Введение

Интегральный быстрый реактор (IFR, первоначально – передовой реактор с жидким металлом) – это конструкция ядерного реактора, использующего быстрые нейтроны и не имеющего замедлителя нейтронов (т.е. "быстрый" реактор). IFR способен воспроизводить больше топлива и отличается ядерным топливным циклом, включающим переработку отработавшего топлива электроочисткой непосредственно на площадке реактора. Министерство энергетики США начало проектирование IFR в 1984 году и построило прототип – Экспериментальный реактор-размножитель II. 3 апреля 1986 года два испытания продемонстрировали безопасность концепции IFR. Эти испытания имитировали аварии, связанные с потерей потока теплоносителя. Даже при отключенных штатных системах аварийного останова реактор безопасно остановился, не допуская перегрева в какой-либо части системы. Проект IFR был закрыт Конгрессом США в 1994 году, за три года до завершения. Предлагаемый реактор IV поколения с натриевым охлаждением является наиболее близкой сохранившейся конструкцией быстрого реактора-размножителя. Другие страны также разрабатывали и эксплуатировали быстрые реакторы. S PRISM (от SuperPRISM), также известный как PRISM (Power Reactor Innovative Small Module), – это проект атомной электростанции, разработанный компанией GE Hitachi Nuclear Energy (GEH) на базе IFR. В 2022 году GE Hitachi Nuclear Energy и TerraPower начали изучение возможности строительства пяти натриевых быстронейтронных реакторов, использующих конструкцию атомной электростанции на основе реактора PRISM, разработанного на базе IFR, а также конструкцию Traveling Wave от TerraPower с системой хранения расплавленных солей в городе Кеммерре, штат Вайоминг.

История

Исследования реакторов IFR начались в 1984 году в Национальной лаборатории Аргонн в Аргонне, штат Иллинойс, как часть национальной лабораторной системы Министерства энергетики США и в настоящее время осуществляются по контракту Чикагским университетом. Ранее у Аргонна был филиал под названием "Аргонн-Уэст" в Айдахо-Фоллс, штат Айдахо, который теперь входит в состав Национальной лаборатории Айдахо. В прошлом физики из "Аргонн-Уэст", работавшие в этом филиале, построили так называемый Экспериментальный реактор-размножитель II (ЭБР-II). В то же время физики в Аргонне разработали концепцию IFR, и было принято решение о переоборудовании ЭБР-II в IFR-реактор. Чарльз Тилл, канадский физик из Аргонна, возглавлял проект IFR, а Юн Чанг был его заместителем. Тилл находился в Айдахо, а Чанг – в Иллинойсе.

Отмена

После избрания президента Билла Клинтона в 1992 году и назначения Хейзел О’Лири на пост министра энергетики, усилилось давление сверху с требованием отменить IFR. Сенатор Джон Керри (от штата Массачусетс, демократ) и О’Лири возглавили оппозицию реактору, утверждая, что он представляет угрозу для усилий по нераспространению ядерного оружия и является продолжением проекта реактора-размножителя на реке Клинч (Clinch River Breeder Reactor Project), который был отменен Конгрессом. Одновременно, в 1994 году министр энергетики О’Лири наградила ведущего ученого, работавшего над IFR, 10 000 долларов и золотой медалью, сопроводив награду цитатой о том, что его работа по разработке технологии IFR обеспечила «повышенную безопасность, более эффективное использование топлива и меньшее количество радиоактивных отходов». Противники IFR также представили доклад Управления ядерной безопасности Министерства энергетики, основанный на заявлениях бывшего сотрудника Аргоннской национальной лаборатории о том, что лаборатория предприняла ответные меры против него за то, что он выразил обеспокоенность по поводу безопасности и качества исследований в рамках программы IFR. Доклад получил международное внимание, при этом освещение в крупных научных изданиях существенно различалось. Британский журнал Nature озаглавил свою статью «Отчет подтверждает слова информатора» и также отметил конфликт интересов у экспертной группы Министерства энергетики, оценивавшей исследования IFR. В то же время, статья в журнале Science была озаглавлена «Действительно ли информатор из Аргонна просто раздувал проблему?». Несмотря на поддержку реактора конгрессменом Диком Дёрбином (от штата Иллинойс, демократ) и сенаторами США Кэрол Мозли Браун (от штата Иллинойс, демократ) и Полом Саймоном (от штата Иллинойс, демократ), финансирование реактора было урезано, и в конечном итоге он был отменен в 1994 году, что обошлось дороже, чем завершение его строительства. Когда об этом доложили президенту Клинтону, он сказал: «Я знаю, это символ».

