10 ядерных технологий, которые изменят мир06.11.2022 21:18

Работы у атомщиков хватает. Ученые и инженеры «Росатома» создают технологии, которые меняют не только атомную промышленность, но и мир вокруг нас. Они работают над тем, чтобы природных запасов урана людям хватило на тысячи лет, а отработавшее ядерное топливо и отходы перерабатывались и вновь использовались. Они разрабатывают и создают атомные реакторы для космических аппаратов и морских судов. Они запускают энергоблоки нового поколения, развивают ядерную медицину и производят новые материалы. А еще российские атомщики участвуют в создании «искусственного солнца» — самого большого в мире термоядерного реактора ITER во Франции — и работают над собственной программой управляемого термоядерного синтеза.

При помощи «Росатома» «TechInsider» составила список десяти самых важных направлений научной работы. В него вошли технологии чистой энергетики, лазерные и медицинские технологии, переработка ядерного топлива и ядерные реакторы будущего.

Водо-водяные реакторы типа ВВЭР сегодня составляют 60% всех действующих ядерных реакторов в России; есть они и за рубежом — в Европе и странах СНГ, Индии и Китае; строятся на экспорт — в Бангладеш, Белоруссии, Турции и других странах. Это современные и безопасные установки, но всегда есть возможность сделать хорошее еще лучше. Уже к концу 2020-х годов «Росатом» планирует начать строительство первого водо-водяного реактора со спектральным регулированием. Подобные реакторы внесут вклад в решение одной из главных проблем ядерной энергетики: сократят расход природного урана, запасы которого на планете велики, но не бесконечны. При той же мощности реактор со спектральным регулированием будет потреблять на 30% меньше урана и нарабатывать для себя новое топливо. Будут у него и другие преимущества: так, реактор со спектральным регулированием можно полностью загрузить МОКС-топливом, содержащим плутоний, который получают в ходе переработки отработавшего ядерного топлива. Это значит, что реакторы со спектральным регулированием могут помочь замкнуть ядерный топливный цикл.

Еще один способ улучшить ВВЭР — изменить параметры теплоносителя, который превращает тепло делящегося урана во вращение турбины электрогенератора. Все превращения энергии из одной формы в другую сопровождаются потерями; в современных ВВЭР около трети энергии деления атомных ядер в конце концов превращается в электроэнергию. В действующих ВВЭР вода на выходе из активной зоны имеет температуру около 320 °С. В сверхкритическом реакторе температура воды составит 540 °С, а значит, перенос энергии будет эффективнее. Изменятся и другие параметры: давление вырастет в полтора раза, и проектировщики, возможно, откажутся от второго контура охлаждения, а горячий теплоноситель пойдет из реактора сразу на турбину — это позволит использовать энергию деления урана намного эффективнее, чем раньше. По расчетам, КПД реактора вырастет до 40–44%, а значит, энергия, производимая на атомной электростанции с реакторами типа ВВЭР со сверхкритическими параметрами, будет дешевле. Работа над проектом сверхкритического ВВЭР-СКД в «Росатоме» уже началась.

Современная концепция безопасности ядерных реакторов включает много уровней защиты на случай возможных отклонений в режимах работы и серьезных аварийных ситуаций — гермооболочку, аварийные системы подачи охладителя, пассивные системы отвода тепла, ловушку расплава на случай расплавления активной зоны и корпуса реактора и многое другое. Но безопасности много не бывает, особенно когда дело касается атомного реактора. Новое слово в обеспечении безопасности — устойчивое к авариям, или толерантное, топливо.

Толерантное — значит, такое, которое не разрушится и не вступит в реакцию с теплоносителем даже при аварии, если отвод тепла из активной зоны реактора будет нарушен. Сам по себе уран с водой не взаимодействует даже при температуре 2500 °С, до которой топливо может разогреться в случае аварийной потери охлаждения. Зато циркониевая оболочка топливных стержней может вступить в реакцию с водой уже при 800 °С. Это очень опасно, ведь в пароциркониевой реакции выделяется много водорода и тепла. Все вместе это может привести к взрыву или разрушить оболочки тепловыделяющих элементов.

