Кіріспе

Субкритикалық реактор – тізбекті реакцияны тудырмай ядролық бөлінуді жүзеге асыратын құрылғы. Тізбекті реакцияны ұстап тұрудың орнына, субкритикалық реактор сыртқы көзден қосымша нейтрондарды пайдаланады. Мұндай құрылғылардың екі негізгі түрі бар. Бірі – ядролық синтез машинасынан алынған нейтрондарды қолданады, бұл синтез-бөліну гибриді деп аталады. Екіншісі – протон сияқты зарядталған бөлшектермен үдетілген бөлшектер жеделдеткіші арқылы ауыр ядроларды шашырату нәтижесінде туындаған нейтрондарды пайдаланады, бұл жеделдеткішпен басқарылатын жүйе (ADS) немесе жеделдеткішпен басқарылатын субкритикалық реактор деп аталады.

Мотивация

Субкритикалық реакторды дәстүрлі ядролық реактордан алынған пайдаланылған отын құрамындағы ауыр изотоптарды жою үшін қолдануға болады, сонымен бірге электр энергиясын өндіруге мүмкіндік береді. Ядролық қалдықтардағы ұзақ өмір сүретін трансурандық элементтер принципі бойынша бөліне алады, бұл процесте энергия шығарылып, қысқа өмір сүретін бөліну өнімдері қалады. Бұл радиоактивті қалдықтарды кәдеге келтіру мерзімін едәуір қысқартады. Дегенмен, кейбір изотоптардың бөліну шегі бар, сондықтан оларды бөлу үшін жылдам реактор қажет. Оларды термиялық нейтрондармен бөлінетін материалға айналдыруға болады, бірақ кейбір нуклидтерге бөлінетін изотопқа жету үшін үш рет тізбектелген нейтронды ұстау реакциясы қажет, содан кейін тағы бір нейтрон бөліну үшін керек. Сонымен қатар, олар әр бөліну кезінде орташа есеппен өте аз мөлшерде жаңа нейтрондар шығарады, сондықтан олардан үлкен үлес құрайтын отынмен сындық деңгейге жету мүмкін емес. Ұқсатушымен жұмыс істейтін реактор бұл параметрге тәуелді емес, демек, осы нуклидтерді пайдалануға болады. Осылайша тиімді пайдалануға болатын үш маңызды ұзақ мерзімді радиоактивті изотоп – нептуний-237, америций-241 және америций-243. Ядролық қару материалы плутоний-239 да қолайлы, бірақ оны MOX отыны ретінде немесе қолданыстағы жылдам реакторларда арзан бағамен пайдалануға болады. Ядролық қалдықтарды өртеуден басқа, бұл типтегі реакторға қызығушылық таныту себебі – оның қауіпсіздігі жоғары, дәстүрлі реактордан өзгеше. Көптеген сындық реакторларда, бөліну жылдамдығы күрт өсіп, реакторды зақымдауы немесе жоюы мүмкін, сондай-ақ радиоактивті материалдың сыртқа шығуына әкелуі мүмкін (SL-1 немесе Чернобыль апатын қараңыз). Субкритикалық реакторда, сыртқы көзден үздіксіз нейтрондар берілмесе, реакция тоқтатылады. Алайда, тізбекті реакция тоқтатылғаннан кейін де жылу шығару мәселесі сақталады, сондықтан мұндай реакторды тоқтатудан кейін ұзақ уақыт бойы салқындату, қызып кетудің алдын алу үшін өте маңызды. Дегенмен, ыдыраудан туындаған жылу мәселесі де азайтылуы мүмкін, өйткені субкритикалық реакторға бөлінетін материалдың сындық массасын жинау қажет емес, сондықтан оны (шамамен) кез келген кішкентай өлшемде салуға болады, демек, авариялық салқындатқыш жүйесінің қажетті жылу сыйымдылығын азайтуға болады, ол тоқтатудан кейінгі бірнеше сағаттан бірнеше күнге дейін шығарылған барлық жылуды сіңіре алады.

