан). Натрийдің ағып кетуі (немесе өртенуі) радиоактивті элементтерді шығармайтынын атап өту маңызды, өйткені натрийлі жылдам реакторлар әрқашан екі контурлы жүйемен жобаланады. Литий мен бериллийден басқа сұйық металдардың модерациялау қабілеті төмен болғандықтан, жылдам реактор салқындатқышымен нейтрондардың негізгі өзара әрекеттесуі (n, гамма) реакциясы болып табылады, ол салқындатқышта радиоактивтілікті тудырады. Натрий 24, натриймен суытылатын жылдам реактордың реактор контурында, табиғи натрий 23-ті нейтронмен бомбалау арқылы жасалады. 15 сағаттық жартылай өмірге ие, магнийдің 24Mg изотоптарына электронды және екі гамма сәулесін шығару арқылы ыдырайды. Бұл изотоптың жартылай өмірі өте қысқа болғандықтан, мысалы, екі аптадан кейін, оның қалдығы жоққа шығарылады. Натрийді пайдаланатын жылдам спектрлі реакторлар осы магнийді натрийден шығарып тастауы керек, бұл "салқын" тұзақпен жүзеге асырылады. Сұйық қорғасын немесе қорғасын висмуты эвтектикалық конструкцияларынан тек сұйық эвтектикалық қорғасын висмуты ғана белсендіріледі. Таза қорғасын дерлік белсендірілмейді, сондықтан таза қорғасын реакторының құрылысы бір контурмен жұмыс істей алады, жылу алмастырғыштар мен жеке жүйелерде елеулі шығындарды үнемдейді. Дұрыс емес жылдам реактордың конструкциясы оң бос коэффициентке ие болуы мүмкін: авария кезінде салқындатқыштың қайнауы салқындатқыш тығыздығын және осымен сіңіру жылдамдығын төмендетеді. Мұндай конструкциялар коммерциялық пайдалануға ұсынылмайды, өйткені олар қауіпсіздік және авариялық жағдайлар тұрғысынан қауіпті және қолайсыз. Бұл газбен салқындатылатын реактормен болдырмауға болады, өйткені авария кезінде мұндай реакторда саңылаулар пайда болмайды; алайда газбен салқындатылатын жылдам реакторда реактивтілікті басқару қиын. Жоғары нейтрондық энергияда көптеген материалдардың төмен қимасының салдарынан, жылдам реактордағы сындық масса термоядролық реакторға қарағанда әлдеқайда жоғары болады. Практикалық тұрғыда, бұл айтарлықтай жоғары байытуды білдіреді: жылдам реакторда >20% байыту, ал әдеттегі термоядролық реакторларда <5% байыту. Балама ретінде, ядролық қалдықтардан алынған плутонийдің қоспасы, табиғи немесе таусылған уранмен біріктірілуі мүмкін.
Америка Құрама Штаттары
Клементин – 1946 жылы Лос-Аламос ұлттық зертханасында салынған алғашқы жылдам реактор. Ол плутоний металл отынымен, сынап салқындатқышымен жұмыс істеді, 25 кВт жылу қуатына жетті және зерттеулер үшін, әсіресе жылдам нейтрон көзі ретінде пайдаланылды. Аргонн Весттегі (қазір Айдахо ұлттық зертханасы), Арко, Айдахо маңындағы Эксперименталды өсіретін реактор I (EBR I) 1951 жылы маңызды мөлшерде қуат өндірген алғашқы реактор болды. 1964 жылы қолданыстан шығарылды. Детройт маңындағы Ферми 1 реакторы – 1957 жылы іске қосылып, 1972 жылы тоқтатылған жылдам өсіретін реактордың прототипі. Айдахо штатының Арко қаласына жақын орналасқан Айдахо ұлттық зертханасындағы Эксперименталды өсіретін реактор II (EBR II) 1965–1994 жылдары Интегралды жылдам реактордың прототипі болды. Арканзастағы SEFOR – 1969 жылдан 1972 жылға дейін жұмыс істеген 20 МВт жылу қуаты бар зерттеу реакторы. 1982–1992 жылдары Вашингтон штатының Ханфорд қаласындағы Жылдам ағынды сынақ құрылғысы (FFTF) 400 МВт жылу қуатымен мінсіз жұмыс істеді. Ол күтімге және техникалық қызмет көрсетуге берілгенде аргонмен толтырылған сұйық натрий салқындатқышын пайдаланды. Калифорниядағы SRE – 1957–1964 жылдары жұмыс істеген 20 МВт жылу қуаты және 6,5 МВт электр қуаты бар коммерциялық реактор. LAMPRE 1 – 1 МВт жылу қуаты бар балқытылған плутониймен отынды реактор. 1961 жылдан 1963 жылға дейін Лос-Аламос ұлттық зертханасында зерттеу реакторы ретінде жұмыс істеді.
