Иллюстрация: Jian Fan / iStock / Getty Images Plus / предоставлено Getty Images

В мире есть две страны, которые построили и эксплуатируют реакторы на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем, — Россия и Китай. Особенностью этих реакторов является их способность эффективно использовать самый распространенный изотоп урана-238. Традиционные тепловые (медленные) реакторы работают на куда более редком уране-235. Мало того, благодаря быстрым нейтронам этот самый уран-238, составляющий 99,3% всех запасов природного урана, превращается в плутоний-239, который можно продолжать использовать для выработки энергии.Иными словами, реакторы на быстрых нейтронах, в том числе российский БН-800, рассматриваются как эффективный способ замыкания ядерного топливного цикла, то есть полного использования ядерного топлива.Однако скептики задаются вопросом: действительно ли необходимо замыкание топливного цикла именно сейчас? Уран-235, который используется в традиционных медленных реакторах, хотя и редок в природе, все еще доступен по сравнительно низкой цене. В связи с этим и возникает сомнение: не слишком ли преждевременно пытаться заменять уран-235 плутонием, полученным из урана-238, и переходить к более сложным и дорогим технологиям быстрых реакторов?При этом упускается из виду один маленький, но очень важный элемент будущего всей мировой энергетики. О нем и пойдет речь ниже.

Авгиева конюшня №1

Человечество пытается сократить углеродный след всеми возможными способами. Но ветер и солнце в качестве альтернативных источников энергии работают слишком нестабильно. И для того, чтобы обеспечить круглосуточную генерацию электричества, без АЭС не обойтись. Все бы ничего, но на горизонте темным облаком маячат они — минорные актиниды (МА). Побочные продукты, которые образуются в реакторах при делении ядер урана или плутония, в основном это нептуний, америций и кюрий.Доля МА в общей массе отработанного ядерного топлива невелика — примерно одна стотысячная, но это та ложка дегтя, которая способна испортить много бочек меда. Дело в «темной триаде» их качеств: они радиотоксичны, выделяют очень много тепла (то есть из-за них «отработку» приходится долго охлаждать), а период распада МА может растянуться на десятки тысяч лет. Минорные актиниды — самые опасные «загрязнители» в отработавшем ядерном топливе: все остальные вместе взятые составляющие этого бульона гораздо деликатнее.

Хоронить нептуний на десятки тысяч лет, до его распада, дорого и небезопасно: сейсмика может «разгерметизировать» могильник. Быстрые реакторы предлагают альтернативный и более устойчивый подход: они способны дожигать отработанное ядерное топливо, включая долгоживущие МА, такие как нептуний и америций. В отличие от тепловых реакторов, быстрые реакторы используют нейтроны высокой энергии, что позволяет им эффективно разрушать тяжелые ядра минорных актинидов и сокращать сроки их радиационной опасности с тысяч лет до сотен. Впрочем, и это преимущество быстрых реакторов не обошли стороной скептики: считалось, что, пока реактор будет сжигать старые минорные актиниды, он наработает новые, причем новых окажется больше.

Первая попытка в истории

Однако в 2021 году Бочваровский институт Росатома впервые в мировой истории начал отработку промышленной технологии изготовления ядерного топлива с минорными актинидами. Основная задача — подобрать состав таким образом, чтобы быстрый реактор расщеплял «миноры» существенно быстрее, чем наработает новые.И в 2023 году «таблетки» такого топлива были созданы — опять-таки впервые в истории нашей планеты. Они состоят из урана, плутония, нептуния и америция. Кюрия в их составе нет: он сам превращается в плутоний за 60–70 лет, а топливо с включением плутония отечественные быстрые реакторы успешно потребляют с позапрошлого года.

Летом 2024 года три тепловыделяющих сборки с ураном-238, америцием-241 и нептунием-237 загрузили в реакторы БН-800. Там они должны проработать полтора года до извлечения и последующего исследования. Значит, уже в 2026 году у нашей страны будет первый практический опыт, позволяющий оценить, оптимален ли состав нового топлива.

Зачем вообще все это нужно?