Келесіден кейін пайда болған нейтрондар

Субкритикалық реактордың "қалыпты" ядролық реактордан (шапшаң немесе термиялық нейтрондармен жұмыс істеуіне қарамастан) тағы бір айырмашылығы – барлық "қалыпты" ядролық электр станциялары қауіпсіз жұмыс жағдайларын сақтау үшін кешіктірілген нейтрондарға тәуелді. Бөлінетін нуклидке байланысты, бөліну кезінде нейтрондардың шамамен 1%-ы бірден (тез нейтрондар) шығарылмайды, ал бета-ыдыраудан кейін нейтрон шығару арқылы бөліну өнімдерінен секундтардан минуттарға дейін кешіктіріледі. Бұл кешіктірілген нейтрондар реакторды басқару үшін маңызды, өйткені бөліну "ұрпақтары" арасындағы уақыт соншалықты қысқа, макроскопиялық физикалық процестер немесе адамның араласуы қуаттың өсуін бақылауға мүмкіндік бермейді. Дегенмен, тек кешіктірілген нейтрондар ғана сындылықты сақтау үшін жеткілікті нейтрондарды қамтамасыз етеді, реакция уақыты бірнеше есе артады және реакторды басқару мүмкін болады. Демек, кешіктірілген нейтрондардың үлесі өте төмен болса, әйтпесе бөлінетін материал "қалыпты" ядролық электр станциясын іске қосуға жарамсыз болады. Керісінше, субкритикалық реактордың кешіктірілген нейтрондардың үлесі төмен отынмен қасиеттері жақсарады. (Төменде қараңыз). Қазіргі кезде ең көп қолданылатын бөлінетін материал – 235Ulink= Уран-235, салыстырмалы түрде жоғары кешіктірілген нейтрондар үлесіне ие, ал 239Pulink= Плутоний-239 одан әлдеқайда төмен үлеске ие, бұл басқа физикалық және химиялық қасиеттермен қатар "қалыпты" реактор отынындағы плутонийдің мөлшерін шектейді. Осы себепті пайдаланылған MOX отыны, онда әлі де маңызды мөлшерде плутоний бар (бөлінетін және "жаңа" күйінде), сынақ деңгейін сақтау үшін осы плутонийден жасалған отынның плутоний құрамын арттыруды қажет ететін бөлінбейтін изотоптардың өсуіне байланысты әдетте қайта өңделмейді. Пайдаланылған отынның тағы бір негізгі компоненті – қайта өңделген уран, әдетте тек қосалқы өнім ретінде алынады және уранның басқа "керексіз" изотоптарының өсуіне байланысты уран нарығында табиғи ураннан арзанға сатылады.

Принцип

Қазіргі кездегі АҚС дизайндарының көпшілігі шамамен 1 ГэВ энергиясы бар жоғары қарқынды протондық үдеткішті ұсынады, ол спалляциялық нысанаға немесе спалляциялық нейтрондық көзге бағытталған. Реактор өзегінің ортасында орналасқан көзде сұйық металл бар, ол сәулемен соқтығысады, осылайша нейтрондарды босатады және қорғасын-бисмут сияқты сұйық металлды жылу алмастырғышқа қарай айналдыру арқылы салқындатылады. Спалляциялық нейтрондық көзді қоршап тұрған ядролық реактор өзегінде отын таяқшалары болады, отын кез келген бөлінетін немесе құнарлы актинидтер қоспасы болып табылады, бірақ іске қосу кезінде нөлдік сындылықта жұмыс істемеу үшін белгілі бір мөлшерде бөлінетін материалмен бірге болуы тиімді. Осылайша, спалляциялық нысананы қиып өтетін әрбір протон үшін орташа есеппен 20 нейтрон шығарылады, олар отынның қоршаған бөлінетін бөлігін бөліп, құнарлы бөлігіндегі атомдарды "өсіріп", жаңа бөлінетін материалды "жасайды". Егер жұмсалған 1 ГэВ-қа 20 нейтронның құны алынса, бір нейтрон 50 МэВ-қа "тұрады", ал бөліну (бір нейтронды қажет етеді) бөлінген актинид атомы үшін шамамен 200 МэВ босатады. Тиімділікті нейтронды өндіруге қажетті энергияны азайту, бөлінуден алынған пайдалы энергияның үлесін арттыру (жылу процесі қолданылса, Карно тиімділігі тиімділікті арттыру үшін жоғары температура қажет екенін көрсетеді) және, сондай-ақ, сындылықты 1-ге жақындату арқылы арттыруға болады, бірақ одан әлі де төмен сақтау керек. Реактордың тиімділігі мен қауіпсіздігі үшін реактордың қаншалықты сындылықта екені маңызды фактор болып табылады. Жеңілдету үшін, реактордың сындылығын (кешіктірілген нейтрондарды қоса алғанда) анықтау үшін қолданылатын k(тиімді) мәнін әр "ұрпақтың" қанша нейтроны одан әрі ядроларды бөліп алатыны ретінде түсіндіруге болады. Егер k(тиімді) 1-ге тең болса, енгізілген әр 1000 нейтронға 1000 нейтрон пайда болады, олар да ядроларды бөліп алады. Бұл жағдайда реакция жылдамдығы тұрақты түрде артады, өйткені нейтрон көзінен көбірек нейтрондар келіп түседі. Егер k(тиімді) 1-ден сәл төмен болса, реакцияны тұрақты күйде ұстау үшін реактордың сыртынан аз ғана нейтрон жеткізілуі керек, бұл тиімділікті арттырады. Екінші жағынан, "нөлдік сындылықтың" ең экстремалды жағдайында, яғни k(тиімді) = 0 (мысалы, реактор тек трансмутация үшін жұмыс істесе) барлық нейтрондар "тұтынылады" және отын ішінде ештеңе пайда болмайды. Алайда, нейтрондық есептеулердің нақтылығы белгілі бір шекке дейін ғана мүмкін болғандықтан, реактор практикада нейтрондық есептеулердің қаншалықты жақсы белгілі екеніне және нейтрон шығаратын спонтанды бөліну арқылы ыдырайтын нуклидтердің, мысалы, Калифорний-252 немесе нейтрон шығару арқылы ыдырайтын нуклидтердің әсеріне байланысты сындылықтың төменгі шегін қамтамасыз етуі керек. Нейтрон балансын реттеуге немесе реакторды сындылықтың төменгі деңгейіне түсіру үшін үдеткіштің қуатын реттеуге болады. Спалляциялық нейтрондық көзден қосымша берілетін нейтрондар дәрежелі бақылауды қамтамасыз етеді, дәстүрлі ядролық реактордағы кешіктірілген нейтрондар сияқты, бірақ спалляциялық нейтрондық көзден алынған нейтрондар үдеткішпен оңай басқарылады. Басты артықшылығы – қауіпсіздік. Дәстүрлі ядролық реактордың ядролық отыны Допплер эффектісі немесе бос эффект сияқты өзін-өзі реттейтін қасиеттерге ие, бұл осы ядролық реакторларды қауіпсіз етеді. Дәстүрлі реакторлардың физикалық қасиеттеріне қоса, субкритикалық реакторда нейтрон көзін өшіргенде бөліну реакциясы тоқтатылады және тек ыдырау салдарынан пайда болатын жылу ғана қалады.