С 2000 года

В 2001 году, в рамках программы разработки реакторов поколения IV, Министерство энергетики США (DOE) поручило команде из 242 ученых из DOE, Калифорнийского университета в Беркли (UC Berkeley), Массачусетского технологического института (MIT), Стэнфордского университета, Аргоннской национальной лаборатории (ANL), Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора (LLNL), Toshiba, Westinghouse, Duke, EPRI и других организаций оценить 19 наиболее перспективных конструкций реакторов по 27 различным критериям. Интегральный быстрый реактор (IFR) занял первое место в их исследовании, опубликованном 9 апреля 2002 года. На сегодняшний день интегральные быстрые реакторы не используются в коммерческой эксплуатации. Однако реактор БН-800, очень похожий быстрый реактор, используемый для сжигания накопленных запасов плутония, начал коммерческую эксплуатацию в 2014 году.

Технический обзор

IFR охлаждается жидким натрием и использует в качестве топлива сплав урана и плутония. Топливо заключено в стальную оболочку, а пространство между топливом и оболочкой заполнено жидким натрием. Пустое пространство над топливом обеспечивает безопасный сбор гелия и радиоактивного ксенона без существенного повышения давления внутри топливного элемента, а также позволяет топливу расширяться, не повреждая оболочку, что делает практичным использование металлического, а не оксидного топлива. Преимущества жидкого натрия как теплоносителя по сравнению с жидким свинцом заключаются в его значительно меньшей плотности и вязкости (что снижает затраты на перекачку), отсутствии коррозионного воздействия (путем растворения) на обычные стали и практически полном отсутствии радиоактивных продуктов активации нейтронами. Недостатком натрия как теплоносителя по сравнению со свинцом является его химическая активность, особенно при контакте с водой или воздухом. Свинец может быть использован вместо эвтектического сплава свинца и висмута, применяемого в качестве теплоносителя в реакторах советских подводных лодок класса "Альфа".

Металлическое топливо

Металлическое топливо с натриевым зазором внутри оболочки, предназначенным для компенсации расширения топлива, было продемонстрировано в EBR II. Металлическое топливо делает пиропереработку технологией выбора для переработки отработавшего ядерного топлива. Изготовление металлического топлива проще и дешевле, чем керамического (оксидного) топлива, особенно при дистанционном управлении.

Преимущества

Реакторы-разработчики (такие как IFR) в принципе могут извлекать почти всю энергию, содержащуюся в уране или тории, снижая потребность в топливе почти на два порядка по сравнению с традиционными реакторами, которые извлекают менее 0,65% энергии из добытого урана и менее 5% обогащенного урана, используемого в качестве топлива. Это может существенно уменьшить опасения по поводу поставок топлива или энергии, затрачиваемой на добычу. Однако сегодня более важно понимать, почему быстрые реакторы являются топливоэффективными: поскольку быстрые нейтроны способны расщеплять или "выжигать" все компоненты трансурановых отходов (TRU) – актиниды (плутоний реакторного качества и минорные актиниды), – многие из которых сохраняют радиоактивность в течение десятков тысяч лет и более, что делает традиционную утилизацию ядерных отходов крайне сложной. Большинство радиоактивных продуктов деления (РПД), образующихся в реакторе, имеют значительно меньший период полураспада: они сильно радиоактивны в краткосрочной перспективе, но быстро распадаются. В результате многократных циклов IFR в конечном итоге приводит к тому, что 99,9% урана и трансурановых элементов подвергаются делению и производят энергию; таким образом, его отходы состоят исключительно из продуктов деления. Эти продукты имеют гораздо более короткий период полураспада, поэтому через 300 лет их радиоактивность снизится до уровня радиоактивности исходной урановой руды. Тот факт, что реакторы четвертого поколения разрабатываются для использования отходов от установок третьего поколения, может коренным образом изменить ситуацию в ядерной энергетике, потенциально сделав комбинацию установок третьего и четвертого поколений более привлекательным вариантом, чем установки третьего поколения, действующие самостоятельно, как с точки зрения управления отходами, так и с точки зрения энергетической безопасности. Термин "интегральный" относится к переработке непосредственно на площадке с использованием электрохимической пирообработки. Этот процесс разделяет отработавшее топливо на три фракции: 1. Уран, 2. Изотопы плутония и другие трансурановые элементы, и 3. Продукты ядерного деления. Уран и трансурановые элементы перерабатываются в новое топливо, а продукты деления в конечном итоге преобразуются в стеклянные и металлические блоки для более безопасного захоронения. Поскольку фракции 2 и 3 (комбинированные трансурановые элементы и продукты деления) обладают высокой радиоактивностью, операции по перемещению и переработке топливных стержней выполняются с использованием роботизированного или дистанционно управляемого оборудования. Это рассматривается как преимущество, а не недостаток, поскольку делящийся материал, который никогда не покидает объект (и был бы смертельно опасен при обращении), значительно снижает риск распространения путем несанкционированного изъятия делящихся материалов.

