Введение

Устройство, достигающее ядерного деления без инициирования цепной реакции.
Субкритический реактор – это концепция ядерного реактора, в котором происходит деление без достижения критического состояния. Вместо поддержания цепной реакции, субкритический реактор использует дополнительные нейтроны из внешнего источника. Существуют два основных типа таких устройств. Один из них использует нейтроны, генерируемые установкой ядерного синтеза, концепция известна как гибрид синтеза и деления. Другой использует нейтроны, создаваемые в результате спалляции тяжелых ядер заряженными частицами, такими как протоны, ускоренные в ускорителе частиц, концепция известна как система с ускорителем (ADS) или субкритический реактор с ускорителем.

Мотивация

Субкритический реактор может использоваться для уничтожения тяжелых изотопов, содержащихся в отработавшем топливе из обычного ядерного реактора, одновременно производя электроэнергию. Долгоживущие трансурановые элементы в ядерных отходах в принципе могут подвергаться делению, высвобождая энергию и оставляя продукты деления с более коротким периодом полураспада. Это значительно сократит время, необходимое для захоронения радиоактивных отходов. Однако некоторые изотопы имеют пороговое сечение деления и, следовательно, требуют реактора на быстрых нейтронах для осуществления деления. Хотя их можно трансмутировать в делящийся материал с помощью тепловых нейтронов, некоторым нуклидам требуется до трех последовательных реакций захвата нейтронов для достижения делящегося изотопа, а затем еще один нейтрон для деления. Кроме того, они выделяют в среднем недостаточное количество новых нейтронов на одно деление, поэтому при использовании топлива с высокой долей таких изотопов достижение критичности невозможно. Реактор, приводимый в действие ускорителем, не зависит от этого параметра и, следовательно, может использовать эти нуклиды. Три наиболее важных долгоживущих радиоактивных изотопа, которые было бы выгодно перерабатывать таким образом, – это нептуний-237, америций-241 и америций-243. Плутоний-239, являющийся оружейным материалом, также подходит, хотя его можно использовать более экономично в качестве топлива MOX или в существующих реакторах на быстрых нейтронах. Помимо переработки ядерных отходов, этот тип реактора представляет интерес благодаря своей воспринимаемой присущей безопасности, в отличие от обычного реактора. В большинстве типов критических реакторов существуют условия, при которых скорость деления может быстро возрастать, повреждая или разрушая реактор и приводя к выбросу радиоактивных материалов (например, SL-1 или Чернобыльская катастрофа). В субкритическом реакторе реакция прекратится, если не будет непрерывно поддерживаться поступление нейтронов из внешнего источника. Однако проблема выделения тепла даже после остановки цепной реакции сохраняется, поэтому непрерывное охлаждение такого реактора в течение значительного времени после остановки остается жизненно важным для предотвращения перегрева. Тем не менее, даже проблему тепловыделения от распада можно минимизировать, поскольку субкритическому реактору не требуется сборка критической массы делящегося материала, и, следовательно, его можно построить (почти) произвольно малым, что уменьшает требуемую тепловую массу системы аварийного охлаждения, способной поглотить все тепло, выделяющееся в течение часов или дней после аварийной остановки.

Задержанные нейтроны

Еще одна особенность, отличающая подкритический реактор от "нормального" ядерного реактора (независимо от того, работает ли он с быстрыми или тепловыми нейтронами), заключается в том, что все "нормальные" атомные электростанции используют запаздывающие нейтроны для поддержания безопасных условий эксплуатации. В зависимости от делящегося нуклида, чуть менее 1% нейтронов не высвобождаются немедленно при делении (мгновенные нейтроны), а скорее с задержкой в доли секунды – минуты, продуктами деления, которые подвергаются бета-распаду с последующей эмиссией нейтронов. Эти запаздывающие нейтроны необходимы для управления реактором, поскольку время между "поколениями" деления настолько мало, что макроскопические физические процессы или вмешательство человека не могут остановить резкий скачок мощности. Однако, поскольку только запаздывающие нейтроны обеспечивают достаточное количество нейтронов для поддержания критичности, время реакции увеличивается на несколько порядков, и управление реактором становится возможным. И наоборот, это означает, что слишком низкая доля запаздывающих нейтронов делает в противном случае делящийся материал непригодным для работы "обычной" атомной электростанции. Напротив, подкритический реактор фактически обладает несколько улучшенными свойствами при использовании топлива с низкой долей запаздывающих нейтронов. (См. ниже). Случается так, что хотя 235Ulink= уран-235, наиболее часто используемый делящийся материал, имеет относительно высокую долю запаздывающих нейтронов, 239Pulink= плутоний-239 имеет гораздо более низкую, что, помимо других физических и химических свойств, ограничивает возможное содержание плутония в "нормальном" реакторном топливе. По этой причине отработавшее топливо MOX, которое все еще содержит значительное количество плутония (включая делящийся и, когда "свежее"), обычно не перерабатывается из-за накопления неделящегося, что требует более высокого содержания плутония в топливе, изготовленном из этого плутония, для поддержания критичности. Другой основной компонент отработавшего топлива – переработанный уран – обычно извлекается только как побочный продукт и продается на рынке урана по более низкой цене, чем природный уран, из-за накопления и других "нежелательных" изотопов урана.