Техникалық қиындықтар

АЭС-ті экономикалық тұрғыдан тиімді ету және болашақта ядролық қалдықтарды басқару жүйесіне енгізу үшін жеңілуге тиіс техникалық қиындықтар бар. Үдеткіш жоғары қарқындылықты қамтамасыз етуі керек, сонымен қатар өте сенімді болуы керек. Үдеткіште кез келген тоқтау, скрам тудырудан басқа, жүйені қатты жылулық стреске ұшыратады. Протондарды шашырату нысанынан бөлетін терезеге қатысты алаңдаушылықтар бар, ол экстремалды жағдайларда күшті әсерге ұшырауы күтілуде. Дегенмен, Пол Шеррер институтында сынақтан өткен MEGAPIE сұйық металл нейтронды шашырату көзінің соңғы тәжірибесі 0,78 МВт қарқынды протондық сәуле астында жұмыс істейтін сәуле терезесін көрсетті. Трансураникалық элементтерді химиялық бөлу және отын өндіру, сондай-ақ конструкциялық материалдар маңызды мәселелер болып табылады. Соңында, жоғары энергиялы нейтрондар бойынша ядролық деректердің жетіспеуі жобаның тиімділігін шектейді. Бұл мәселені нейтрон көзі мен отын арасына нейтрондық баяулатушыны (модератор) енгізу арқылы шешуге болады, бірақ бұл нейтрондардың отыннан шығып кетуіне әкелуі мүмкін, өйткені баяулатушы нейтрондарды отыннан алшақтатады. Реактордың геометриясын өзгерту шығынды азайтуға көмектеседі, бірақ оны толығымен жою мүмкін емес. Нейтрондардың шығып кетуі олардың тудыратын белсенділік өнімдері және нейтрондық сәулеленудің материалдарға келтіретін физикалық зақымдарына байланысты алаңдау тудырады. Сонымен қатар, жылдам нейтрондық спектрдің термиялық нейтрондармен қол жеткізілмейтін белгілі бір артықшылықтары бар. Екінші жағынан, термиялық нейтрондық реакторлар – ең көп таралған және жақсы түсінілген ядролық реакторлар түрі, және термиялық нейтрондар жылдам нейтрондарға қарағанда артықшылықтарға ие. Кейбір зертханалық тәжірибелер мен көптеген теориялық зерттеулер мұндай станцияның теориялық мүмкіндігін көрсетті. Ядролық физик, Нобель сыйлығының лауреаты және CERN-нің бұрынғы директоры Карло Руббиа алғашқылардың бірі болып «энергия күшейткіші» деп аталатын субкритикалық реактордың дизайнын ұсынды. 2005 жылы Еуропа мен Жапонияда субкритикалық реактор технологиясын одан әрі дамыту бойынша бірнеше ірі жобалар жүргізілуде. 2012 жылы CERN ғалымдары мен инженерлері осы мақсатқа жетуге арналған және ThEC13 конференциясын ұйымдастырған Халықаралық Торий Энергиясы Комитетін (iThEC) құрды.