Безопасность

В традиционных реакторах с легкой водой (LWR) ядро должно поддерживаться при высоком давлении, чтобы вода оставалась в жидком состоянии при высоких температурах. В отличие от этого, поскольку IFR – это реактор с охлаждением жидким металлом, его ядро может работать при близком к атмосферному давлении, что значительно снижает опасность аварии на потери теплоносителя. Все ядро реактора, теплообменники и первичные насосы охлаждения погружены в бассейн из жидкого натрия или свинца, что делает потерю первичного теплоносителя крайне маловероятной. Контуры охлаждения спроектированы таким образом, чтобы обеспечивать охлаждение за счет естественной конвекции, то есть в случае потери электроэнергии или неожиданной остановки реактора, тепла, выделяемого ядром реактора, будет достаточно для поддержания циркуляции теплоносителя, даже если первичные насосы охлаждения выйдут из строя. IFR также обладает преимуществами в области пассивной безопасности по сравнению с традиционными LWR. Топливо и оболочка спроектированы таким образом, что при их расширении из-за повышения температуры, больше нейтронов сможет покидать ядро, тем самым снижая скорость цепной реакции деления. Иными словами, повышение температуры ядра будет действовать как механизм обратной связи, уменьшающий мощность ядра. Этот эффект известен как отрицательный температурный коэффициент реактивности. Большинство LWR также имеют отрицательные коэффициенты реактивности; однако в IFR этот эффект достаточно силен, чтобы остановить реактор от повреждения активной зоны без вмешательства операторов или систем безопасности. Это было продемонстрировано в ходе серии испытаний безопасности на прототипе. Пит Планшон, инженер, проводивший испытания для международной аудитории, заметил: «В 1986 году мы фактически дали небольшому [20 МВт] прототипу усовершенствованного быстрого реактора несколько шансов расплавиться. Он вежливо отказался оба раза». Жидкий натрий представляет собой опасность, поскольку он самовоспламеняется при контакте с воздухом и может вызывать взрывы при контакте с водой. Так было на АЭС Монжу в 1995 году, где произошла авария и пожар. Для снижения риска взрывов после утечки воды из паровых турбин конструкция IFR (как и других быстрых реакторов с натриевым охлаждением) включает промежуточный контур жидкометаллического теплоносителя между реактором и паровыми турбинами. Цель этого контура – обеспечить локализацию взрыва, вызванного случайным смешиванием натрия и воды турбины, во вторичном теплообменнике и предотвратить его распространение на сам реактор. В альтернативных конструкциях в качестве основного теплоносителя используется свинец вместо натрия. Недостатки свинца заключаются в его более высокой плотности и вязкости, что увеличивает затраты на перекачку, а также в образовании радиоактивных продуктов активации в результате поглощения нейтронов. Эвтектика свинца и висмута, используемая в некоторых российских подводных реакторах, имеет более низкую вязкость и плотность, но та же проблема с продуктами активации сохраняется.

