В названии статьи нет ошибки. Не «67 лет со дня пуска первого советского реактора», а именно — «первому отечественному», поскольку исследовательский реактор Ф-1 целёхонек и поныне. Он в исправном состоянии, а запаса топлива ему хватит, согласно оценкам специалистов, ещё на 700 лет.
Он заработал 25 декабря 1946 года в 18:00 и был первым не только в СССР, но и в Европе и Азии. На его постройку ушло 50 т урана и столько же графита.
Энергетические характеристики не поражали воображение: сферическая активная зона диаметром 6 метров, сложенная из блоков графита и необогащённого урана, вырабатывала в среднем 20 Вт тепловой мощности. Впрочем, для решения главной задачи — отработки режимов управления реактором и обучения персонала будущих заводов оружейного плутония — больше и не нужно было.
Пожалуй, дальнейшей главной задачей большинства атомных реакторов, которые строились в последующие годы, было производство плутония для ядерных зарядов и выработка электроэнергии. Плутония требовалось много, электричества — тоже, реакторы становились всё больше и больше…
И вот настали наши дни. И стало понятно, что существует огромное количество применений, где позарез нужны атомные реакторы, но… маленькие. А где их взять? На каких принципах строить? Как вскоре стало понятно, создание малогабаритной атомной энергетической установки — труднейшая научно-техническая задача, во много раз превосходящая по сложности задачи традиционной «большой» атомной энергетики. Потребовались новые идеи. Вот о них и поговорим…
1. «Одноразовый реактор». За последние 10 лет значительный прогресс наблюдается в области технологий малых необслуживаемых реакторов, получивших за это прозвище «одноразовых». В январе прошлого года Министерство энергетики США объявило о начале программы финансирования разработок такого рода реакторов в сумме $452 млн. Программа рассчитана на пять лет.
Суть концепции проще всего понять на примере разработок одной из участниц этой программы — транснациональной корпорации Babcock & Wilcox Company (B&W). Базируясь на традиционной технологии реакторов с водяным теплоносителем, компания разработала концепцию малогабаритных модульных реакторов. Каждый реактор B&W представляет собой функционально законченный модуль, включающий в себя активную зону, комплекс средств регулирования цепной реакции, арматуру подключения реактора к магистралям циркуляционных насосов. Реакторы рассчитаны на установку в заглублённых зданиях небольших атомных электростанций. Их мощность составляет всего 125 МВт, а размеры такого реактора в десять раз меньше среднего промышленного реактора аналогичной схемы. Главная особенность реакторов — они поставляются полностью снаряженными топливом, количество которого позволяет им работать непрерывно в течение 60 лет. По исчерпании запаса топлива реактор выводится из эксплуатации без разборки и извлечения ядерных отходов.
2. Подкритический реактор на протонных пучках. Другой подход к проблеме создания миниатюрных ядерных реакторов основан на принципе возбуждения ядерных реакций деления, но без выхода на уровень самоподдерживающейся цепной реакции (подкритические реакторы). Одним из способов возбуждения реакций является облучение промежуточной мишени пучком ускоренных протонов, которые, в свою очередь, порождают вторичные нейтроны, вызывающие деление ядер топливной мишени (как правило, урановой) с выделением энергии. На практике используют свинцовые промежуточные мишени и ускорители протонов с величиной энергии около 1 ГэВ. При таком режиме генерируются нейтроны с энергиями, соответствующими работе классического реактора на быстрых нейтронах.
Расчёты показывают, что такие реакторы являются усилителями мощности с коэффициентом усиления примерно 20–55. Заметим, что КПД ускорителя, входящего в состав такого реактора, довольно высок и составляет 42–48%; затраты энергии на собственные нужды систем реактора — 4,6% от вырабатываемой.
3. Торий. Альтернативную идею создания подкритичных реакторов с использованием возбуждения протонным пучком три года назад выдвинул итальянский физик Карло Руббиа — «отец Большого адронного коллайдера». В 1984 году он был удостоен Нобелевской премии по физике. Суть идеи Руббиа — использовать в качестве материала топливной мишени торий. С точки зрения затрат на производство этого топлива торий несопоставимо дешевле урана, его на Земле больше, а система ядерных реакций, протекающих в ториевом реакторе, производит в несколько раз менее опасные отходы. Энергия протонного ускорителя, по расчётам Руббиа, должна находиться в диапазоне 800 МэВ — 1 ГэВ.