Экономика және қоғамдық қабылдау

Субкритикалық реакторлар электр энергиясын өндіру және ядролық қалдықтарды түрлендіру құралы ретінде ұсынылған, сондықтан екі жағынан да пайдалы. Дегенмен, мұндай күрделі орналымдарды салу, қауіпсіздігін қамтамасыз ету және күтіп ұстау шығындары өте жоғары болады деп күтілуде, тіпті практикалық жобаны әзірлеуге қажетті зерттеулердің мөлшерін ескермегенде (жоғарыда қараңыз). Қалдықтарды басқарудың арзан әрі қауіпсіз әдістері бар, мысалы, жылдам нейтронды реакторларда трансмутация. Бірақ, субкритикалық реактор шешімі қоғам тарапынан жақсы қабылдануы мүмкін – қалдықтарды мыңдаған жылдар бойы жерге көмуге қарағанда, оларды жою оңайырақ деп есептеледі. Болашақта қалдықтарды басқару үшін бірнеше трансмутация құрылғыларын ірі ядролық бағдарламаға енгізуге болады, бұл жалпы шығындарды шамалы ғана арттыруы мүмкін. Бөлу және трансмутация операцияларындағы басты қиындық – өте ұзақ, шамамен 200 жылдық ядролық циклдерге қатысу қажеттігі. Тағы бір кемшілігі – аралық деңгейдегі ұзақ өмір сүретін радиоактивті қалдықтардың (ILW) көп мөлшерде түзілуі, оларды қауіпсіз басқару үшін терең геологиялық қоймаға орналастыру қажет. Оң жағынан айтқанда, қойманың көлемі 4-6 есеге дейін азаюы күтілуде. Осы оң және теріс жақтарын Еуропалық Одақ қаржылаған және Forschungszentrum Jülich үйлестірген халықаралық зерттеуде қарастырылды.

Гибридті субкритикалық жүйелер

ADS бастапқыда жеңіл су реакторының құрамы ретінде жобаланған, бірақ басқа ұсыныстар да жасалды, олар ADS-ті басқа IV буын реактор концепцияларына енгізеді. Мұндай ұсыныстардың бірі – негізінен плутоний мен америциймен отындырылатын газ салқындатылатын жылдам реактор. Америцийдің нейтрондық қасиеттері оны кез келген сына реакторда пайдалануды қиындатады, себебі ол модератордың температуралық коэффициентін оңға қарай өзгертіп, тұрақтылықты азайтады. Дегенмен, ADS-тің ішкі қауіпсіздігі америцийді қауіпсіз түрде жақпауға мүмкіндік береді. Бұл материалдардың нейтрондық үнемділігі де жоғары, бұл құбырлардың диаметріне қатынасын үлкендетуге мүмкіндік береді, соның арқасында табиғи айналым және экономика жақсарады.

Ядролық қалдықтарды жоюға арналған мюондық жүйелер

Сонымен қатар, ядролық қалдықтарды кезету үшін нейтрон көздерін пайдаланбайтын, сындық деңгейден төмен әдістер де әзірленуде. Бұларға мюонды ұстау механизміне негізделген жүйелер жатады, онда ықшам үдеткішпен қоздырылатын көзден туындайтын мюондар (μ−) ұзақ өмір сүретін радиоактивті изотоптарды тұрақты изотоптарға түрлендіреді.

Табиғи

Жалпы, "субкритикалық реактор" термині жасанды жүйелер үшін қолданылады, бірақ табиғи жүйелер де кездеседі. Космикалық және гамма сәулелеріне (тіпті күннен келетін сәулелерге) ұшыраған кез келген бөлінетін материалдың табиғи көзі субкритикалық реактор болып есептелуі мүмкін. Мұндайларға радиоизотопты термоэлектрлік генераторлары бар ғарышқа ұшырылған спутниктер және осы сияқты ашық қорлар жатады.