Ядерные отходы

Реакторы типа IFR могут производить значительно меньше отходов, чем реакторы LWR, и даже использовать другие отходы в качестве топлива. Основной аргумент в пользу развития технологии IFR сегодня заключается в том, что она предлагает наилучшее решение существующей проблемы ядерных отходов, поскольку быстрые реакторы могут использовать в качестве топлива отходы существующих реакторов, а также плутоний, используемый в оружии, как это происходит на действующем с 2014 года реакторе BN-800. Отходы обедненного урана (ОУ) также могут быть использованы в качестве топлива в быстрых реакторах. Отходы реакторов IFR имеют либо короткий период полураспада, что означает их быстрое разложение и достижение относительной безопасности, либо длительный период полураспада, что означает лишь слабую радиоактивность. Благодаря пиропереработке общий объем истинных отходов/продуктов деления составляет 1/20 объема отработанного топлива, производимого водо-водяным реактором той же мощности, и часто весь этот объем считается отходами. 70% продуктов деления стабильны или имеют период полураспада менее одного года. Технеций-99 и йод-129, составляющие 6% продуктов деления, имеют очень длительный период полураспада, но могут быть трансмутированы в изотопы с очень коротким периодом полураспада (15,46 секунды и 12,36 часа) путем поглощения нейтронов в реакторе, что эффективно приводит к их уничтожению (см. раздел «Долгий период полураспада»). Цирконий-93, составляющий еще 5% продуктов деления, теоретически может быть переработан в оболочку топливных стержней, где его радиоактивность не имеет значения. Исключая вклад трансурановых отходов (TRU) – изотопов, образующихся при захвате медленного теплового нейтрона ураном-238 в ЛВР, но не приводящего к делению, вся оставшаяся высокоактивная отработанная продукция деления (FP) после извлечения топлива TRU менее радиотоксична (в зивертах), чем природный уран (при сравнении грамм к грамму) в течение 400 лет, и продолжает снижаться после этого. Две формы отходов IFR не содержат плутония или других актиноидов. Радиоактивность отходов снижается до уровня, сопоставимого с исходной рудой, примерно через 300–400 лет. Фактически, в США большая часть отработанного топлива LWR остается на площадке реактора, а не транспортируется для переработки или размещения в геологическом хранилище. Меньшие объемы высокоактивных отходов, образующихся при переработке, могут оставаться на реакторных площадках в течение некоторого времени, но они интенсивно радиоактивны из-за продуктов деления средней продолжительности жизни (MLFP) и требуют безопасного хранения, например, в современных контейнерах сухого хранения. В первые несколько десятилетий эксплуатации, до распада MLFP до уровней, производящих меньше тепла, емкость геологического хранилища ограничивается не объемом, а тепловыделением, а тепловыделение от продуктов деления средней продолжительности жизни примерно одинаково на единицу мощности для любого типа реактора деления, что ограничивает раннее размещение в хранилище. Потенциальное полное удаление плутония из потока отходов реактора снижает опасения, связанные с отработавшим ядерным топливом большинства других реакторов, а именно, что хранилище отработавшего топлива может быть использовано в качестве источника плутония в будущем. Некоторые считают, что удаление актиноидов не даст значительных преимуществ при захоронении в геологическом хранилище, поскольку некоторые из нуклидов продуктов деления, вызывающих наибольшую озабоченность в сценариях, таких как выщелачивание грунтовыми водами, на самом деле имеют более длительный период полураспада, чем радиоактивные актиноиды. Эти опасения не учитывают планы по хранению таких материалов в нерастворимом Synroc и не оценивают опасность пропорционально опасности от природных источников, таких как медицинские рентгеновские лучи, космические лучи или природные радиоактивные породы (например, гранит). Эти люди обеспокоены радиоактивными продуктами деления, такими как технеций-99, йод-129 и цезий-135, с периодом полураспада от 213 000 до 15,7 миллионов лет. Некоторые из них подлежат трансмутации, чтобы смягчить даже эти относительно низкие опасения; например, положительный коэффициент пустотности IFR может быть снижен до приемлемого уровня путем добавления технеция в активную зону, что способствует уничтожению долгоживущего продукта деления технеция-99 путем ядерной трансмутации (см. раздел «Долгий период полураспада»).

Эффективность

В IFR используется практически всё энергетическое содержание уранового топлива, в то время как традиционный водо-водяной реактор использует менее 0,65% энергии, содержащейся в добытом уране, и менее 5% энергии в обогащенном уране.