Еуропа
Доунрей Loop типті жылдам реакторы (DFR), 1959–1977 жылдар аралығында, 14 МВт және прототип жылдам реакторы (PFR), 1974–1994, 250 МВт, Шотландияның Хайленд аймағындағы Кейтнесс қаласында орналасқан. Dounreay Pool типті жылдам реакторы (PFR), 1975–1994, 600 МВт жылу қуаты, 234 МВт электр қуаты, аралас оксид (MOX) отынын пайдаланды. Францияның Кадараше қаласындағы Рапсоди (20, кейін 40 МВт) 1967 және 1982 жылдар аралығында жұмыс істеді. Франциядағы Superphénix 1200 МВт, саяси шешім мен жоғары құнға байланысты 1997 жылы жабылды. Феникс, 1973, Франция, 233 МВт, 2003 жылы ядролық қалдықтарды трансмутациялау бойынша эксперименттер үшін 140 МВт қуатымен қайта іске қосылды және алты жыл бойы жұмыс істеді, 2009 жылдың наурыз айында электр энергиясын өндіру тоқтатылды, бірақ 2009 жылдың соңына дейін CEA зерттеу бағдарламаларын сынақ режимде жалғастыра берді. 2010 жылы тоқтатылды. KNK II, Германиядағы 21 МВт қуаты бар, натриймен суытылатын эксперименталды жылдам реактор 1977 жылдың қазанынан 1991 жылдың тамызына дейін жұмыс істеді. Эксперименттің мақсаты энергия өндірумен қатар ядролық қалдықтарды жою болды. Натрийге байланысты шағын мәселелер мен қоғамдық наразылықтар осы нысанның жабылуына әкеп соқты.
КСРО/Ресей
Кіші қорғасынмен суытылған жылдам реакторлар, әсіресе Кеңес теңіз флоты үшін қолданылды. BR 5 – 1959 жылдан 2002 жылға дейін Обнинсктегі Физика және Энергетика институтында ғылыми-зерттеу жұмыстарына бағытталған жылдам нейтронды реактор. БН 350 Каспий теңізіндегі Шевченкода (қазіргі Актау) КСРО-да салынды. Ол күніне 130 МВт электр энергиясы және 80 000 тонна тұщы су өндірді. IBR – 1984 жылдан 2006 жылға дейін Дубнадағы (Мәскеу маңындағы) Ядролық зерттеулер бірлескен институтында іске қосылған, зерттеуге бағытталған импульстік жылдам нейтронды реактор. РОРСАТ бағдарламасының аясында 1989 жылдан 1990 жылға дейін Кеңес Одағы 33 ғарыш жылдам реакторын ұшырды, бұл АҚШ-та Радарлық мұхитты барлау спутнигі (РОРСАТ) деп белгіленді. Әдетте, реакторлар шамамен 3 кВт электр энергиясын өндірді. BES 5 – RORSAT бағдарламасының бөлігі ретінде іске қосылған, 5 кВт электр энергиясын өндірген натриймен суытылатын ғарыш реакторы. BR 5 – 1961 жылы КСРО-да негізінен материалдарды сынау үшін пайдаланылған 5 МВт жылу қуаты бар натрийлі жылдам реактор. Ресейлік Alpha 8 PbBi – су асты кемелерде қолданылған, қорғасын-бисмутпен суытылатын жылдам реакторлар сериясы. Бұл су асты кемелері жоғары жылдамдықтарының арқасында жасырын шабуылдар жасауға арналған, яғни портта тұрып, содан шабуылдайтын.
Азия
Жапониядағы 300 МВт қуаттылығы бар Монжу реакторы 1995 жылы күшті натрий ағуы мен өрт салдарынан жабылды. 2010 жылдың 6 мамырында қайта іске қосылды, бірақ 2010 жылдың тамызында құрал-жабдық түсіп, апат болғаннан кейін реактор тағы да тоқтатылды. 2011 жылдың маусым айына дейін реактор алғашқы сынағынан бері бар болғаны бір сағат электр энергиясын өндірді. Қазақстандағы 150 МВт қуаттылығы бар Ақтау реакторы плутоний өндіру, тұзсыздандыру және электр энергиясын өндіру үшін пайдаланылды. Ол зауыттың жұмыс лицензиясының мерзімі бітіп, 4 жыл өткен соң жабылды.