Принцип

Большинство современных конструкций ADS предлагают высокоинтенсивный протонный ускоритель с энергией около 1 ГэВ, направленный на мишень спалляции или источник спалляционных нейтронов. Источник, расположенный в сердце активной зоны реактора, содержит жидкий металл, в который попадает пучок, высвобождая нейтроны, и охлаждается циркуляцией этого жидкого металла, например, свинцово-висмутового сплава, к теплообменнику. Активная зона ядерного реактора, окружающая источник спалляционных нейтронов, содержит топливные стержни, топливом в которых служит любая смесь делящихся или воспроизводимых актинидов, но предпочтительнее уже с некоторым содержанием делящегося материала, чтобы избежать работы в состоянии нулевой критичности при запуске. Таким образом, на каждый протон, взаимодействующий с мишенью спалляции, в среднем высвобождается 20 нейтронов, которые вызывают деление окружающего делящегося топлива и трансмутацию атомов в воспроизводимой части, "нарабатывая" новый делящийся материал. Если исходить из значения 20 нейтронов на 1 ГэВ затраченной энергии, то один нейтрон "стоит" 50 МэВ, в то время как деление (требующее одного нейтрона) высвобождает порядка 200 МэВ на каждый расщепленный атом актинида. Эффективность можно повысить за счет снижения энергии, необходимой для производства нейтрона, увеличения доли полезной энергии, извлекаемой из деления (если используется термический процесс, то эффективность Карно диктует необходимость более высоких температур для повышения эффективности), и, наконец, за счет приближения критичности к 1, оставаясь при этом ниже ее. Важным фактором, влияющим как на эффективность, так и на безопасность, является степень субкритичности реактора. Для упрощения, величина k(эффективный), используемая для определения критичности реактора (включая запаздывающие нейтроны), может быть интерпретирована как число нейтронов каждого "поколения", вызывающих дальнейшее деление ядер. Если k(эффективный) равен 1, то на каждые 1000 введенных нейтронов образуется 1000 нейтронов, которые также вызывают деление других ядер. В этом случае скорость реакции будет неуклонно возрастать из-за увеличения числа нейтронов, поступающих из источника нейтронов. Если k(эффективный) немного меньше 1, для поддержания стационарного режима реакции необходимо лишь небольшое количество нейтронов, подаваемых извне, что повышает эффективность. С другой стороны, в крайнем случае "нулевой критичности", то есть k(эффективный) = 0 (например, если реактор используется исключительно для трансмутации), все нейтроны "поглощаются", и внутри топлива не образуется новых. Однако, поскольку нейтронные характеристики могут быть известны лишь с определенной степенью точности, на практике реактор должен иметь запас безопасности ниже критичности, зависящий от точности определения нейтронных характеристик и от влияния накопления нуклидов, распадающихся посредством спонтанного деления с испусканием нейтронов, таких как калифорний-252, или посредством эмиссии нейтронов. Нейтронный баланс можно регулировать или даже полностью остановить, изменяя мощность ускорителя, чтобы реактор находился в субкритическом состоянии. Дополнительные нейтроны, обеспечиваемые источником спалляционных нейтронов, обеспечивают степень управления, как и запаздывающие нейтроны в обычном ядерном реакторе, но в отличие от них, нейтронами, генерируемыми источником спалляции, легко управлять с помощью ускорителя. Главное преимущество – это повышенная безопасность. Ядерное топливо обычного ядерного реактора обладает саморегулирующимися свойствами, такими как эффект Доплера или эффект пустот, которые обеспечивают безопасность этих реакторов. В дополнение к этим физическим свойствам обычных реакторов, в субкритическом реакторе при отключении источника нейтронов реакция деления прекращается, и остается только тепло распада.