Казалось бы, не слишком ли много усилий? Одна загрузка типичного крупного реактора дает от силы килограммы минорных актинидов. Если собрать все отработавшее ядерное топливо Земли, получится всего несколько тонн.Все дело в том, что атомная индустрия не намерена оставаться в своих нынешних границах, когда она дает примерно одну десятую мировой генерации. Безуглеродный переход, основанный на базовой генерации от АЭС, будет означать резкое увеличение масштабов ядерной энергетики.

И тут не обойтись без «радиационной эквивалентности». Так в атомной отрасли называют принцип, по которому в землю должно возвращаться такое же количество кюри (единиц активности), какое из нее было извлечено.

Если дожигать минорные актиниды в реакторах типа российского натриевого БН-800 или будущего БН-1200, то можно добиться радиационной эквивалентности всего за 300 лет. Другими словами, всего через 300 лет хранения отработавшего ядерного топлива его активность в кюри опустится до того же уровня, который имела урановая руда, извлеченная некогда из земли.

Триста лет, нужные для достижения эквивалентности в закрытом ядерном топливном цикле, кажутся большим сроком, но стоит учесть два нюанса. Во-первых, в открытом цикле (без дожигания минорных актинидов) этот срок составит 700 тысяч лет хранения. Во-вторых, весь накопленный сегодня на земле объем ядерного топлива может поместиться в один куб с ребром в 30 метров. Иными словами, хранить 300 лет предстоит не очень большой объем материалов, то есть экономически это вполне приемлемо.

Инфографика: РОСАТОМ

Есть ли путь мимо пасти натриевого дракона

В кулуарах ядерной отрасли уже давно раздаются голоса: минорные актиниды — это не столько отходы, сколько ценное сырье. Дюжину лет бороздит поверхность Марса американский марсоход «Кьюриосити» — и делает он это за счет радиоизотопного термоэлектрического генератора на плутонии-238. Получать его можно как раз из того самого нептуния-237, который уже начали дожигать в БН-800. У США не было производства плутония-238, поэтому «Кьюриосити» живет за счет российского изотопа.

Получать плутоний-238 можно и из кюрия-242 — еще одного минорного актинида. В итоге мы получаем источник энергии, при распаде порождающий другой источник энергии. Один грамм кюрия-242 за год даст 480 киловатт-часов. То есть очень небольшое его количество может запитать крупный автоматический зонд на долгие годы.

Не секрет, что дальний космос в последние годы становится все ближе. Космические автоматы и многие другие миссии потребуют все больших объемов энергии. Тогда может оказаться, что нынешний «неприятный мусор» в виде минорных актинидов — дорогое сырье, за которым многие страны выстроятся в очередь.

Есть у «миноров» серьезные перспективы и на Земле. Америций-241 уже применяется в детекторах дыма — самой эффективной пожарной сигнализации. Его количества там ничтожны, отчего сами приборы безопасны. И одновременно спасают немало жизней каждый год. А еще он может работать источником нейтронов, используемых для анализа качества грунтовых вод.

Реактор БН-800 на Урале действительно открывает перед человечеством новый способ борьбы с отработавшим ядерным топливом, в частности, с его наиболее опасной составляющей — минорными актинидами. Благодаря способности сжигать долгоживущие радионуклиды и значительно сокращать сроки их радиоактивной опасности, реакторы на быстрых нейтронах позволяют эффективно решать проблему хранения ядерных отходов.Тем не менее есть и альтернативные подходы к использованию МА. Нептуний, америций и кюрий можно использовать в космических миссиях, в высокоточных научных приборах и пожарных детекторах. Таким образом, значительная часть минорных актинидов может быть переработана и направлена на важные промышленные и исследовательские нужды.В любом случае оптимальное обращение с МА требует рационального подхода: ценные минорные актиниды необходимо использовать по мере возможности, а оставшиеся — безопасно утилизировать, сокращая их радиоактивность при помощи инновационных технологий быстрых реакторов.

Россия уверенно лидирует в создании новых атомных технологий, особенно в реакторах четвертого поколения. Разработки российских ученых показывают, что наука способна не только справляться с самыми сложными вызовами, но и помогать строить экологически чистое будущее. Благодаря многолетнему опыту и новым решениям инженеры и ученые Росатома стали ориентиром для всего мира, давая реальный пример того, как можно сделать ядерную энергетику безопаснее и эффективнее.