U prethodnim člancima smo saznali da ni solarna energija neće moći zadovoljiti potrebe čovječanstva (zbog brzog kvara baterija i njihove cijene), niti termonuklearna energija (jer čak i nakon postizanja pozitivnog izlaza energije u eksperimentalnim reaktorima, fantastična količina ostaje problem na putu do komercijalne upotrebe). Šta ostaje?

Više od stotinu godina, uprkos svom napretku čovečanstva, najveći deo električne energije dobija se iz banalnog sagorevanja uglja (koji je još uvek izvor energije za 40,7% svetskih proizvodnih kapaciteta), gasa (21,2%), naftni derivati ​​(5,5%) i hidroenergija (još 16,2%, ukupno sve ovo je 83,5%).

Ono što ostaje je nuklearna energija, sa konvencionalnim reaktorima na termalnim neutronima (za koje je potreban rijedak i skup U-235) i reaktorima sa brzi neutroni(koji može obraditi prirodni U-238 i torijum u "zatvorenom ciklusu goriva").

Kakav je to mitski „zatvoreni ciklus goriva“, koje su razlike između reaktora na brzim i termalnim neutronima, kakvi dizajni postoje, kada od svega toga možemo očekivati ​​sreću i naravno – pitanje sigurnosti – pod rezom.

O neutronima i uranijumu

U školi su nam svima govorili da se U-235, kada ga neutron udari, dijeli i oslobađa energiju, a oslobađaju se još 2-3 neutrona. U stvarnosti je, naravno, sve nešto složenije, a ovaj proces uvelike zavisi od energije ovog početnog neutrona. Pogledajmo grafikone presjeka (=vjerovatnosti) reakcije hvatanja neutrona (U-238 + n -> U-239 i U-235 + n -> U-236), i reakcije fisije za U-235 i U-238 ovisno o energiji (=brzini) neutrona:

Kao što vidimo, vjerovatnoća hvatanja neutrona fisijom za U-235 raste sa smanjenjem energije neutrona, jer se u konvencionalnim nuklearnim reaktorima neutroni „usporavaju“ u grafitu/vodi do te mjere da njihova brzina postaje istog reda kao brzina termičke vibracije atoma u kristalnoj rešetki (otuda naziv - termalni neutroni). A vjerovatnoća fisije U-238 termalnim neutronima je 10 miliona puta manja od U-235, zbog čega je potrebno preraditi tone prirodnog uranijuma da bi se izdvojio U-235.

Neko gledajući donji grafikon mogao bi reći: Oh, odlična ideja! I spržimo jeftini U-238 sa 10 MeV neutronima - trebalo bi da rezultira lančanom reakcijom, jer tamo grafik poprečnog presjeka za fisiju ide gore! Ali postoji problem - neutroni oslobođeni kao rezultat reakcije imaju energiju od samo 2 MeV ili manje (u prosjeku ~1,25), a to nije dovoljno za pokretanje samoodržive reakcije na brzim neutronima u U-238 (ili je potrebno više energije, ili je više neutrona izletjelo iz svake podjele). Eh, covjecanstvo nema srece u ovom univerzumu...

Međutim, da je samoodrživa reakcija na brze neutrone u U-238 tako jednostavna, postojali bi prirodni nuklearni reaktori, kao što je bio slučaj sa U-235 u Oklu, pa se prema tome U-238 ne bi nalazio u prirodi u obliku velikih depozita.

Konačno, ako napustimo "samoodrživu" prirodu reakcije, još uvijek je moguće podijeliti U-238 direktno za proizvodnju energije. Ovo se koristi, na primjer, u termonuklearnim bombama - neutroni od 14,1 MeV iz D+T reakcije dijele U-238 u ljusci bombe - i tako se snaga eksplozije može povećati gotovo besplatno. U kontrolisanim uslovima ostaje teoretska mogućnost kombinovanja fuzijski reaktor i pokrivač (ljuska) od U-238 - za povećanje energije termonuklearne fuzije za ~10-50 puta zbog reakcije fisije.

Ali kako razdvojiti U-238 i torij u samoodrživoj reakciji?

Zatvoreni ciklus goriva

Ideja je sljedeća: pogledajmo ne presjek fisije, već presjek hvatanja: Uz odgovarajuću energiju neutrona (ne prenisku, niti previsoku), U-238 može uhvatiti neutron i nakon 2 raspada može postati plutonijum-239:

Od istrošenog goriva, plutonijum se može hemijski izolovati kako bi se dobilo MOX gorivo (mešavina plutonijuma i uranijum oksida) koje se može spaljivati ​​i u brzim reaktorima i u konvencionalnim termalnim. Proces hemijske prerade istrošenog goriva može biti veoma težak zbog njegove visoke radioaktivnosti i još uvek nije u potpunosti rešen i praktično nije razrađen (ali je rad u toku).

Za prirodni torij - sličan proces, torij hvata neutron, a nakon spontane fisije, postaje uranijum-233, koji se dijeli na približno isti način kao uranijum-235 i oslobađa se iz istrošenog goriva hemijski:

Ove reakcije se, naravno, dešavaju i u konvencionalnim termičkim reaktorima - ali zbog moderatora (koji uvelike smanjuju šansu za hvatanje neutrona) i kontrolnih šipki (koje apsorbuju neke od neutrona), količina proizvedenog plutonija je manja od one u uranijum-235 koji gori. Da biste generirali više fisionih tvari nego što se sagorijeva, morate izgubiti što manje neutrona na upravljačkim šipkama (na primjer, korištenjem kontrolnih šipki od običnog uranijuma), strukturi, rashladnoj tekućini (više o tome u nastavku) i potpuno oslobodite se moderatora neutrona (grafita ili vode).