Белсенді
IBR 2 – Ядролық зерттеулер жөніндегі бірлескен институттың (Дубна) импульстік жылдам нейтрондық реакторы. И.М. Франк атындағы Нейтрон физикасы зертханасында (FLNP) орналасқан, JINR құрамында. 2006 жылдан 2011 жылғы маусымға дейін жаңғыртудан өтті. Қозғалмалы рефлекторы бар әлемдегі жалғыз ядролық реактор. 1984 жылғы 10 ақпанда пайдалануға берілді. BN 600 – Белоярск атом электр стансасындағы сумен салқындатылатын жылдам көбейту реакторы. Орталық Урал электр желісіне 560 МВт қуат береді. 1980 жылдан бері жұмыс істеп келеді. BN 800 – Белоярск атом электр стансасындағы натриймен салқындатылатын жылдам көбейту реакторы. 880 МВт электр қуатын өндіреді және 2014 жылғы қазан айында электр қуатын өндіруді бастады. 2016 жылғы тамызда толық қуатына жетті. BOR 60 – Ресейдің Димитровград қаласындағы Атомдық реакторларды зерттеу институтындағы натриймен салқындатылатын реактор. 1968 жылдан бері жұмыс істеп келеді. Эксперименттік мақсаттар үшін 60 МВт қуат өндіреді. FBTR – 40 МВт жылулық қуатты, 13,2 МВт электр қуатын өндіретін, үлкен жану деңгейлеріне қол жеткізуге бағытталған эксперименттік реактор (Үндістан). Қытайдың эксперименталды жылдам реакторы – 60 МВт жылулық қуатты, 20 МВт электр қуатын өндіретін эксперименттік реактор, 2011 жылы сынапқа жетті және қазіргі уақытта жұмыс істеп тұр. Бұл реактор болашақ қытай жылдам реакторлары үшін материалдар мен компоненттерді зерттеуге қолданылады. KiloPower/KRUSTY – Лос-Аламос ұлттық зертханасында салынған 110 кВт-дық зерттеулік натрийлі жылдам реактор. 2015 жылы алғаш рет сынапқа жетті және Стирлинг қуат циклын қолдану мүмкіндігін көрсетеді.
Жөндеуде
Jōyō (ядролық реактор) (Jōyō), 1977–1997 және 2004–2007 жылдары, Жапония, 140 МВт – сәулелендіру сынақтарын жүргізуге арналған экспериментальдық реактор. 2007 жылы болған оқиғадан кейін реактор жөндеуге тоқтатылды, ал жөндеу жұмыстары 2014 жылы аяқталуы жоспарланған.
Құрылысы жүріп жатыр
PFBR, Калпаккам, Үндістан, 500 МВт реакторы, 2021 жылға сынаққа қосылу жоспарланған. Бұл – натрийлі жылдам көбейткіш реактор. CFR 600, Қытай, 600 МВт. MBIR көп мақсатты жылдам нейтронды зерттеу реакторы. Ресейдің батысындағы Ульяновск облысындағы Димитровградтағы Атомдық реакторларды зерттеу институтының (NIIAR) алаңында 150 МВт жылу қуаты. Құрылысы 2016 жылы басталды және 2024 жылы аяқталуы жоспарланған. BREST 300, Северск, Ресей. Құрылысы 2021 жылдың 8 маусымында басталды.
Кесте
+ Жылдам реакторлар АҚШ Ресей Еуропа Азия Өткен Клементина, EBR I/II, SEFOR, FFTF BN 350 Дунрей, Рапсоди, Суперфеникс, Феникс (2010 жылы тоқтатылды) Күшін жойылған Клинч Ривер, IFR SNR 300, ASTRID Іске асылмай қалған MonjuЖұмыс істеп жатыр IBR 2, BOR 60, BN 600, BN 800 FBTR, CEFRЖөндеуде Jōyō Салынуда MBIR, BREST 300 PFBR, CFR 600Жоспарланған IV буын (Газ·натрий·қорытынды·тұз), TerraPower, Elysium MCSFR, DoE VTR BN 1200 Moltex, ALFRED 4S, JSFR, KALIMER