На первоначальные проработки и создание экспериментальной базы Евросоюз выделил грант в €100 млн. Второй транш финансирования в €500 млн был заблокирован Францией под воздействием мощного лобби традиционных атомных энергетиков и взаимодействующих с ними промышленных компаний. Одновременно с торможением разработок ториевого подкритичного реактора в Европе активизировались китайские компании. Согласно опубликованным в китайской печати заявлениям руководства страны, к 2020 году в Китае планируется построить не менее 10 АЭС на подкритичных ториевых реакторах.
4. Бегущая волна. Кстати, о китайцах. Не так давно мир облетело извести о том, что Билл Гейтс (в данном случае выступающий в качестве основного инвестора компании Terrapower и от её лица) начал активные переговоры с чиновниками Министерства науки и техники и китайскими атомщиками, планируя совместно с ними создать реактор нового типа, получивший название «реактор бегущей волны». На разработку устройства планируется потратить немногим более $1 млрд, а первые образцы «в железе» должны появиться к 2030 году.
Сама по себе идея такого рода реактора («реактор-самоед») была впервые предложена ещё в 1958 году сотрудниками Курчатовского института С. М. Фейнбергом и Е. П. Кунегиным. Л. П. Феоктистов в 1988 году сформулировал концепцию в её нынешнем виде — «реактор бегущей волны». Своё название реактор получил из-за того, что область цепной реакции в его активной зоне из низкообогащенного урана с течением времени перемещается от стартовой зоны (с первоначально более высокой концентрацией обогащённого урана) к противоположной стороне.
5. Нейтронные источники. Ещё один тип подкритических реакторов разрабатывается на базе специальных приборов — генераторов нейтронов. Как известно, отсутствие у нейтронов электрического заряда делает их идеальным инструментом воздействия на ядра атомов. Генерация нейтронов, как правило, осуществляется в небольших ускорителях дейтронов (ядер тяжёлого водорода, состоящих из одного протона и одного нейтрона), направляемых на мишени из титана, скандия или цинка. При исходной энергии дейтронов всего в 200 кэВ, нейтронный генератор испускает нейтроны с энергиями от 13 до 15 МэВ, способные эффективно порождать реакции деления. Важно то, что эта технология позволяет конструировать очень малогабаритные источники нейтронов и вдобавок генерирующие остро направленные пучки с плавно изменяемой энергией.
6. Ядерные пучки. Огромный потенциал уменьшения габаритов и повышения эффективности подкритических реакторов связан с использованием в качестве возбудителей ядерных реакций в топливной мишени частиц, представляющих собой ядра элементов. Исследования, проводимые в этом направлении, показывают, что при столкновении ядер атомов имеют место явления, связанные с вязкостью ядерной материи. Проще говоря, столкновение ядер атомов больше напоминает не соударение двух жёстких шаров, а движение пули в куске пластилина. При этом из-за внутреннего трения возникает большое число возбуждённых фрагментов ядер с мощным выбросом нейтронов. Важно и то, что эта технология позволяет обходиться меньшей энергией ускорителей — а следовательно, сократить размеры и энергопотребление установки.
7. Компактный термояд. Как известно, одним из самых эффективных источников нейтронов является термоядерная реакция. Совсем недавно исследовательская компания Tokamak Solutions (Оксфорд) подписала контракт с ITER на создание компактного термоядерного реактора со сферической рабочей камерой диаметром 2 метра. Использование термоядерного реактора в качестве источника нейтронов позволит реализовать целый спектр конструкций подкритических ядерных реакторов без использования сложных и дорогих ускорителей частиц. Забавно то, что если в термоядерной бомбе реакции деления являются «запалом» термоядерной реакции синтеза, то в новом поколении компактных реакторов термояд будет возбуждать и поддерживать «горение» реакций деления.