Раньше с этой опасностью боролись с помощью дополнительных систем защиты — уловителей водорода и газообменников. Но в 2011 году на АЭС «Фукусима» в Японии эти приемы не сработали, и водород привел к взрыву и повреждению реактора после того, как отказала поврежденная цунами система охлаждения. Поиски способа устранить первопричину пароциркониевой реакции велись и до 2011 года, но после «Фукусимы» стали особенно актуальны.

Защититься от пароциркониевой реакции можно, заменив циркониевый сплав на другой материал. Подбор материала для таких экстремальных условий — задача сложная. Сегодня топливная компания «ТВЭЛ» (входит в структуру «Росатома») занимается поиском материалов, более подходящих для оболочек. Меняя материал оболочек, можно менять и саму топливную композицию. Ученые «Росатома» экспериментируют со сплавами, композитными материалами для оболочек и плотными видами топлива для самих твэлов. Некоторые из разработок уже прошли испытания в лабораториях и исследовательских реакторах.

Одна из главных проблем мирного атома — это проблема радиоактивных отходов. Вынимая из земли слаборадиоактивную урановую руду, мы выделяем из нее уран, обогащаем его и используем в ядерных реакторах, на выходе получая опасную субстанцию. Некоторые из составляющих ее изотопов будут радиоактивны еще много тысяч лет. Ни одно сооружение не может гарантировать безопасность хранения отработавшего топлива на такой долгий срок. Но отработавшее ядерное топливо можно перерабатывать: дожигать самые долгоживущие нуклиды и выделять те, что можно использовать в топливном цикле снова.

Для того чтобы делать это, нужны реакторы двух типов: на тепловых нейтронах и на быстрых. На тепловых, или медленных, нейтронах работает большинство современных ядерных реакторов; теплоносителем в них является вода, она же и замедляет нейтроны (в реакторах некоторых типов замедлителями работают и другие вещества — например, графит в РБМК). Вода омывает топливные стержни; нейтроны, замедленные водой, взаимодействуют преимущественно с одним изотопом урана — редким в природе ураном-235 — и заставляют его делиться, выделяя тепло: оно-то и нужно для выработки электроэнергии. После того как тепловыделяющие сборки полностью отработают положенный срок в активной зоне реактора, отработавшее ядерное топливо (ОЯТ), накопившее в себе осколки деления, выгружается из реактора и заменяется свежим.

В реакторах на быстрых нейтронах в качестве теплоносителя используются вещества, которые гораздо меньше замедляют нейтроны — жидкий натрий, свинец, сплавы свинец-висмут и некоторые другие. Быстрые нейтроны взаимодействуют не только с ураном-235, но и с ураном-238, которого в природном уране гораздо больше, чем урана-235. Захватывая нейтрон, ядро урана-238 превращается в делящийся изотоп плутония, который подходит в качестве топлива и для тепловых, и для быстрых реакторов. Поэтому быстрые реакторы дают и тепло, и новое топливо. Кроме того, в них можно дожигать особо долгоживущие изотопы, которые вносят наибольший вклад в радиоактивность ОЯТ. После дожигания они превращаются в менее опасные, более короткоживущие изотопы.

Чтобы полностью избавиться от долгоживущих радиоактивных отходов, нужно иметь и быстрые, и тепловые реакторы в одном энергетическом комплексе. Кроме того, нужно уметь перерабатывать топливо, извлекая из него ценные компоненты и используя их для производства нового топлива. Сегодня Россия — единственная страна, в которой работают сразу два промышленных реактора на быстрых нейтронах — это реакторы БН-600 и БН-800 на Белоярской АЭС.