Пассивная безопасность

В IFR используется топливо из металлических сплавов (уран/плутоний/цирконий), которое является хорошим проводником тепла, в отличие от оксида урана в LWR (и даже некоторых реакторов быстрого размножения), являющегося плохим проводником тепла и достигающего высоких температур в центре топливных таблеток. IFR также имеет меньший объем топлива, поскольку расщепляющийся материал разбавляется плодородным материалом в соотношении 5 или менее, по сравнению с примерно 30 для топлива LWR. Ядро IFR требует большего отвода тепла на единицу объема ядра во время работы, чем ядро LWR; но, с другой стороны, после остановки реактора, гораздо меньше остаточного тепла, которое все еще рассеивается и требует отвода. Однако, выработка тепла распада от короткоживущих продуктов деления и актинидов сопоставима в обоих случаях, начиная с высокого уровня и уменьшаясь с течением времени после остановки. Большой объем жидкого натрия в качестве первичного теплоносителя в конфигурации бассейна предназначен для поглощения тепла распада без достижения температуры плавления топлива. Первичные насосы натрия оснащены маховиками, что обеспечивает их медленное замедление (90 секунд) при отключении питания. Это замедление дополнительно способствует охлаждению активной зоны после остановки. Если первичный контур охлаждения будет внезапно остановлен или если управляющие стержни будут внезапно извлечены, металлическое топливо может расплавиться, как это случайно было продемонстрировано в EBR-I. Однако, расплавленное топливо затем выдавливается вверх по стальным оболочкам топливных элементов и из активной зоны, что приводит к необратимому останову реактора и прекращению генерации тепла деления или плавления топлива. При использовании металлического топлива оболочка не разрушается и радиоактивность не выделяется даже при экстремальных перегрузках. Саморегулирование мощности IFR зависит главным образом от теплового расширения топлива, которое позволяет большему количеству нейтронов покидать активную зону, подавляя цепную реакцию. LWR испытывают меньший эффект от теплового расширения топлива (поскольку большая часть активной зоны является нейтронным замедлителем), но обладают сильной отрицательной обратной связью от доплеровского уширения (которое действует на тепловые и эпитермальные нейтроны, а не на быстрые нейтроны) и отрицательным коэффициентом пустотности от кипения воды-замедлителя/теплоносителя; менее плотный пар возвращает меньше и менее замедленных нейтронов в топливо, которые с большей вероятностью будут захвачены U-238, чем вызовут деление. Однако, положительный коэффициент пустотности IFR может быть снижен до приемлемого уровня путем добавления технеция в активную зону, что способствует уничтожению долгоживущего продукта деления технеция-99 посредством ядерной трансмутации. Но топливный цикл IFR имеет некоторые конструктивные особенности, которые затрудняют распространение, чем текущая переработка отработанного топлива LWR по технологии PUREX. Во-первых, он может работать при более высоких степенях выгорания и, следовательно, увеличивать относительное содержание нерасщепляющихся, но плодородных изотопов плутония-238, плутония-240 и плутония-242. В отличие от переработки PUREX, электролитическая переработка отработанного топлива IFR не выделяла чистый плутоний, а оставляла его смешанным с минорными актинидами и некоторыми редкоземельными продуктами деления, что делает теоретическую возможность непосредственного изготовления из него бомбы весьма сомнительной. Плутоний, производимый в топливе реактора-размножителя, обычно имеет более высокую долю изотопа плутония-240, чем плутоний, производимый в других реакторах, что делает его менее привлекательным для использования в качестве оружия, особенно в ядерном оружии первого поколения, подобном "Толстяку". Это обеспечивает внутреннюю степень устойчивости к распространению, но плутоний, полученный в оболочке из урана, окружающей активную зону (если такая оболочка используется), обычно имеет высокое качество Pu-239, содержащее очень мало Pu-240, что делает его очень привлекательным для использования в качестве оружия. "Хотя некоторые недавние предложения относительно будущего концепции ALMR/IFR были сосредоточены больше на ее способности трансформировать и необратимо использовать плутоний, такие как концептуальный PRISM (реактор) и действующий с 2014 года реактор BN-800 в России, разработчики IFR признают, что "неоспоримо, что IFR может быть сконфигурирован как чистый производитель плутония". Как упоминалось выше, если IFR эксплуатируется не как выжигатель, а как реактор-размножитель, он обладает явным потенциалом распространения, "поскольку, вместо переработки отработанного топлива, система ALMR могла бы использоваться для переработки облученного плодородного (размножающего) материала (то есть, если бы использовалась оболочка из размножающегося U-238), полученный плутоний был бы превосходным материалом с почти идеальным изотопным составом для производства ядерного оружия".

Конструкция и строительство реактора

Коммерческая версия IFR, S PRISM, может быть построена на заводе и транспортирована на площадку. Эта небольшая модульная конструкция (модули мощностью 311 MWe) снижает затраты и позволяет экономически эффективно строить атомные электростанции различных размеров (311 MWe и любое целое кратное этой величине). Оценки затрат с учетом полного жизненного цикла показывают, что быстрые реакторы могут быть не дороже наиболее распространенных в мире реакторов с водяным замедлителем и водяным охлаждением.