Технические проблемы

Существуют технические трудности, которые необходимо преодолеть, прежде чем ADS станет экономически целесообразным и в конечном итоге будет интегрирован в будущую систему обращения с ядерными отходами. Ускоритель должен обеспечивать высокую интенсивность и высокую надежность. Каждое отключение ускорителя, помимо вызова аварийной остановки, подвергает систему огромному тепловому напряжению. Вызывают опасения вопросы, связанные с окном, разделяющим протоны и мишень для расщепления, которое, как ожидается, будет подвергаться воздействию в экстремальных условиях. Однако недавний опыт, полученный при испытаниях источника расщепления нейтронов на жидком металле MEGAPIE в Институте Пола Шеррера, продемонстрировал работоспособность окна пучка при интенсивном протонном пучке мощностью 0,78 МВт. Важными задачами являются химическое разделение трансурановых элементов и производство топлива, а также выбор конструкционных материалов. Наконец, недостаток ядерных данных при высоких энергиях нейтронов ограничивает эффективность проектирования. Эту проблему можно решить путем введения нейтронного замедлителя между источником нейтронов и топливом, но это может привести к увеличению утечки нейтронов, поскольку замедлитель также будет рассеивать нейтроны в стороны от топлива. Изменение геометрии реактора может уменьшить, но не устранить утечку. Утечка нейтронов также вызывает опасения из-за продуктов активации, которые они создают, и из-за физического повреждения материалов, вызываемого нейтронным облучением. Кроме того, существуют определенные преимущества спектра быстрых нейтронов, которые невозможно получить с тепловыми нейтронами, что является следствием использования замедлителя. С другой стороны, тепловые реакторы являются наиболее распространенным и хорошо изученным типом ядерных реакторов, а тепловые нейтроны также имеют преимущества перед быстрыми нейтронами. Ряд лабораторных экспериментов и многочисленные теоретические исследования продемонстрировали теоретическую возможность создания такой установки. Карло Руббиа, физик-ядерщик, лауреат Нобелевской премии и бывший директор ЦЕРН, одним из первых предложил конструкцию субкритического реактора, так называемого "усилителя мощности". В 2005 году в Европе и Японии реализуется несколько крупных проектов, направленных на дальнейшее развитие технологии субкритических реакторов. В 2012 году ученые и инженеры ЦЕРН учредили Международный комитет по энергетике тория (iThEC) – организацию, занимающуюся достижением этой цели, которая организовала конференцию ThEC13 по данной тематике.

Экономика и общественное признание

Субкритические реакторы предлагаются как для выработки электроэнергии, так и для трансмутации ядерных отходов, что дает двойную выгоду. Однако ожидается, что затраты на строительство, обеспечение безопасности и обслуживание таких сложных установок будут очень высокими, не говоря уже об объеме исследований, необходимых для разработки практической конструкции (см. выше). Существуют более дешевые и достаточно безопасные концепции обращения с отходами, такие как трансмутация в реакторах на быстрых нейтронах. Тем не менее, решение с использованием субкритического реактора может быть предпочтительнее из-за большей поддержки общественности – считается более приемлемым перерабатывать отходы, чем захоранивать их на сотни тысяч лет. В будущем для управления отходами несколько трансмутационных установок можно будет интегрировать в крупномасштабную ядерную программу, что, как ожидается, лишь незначительно увеличит общие затраты. Основная проблема, стоящая перед операциями по разделению и трансмутации, заключается в необходимости работы в ядерных циклах чрезвычайно большой продолжительности: около 200 лет. Другим недостатком является образование значительного количества радиоактивных отходов среднего уровня и длительного периода полураспада (ILW), которые также потребуют глубокого геологического захоронения для безопасного обращения. Более позитивным аспектом является ожидаемое сокращение объема хранилища, которое оценивается в 4–6 раз. Как положительные, так и отрицательные аспекты были рассмотрены в международном сравнительном исследовании, координируемом Forschungszentrum Jülich и финансируемом Европейским Союзом.

Субкритические гибридные системы

Хотя ADS изначально разрабатывался как часть конструкции реактора с легкой водой, были предложены и другие варианты, включающие ADS в концепции реакторов IV поколения. Один из таких вариантов предполагает газоохлаждаемый быстрый реактор, работающий главным образом на плутонии и америции. Нейтронные свойства америция затрудняют его использование в критических реакторах, поскольку он склонен увеличивать положительный температурный коэффициент модератора, снижая стабильность. Однако, присущая безопасность ADS позволит безопасно перерабатывать америций. Эти материалы также обладают хорошей нейтронной эффективностью, что позволяет увеличить отношение высоты к диаметру, улучшая естественную циркуляцию и экономические показатели.

Системы с муоном для утилизации ядерных отходов

Разрабатываются также субкритические методы утилизации ядерных отходов, не требующие источников нейтронов. К ним относятся системы, основанные на механизме захвата мюонов, в которых мюоны (μ−), генерируемые компактным ускорителем, трансмутируют долгоживущие радиоактивные изотопы в стабильные.

Естественный

Как правило, термин "субкритический реактор" применяется к искусственным системам, однако естественные системы также существуют — любой природный источник делящегося материала, подвергающийся воздействию космических и гамма-лучей (даже солнечных), можно рассматривать как субкритический реактор. Это относится к запущенным в космос спутникам с радиоизотопными термоэлектрическими генераторами, а также к любым подобным открытым источникам.