Созданием и промышленной реализацией замкнутого ядерного топливного цикла «Росатом» занимается в рамках уникального проекта «Прорыв». На площадке Сибирского химического комбината возводится Опытно-демонстрационный энергокомплекс, где будут отрабатываться технологии замыкания ядерного топливного цикла: там будет работать завод по фабрикации и переработке топлива и уникальный инновационный реактор на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем БРЕСТ-ОД-300. Наряду с этим в рамках проекта разрабатывается индустриальный натриевый реактор на быстрых нейтронах БН-1200. Ученым и инженерам «Росатома» еще предстоит решить много и научных, и технологических вопросов, чтобы замкнуть топливный цикл и получить возможность использовать природный энергетический потенциал урана почти полностью.

Новые технологии — это новые машины, инструменты, установки; чтобы их строить, нужны материалы. Требования к материалам в атомной промышленности и других наукоемких отраслях бывают очень необычными. Одни должны выдерживать радиацию и высокие температуры внутри корпусов ядерных реакторов, другие — справляться с высокими механическими нагрузками при низких температурах в суровых арктических условиях. Сотрудники институтов и предприятий «Росатома» создают такие материалы — новые сплавы, керамику, композиты.

Некоторые материалы в России делать еще недавно почти не умели: сверхпроводящие материалы, например, выпускались только небольшими партиями на заводах экспериментальной техники. Ситуацию изменило участие России в строительстве термоядерного реактора ITER: сейчас в нашей стране ежегодно производится несколько сотен тонн сверхпроводников. Часть отправляется на строительство ITER и других больших научных машин. Возможно, именно российские сверхпроводники будут использованы при строительстве в CERN нового коллайдера FCC. Другая часть останется в России — пойдет на сверхпроводящие трансформаторы, накопители и другие высокотехнологичные приборы.

Атомная энергетика может стать по-настоящему зеленой только тогда, когда перестанет генерировать опасные отходы — особенно те, снижение радиоактивности которых занимает тысячи лет. Для этого нужно научиться повторно использовать отработавшее ядерное топливо и избавляться от самых долгоживущих изотопов, которые неизбежно накапливаются в топливе в процессе работы ядерного реактора. Технологии, позволяющие это делать, уже существуют, но еще не внедрены повсеместно.

Урановое топливо не выгорает до конца. Доля отработавшего в реакции, или «выгоревшего», урана не превышает 6–7%. В большинстве стран отработавшее ядерное топливо после всего одного полного цикла использования в реакторе (который может составлять до 4,5 лет) считают ядерными отходами и отправляют на долговременное хранение. Переработку отработавшего топлива в промышленных масштабах ведут лишь несколько стран в мире — Россия, Франция, Великобритания, Индия, еще несколько стран работают над внедрением технологий переработки.

«Невыгоревший» уран и плутоний можно снова использовать для работы в ядерном реакторе. Уже сейчас все РБМК в России используют регенерированный уран — то есть извлеченный из отработавшего в реакторе ядерного топлива. А основа реакторного парка страны — ВВЭР — в перспективе могут быть переведены на частичное использование РЕМИКС-топлива, состоящего из выделенной из ОЯТ смеси урана и плутония с небольшой добавкой обогащенного урана. Часть выделенного из ОЯТ плутония может быть использована для производства МОКС-топлива для двух реакторов на быстрых нейтронах на Белоярской АЭС.

Переход на водородную энергетику сегодня считается одним из самых разумных способов очистить воздух Земли. Ведь при сжигании водорода в чистом кислороде образуются только высокотемпературное тепло и вода — и никаких вредных выхлопов. Но на пути к водородному транспорту и полномасштабному использованию водорода в других отраслях существует несколько препятствий, одно из которых — маленькие объемы производства водорода. В мире производится всего около 80 миллионов тонн этого газа; эти объемы покрывают только современную промышленную потребность в водороде. Для создания водородной энергетики этого газа понадобится намного больше.

Решением могут стать атомные станции. АЭС работают на постоянной мощности, и по ночам, когда энергопотребление ниже, чем днем, часть энергии остается невостребованной. Ее можно использовать для производства водорода, который в этом случае становится «накопителем» энергии.

Сейчас ученые Росатома работают над проектом атомного энерготехнологического комплекса для производства водородсодержащих энергоносителей. Сердцем кластера станут модульные высокотемпературные газоохлаждаемые реакторы. Они позволят получать водород из метана. Обычный электролиз воды дает водород, но этот процесс требует очень высоких затрат энергии. Используя в качестве сырья природный газ, можно получать «чистый» водород с гораздо меньшими затратами. Побочными продуктами кластера станут такие полезные вещества, как аммиак, этилен, пропилен и другие продукты, которые сегодня производятся на нефтехимических заводах.

Ядерная физика подарила нам химические элементы, которых в природе не бывает, и в том числе тяжелые элементы, массой превосходящие уран. Некоторые изотопы этих элементов нашли применение в ядерной медицине: их используют как источники нейтронов для облучения опухолей и для диагностики заболеваний. Такие элементы невероятно сложны в получении, а потому дороги и редки. Один из самых редких изотопов, калифорний-252, например, нарабатывают всего в двух местах — Национальной лаборатории в Окридже (США) и НИИ атомных реакторов в Димитровграде.

Впрочем, в ядерной медицине для диагностики и лечения различных заболеваний используют не только самые редкие и тяжелые изотопы: применение в лечебной практике нашли десятки различных радиоизотопов. «Росатом» является одним из ключевых игроков на мировом рынке радиоизотопов промышленного и медицинского назначения: производственные возможности его предприятий по выпуску радиоизотопной продукции многократно превышают текущие и перспективные потребности России, и изотопная продукция предприятий «Росатома» регулярно поставляется более чем в двадцать стран мира.

Разрабатывают в России и новую технику для ядерной медицины. В прошлом году был построен первый экспериментальный образец линейного ускорителя частиц для лучевой терапии «Оникс». Фотоны высоких энергий, которые генерирует «Оникс», будут вести «точечный обстрел» раковых опухолей и убивать раковые клетки, не трогая здоровые. В НИИ технической физики и автоматизации недавно модернизировали терапевтический комплекс АГАТ, позволяющий проводить контактную лучевую терапию; в НИИ электрофизической аппаратуры создали новый гамма-томограф для диагностики. Этими машинами планируют в ближайшем будущем обеспечить в первую очередь российские радиологические отделения, в которых сейчас остро не хватает современного оборудования.

Энергия, заключенная в атомном ядре, выделяется не только в процессе деления тяжелых ядер вроде урана и плутония. Ее дает и слияние легких ядер водорода, которых на Земле гораздо больше, чем урана. Эта реакция называется термоядерной. Современная атомная энергетика использует только делящиеся ядра, получая их из урановой руды. Второй путь — использование энергии термоядерного синтеза — пока еще не освоен.

Крупнейший экспериментальный термоядерный реактор ITER строится рядом с исследовательским центром Кадараш на юге Франции. Его цель — продемонстрировать возможность использования термоядерной реакции для выработки электроэнергии. Россия — один из главных участников проекта ITER. Но в России строятся и собственные термоядерные установки.

Так, в середине 2030-х в институте «Росатома» ГНЦ РФ в Троицке планируют построить машину нового поколения — токамак реакторных технологий. Строительство начнется не с нуля: в институте уже есть уникальная установка, токамак с сильным полем, на базе которого запустят новую машину. На ней можно будет экспериментировать, отрабатывать новые технологии поддержания термоядерной реакции.

А в Курчатовском институте уже заканчивают работу над гибридной установкой с элементами ядерного и термоядерного реакторов. Запуск «сердца» гибридной машины — токамака Т-15МД, — запланирован на декабрь 2020 года. Токамак станет прототипом будущего гибридного реактора, на котором ученые отработают один из вариантов замыкания топливного цикла в атомной энергетике. По задумке ученых, в гибридной установке оболочка зоны термоядерной реакции может содержать торий для наработки ядерного топлива для обычных ядерных реакторов. В этом случае нейтроны, рожденные в ходе термоядерной реакции внутри токамака, будут захватываться ядрами тория и превращать его в уран-233 — топливо для атомных станций. Предполагается, что в оболочке токамака может быть размещен и литиевый сегмент для наработки трития — топлива самого термоядерного реактора.

Атомные технологии нужны не только на Земле, но и в космосе. Планируется, что предприятия «Росатома» примут участие в эксперименте по организации оптического канала связи между МКС и транспортным кораблем «Прогресс». Сейчас «космический грузовик» и МКС общаются по старинке, используя радиосвязь; новый способ передачи данных с помощью мощного лазера должен повысить скорость передачи как минимум в шесть раз.

Другие лазеры производства предприятий «Росатома» решают вполне земные задачи — режут толстые металлические трубы и листовой металл. Мобильные лазерные установки производства ГНЦ РФ Тринити используют в том числе для ликвидации аварий на газодобывающих предприятиях: когда действовать нужно на расстоянии от пылающих газовых факелов, справляются лазерные лучи. А в ВНИИНМ им. Бочвара в Москве разрабатывают комплекс подводной лазерной резки, который будет работать на большой глубине; его появления ждут нефтяники, газовики и спасатели.

Если для лазерного резака важнее всего мощность, то для медицинского лазера — точность настройки. Чтобы рассечь роговицу глаза, раздробить камни в почках или восстановить сердечный ритм, нужен очень послушный лазерный луч. Такие лазеры и компьютерные программы для них делают лазерщики «Росатома» совместно с Российской академией наук. Одна из самых востребованных разработок — лазерный комплекс для диагностики рака на ранней стадии: система будет направлять лазерный луч на ткани и органы, а компьютер — анализировать спектр рассеяния и поглощения и искать даже незаметные человеческому глазу новообразования.

Сегодня атомная станция — это целый городок: энергоблоки, турбины, генераторы, конденсаторы, градирни, технические сооружения. Но все чаще звучат разговоры о том, что будущее атомной энергии будет связано совсем с другими — компактными — атомными станциями малой мощности, которые будут снабжать электроэнергией и теплом не целые регионы, а отдельные города, поселки, предприятия.

В деле строительства АЭС малой мощности Россия — мировой лидер. В 2018 году российские атомщики первыми в мире запустили реакторы плавучей атомной станции «Академик Ломоносов». Стоящая в порту Певек, эта самая северная в мире атомная электростанция показала, что использовать мобильные плавучие АЭС можно и для снабжения прибрежных населенных пунктов электричеством, и для теплоснабжения. Следующая задача — построить компактные наземные АЭС.

Сейчас в «Росатоме» разрабатывается сразу несколько проектов таких небольших АЭС. Самые проработанные из них предполагают создание станций на основе уже имеющихся реакторов малой мощности — таких, как созданная ОКБМ имени И.И. Африкантова реакторная установка РИТМ-200 электрической мощностью 50 МВт и проектируемая НИКИЭТ им. Н.А. Доллежаля реакторная установка «Шельф» электрической мощностью 6,6 МВт. Для сравнения: плавучая атомная электростанция «Академик Ломоносов», на которой эксплуатируется два реактора электрической мощностью 35 МВт каждый, может обеспечить электроэнергией и теплом город с населением до 100 тысяч человек.

Планов по использованию компактных ядерных реакторов у атомщиков много: например, в качестве источников энергии для удаленных районов и для океанских добывающих платформ. Кроме того, ими можно замещать выходящие из эксплуатации электростанции, прежде всего, мазутные и угольные. Проекты атомных станций малой мощности, как правило, предусматривают полную автономность реакторов и длительный топливный цикл; обслуживать компактные реакторы не нужно, достаточно установить и запустить, а в конце срока службы извлечь топливо и переработать его.

Российский мирный атом сегодня — одна из самых наукоемких и высокотехнологичных отраслей промышленности, большая и важная часть несырьевого экспорта страны. По многим магистральным ядерным направлениям российская атомная отрасль по-прежнему опережает весь мир — например, в технологиях промышленных реакторов на быстрых нейтронах, замыкания ядерного топливного цикла, производстве атомных станций малой мощности. Сейчас российские атомщики закладывают основу для технологий будущего — в энергетике, медицине, промышленности, материаловедении и, конечно, в фундаментальной науке.

Еще больше об атомной промышленности на www.atom75.ru