Zbog činjenice da je presjek fisije za brze neutrone manji nego za termičke, potrebno je povećati koncentraciju fisionog materijala (U-235, U-233, Pu-239) u jezgri reaktora sa 2-4 do 20% i više. A proizvodnja novog goriva se vrši u kasetama sa torijom/prirodnim uranijumom koji se nalaze oko ovog jezgra.

Srećom, ako je fisija uzrokovana brzim neutronom, a ne toplinskim, reakcija proizvodi ~1,5 puta više neutrona nego u slučaju fisije toplinskim neutronima - što reakciju čini realnijom:

Upravo ovo povećanje broja generiranih neutrona omogućava proizvodnju veće količine goriva nego što je prvobitno bila dostupna. Naravno, novo gorivo se ne uzima iz ničega, već se proizvodi od „beskorisnog“ U-238 i torijuma.

O rashladnoj tečnosti

Kao što smo gore saznali, voda se ne može koristiti u brzom reaktoru - ona izuzetno efikasno usporava neutrone. Šta to može zamijeniti?

plinovi: Reaktor možete ohladiti helijumom. Ali zbog njihovog malog toplotnog kapaciteta, teško je na ovaj način rashladiti moćne reaktore.

Tečni metali: Natrijum, kalijum- široko se koristi u brzim reaktorima širom svijeta. Prednosti su niska tačka topljenja i rad na skoro atmosferskom pritisku, ali ovi metali veoma dobro sagorevaju i reaguju sa vodom. Jedini operativni energetski reaktor na svijetu, BN-600, radi na natrijum rashladnoj tečnosti.

Olovo, bizmut- koristi se u reaktorima BREST i SVBR koji se trenutno razvijaju u Rusiji. Od očiglednih nedostataka - ako se reaktor ohladio ispod tačke smrzavanja olova/bizmuta - zagrevanje je veoma teško i dugo traje (o onima koji nisu očigledni možete pročitati na linku na wikiju). Općenito, mnoga tehnološka pitanja ostaju na putu implementacije.

Merkur- postojao je reaktor BR-2 sa živinom rashladnom tečnošću, ali kako se ispostavilo, živa relativno brzo rastvara strukturne materijale reaktora - tako da se više nisu gradili živini reaktori.

egzotično: Zasebna kategorija - reaktori rastopljene soli - LFTR - rade različite opcije fluoridi fisionih materijala (uranijum, torijum, plutonijum). 2 „laboratorijska“ reaktora izgrađena su u SAD-u u Nacionalnoj laboratoriji Oak Ridge 60-ih godina, i od tada nijedan drugi reaktor nije implementiran, iako ima mnogo projekata.

Radni reaktori i zanimljivi projekti

Ruski BOR-60- eksperimentalni reaktor na brzim neutronima, koji radi od 1969. godine. Konkretno, koristi se za ispitivanje strukturnih elemenata novih reaktora na brzim neutronima.

Ruski BN-600, BN-800: Kao što je već spomenuto, BN-600 je jedini energetski reaktor na brzim neutronima na svijetu. Radi od 1980. godine, i dalje koristi uranijum-235.

U 2014. planirano je lansiranje snažnijeg BN-800. Već se planira početak korištenja MOX goriva (sa plutonijumom), te početak razvoja zatvorenog gorivnog ciklusa (sa preradom i sagorijevanjem proizvedenog plutonijuma). Tada može postojati serijski BN-1200, ali odluka o njegovoj izgradnji još nije donesena. Što se tiče iskustva u izgradnji i industrijskom radu reaktora na brzim neutronima, Rusija je napredovala mnogo dalje od bilo koga drugog i nastavlja se aktivno razvijati.

Postoje i mali istraživački brzi reaktori u Japanu (Jōyō), Indiji (FBTR) i Kini (Kina eksperimentalni brzi reaktor).

Japanski reaktor Monju- najnesrećniji reaktor na svetu. Izgrađen je 1995. godine, a iste godine je došlo do curenja nekoliko stotina kilograma natrijuma, kompanija je pokušala da sakrije razmjere incidenta (zdravo Fukushima), reaktor je bio zatvoren 15 godina. U maju 2010. godine reaktor je konačno pušten u rad na smanjenoj snazi, ali je u avgustu, prilikom transporta goriva, u reaktor bačena dizalica od 3,3 tone, koja je odmah potonula u tečni natrijum. Dizalicu je bilo moguće nabaviti tek u junu 2011. 29. maja 2013. bit će donesena odluka da se reaktor zauvijek zatvori.

Reaktor na putujućim talasima: Među poznatim nerealizovanim projektima je i „reaktor putujućih talasa“ - reaktor na putujućim talasima, kompanije TerraPower. Ovaj projekat je promovirao Bill Gates - pa su o njemu dva puta pisali na Habréu: , . Ideja je bila da se „jezgro“ reaktora sastoji od obogaćenog uranijuma, a oko njega su U-238/torijumske kasete u kojima bi se proizvodilo buduće gorivo. Zatim bi robot pomerio ove kasete bliže centru - i reakcija bi se nastavila. Ali u stvarnosti, veoma je teško izvesti sve ovo bez hemijske obrade, a projekat nikada nije krenuo.

O sigurnosti nuklearne energije

Kako mogu reći da se čovječanstvo može osloniti na nuklearnu energiju - i to nakon Fukušime?

Činjenica je da je svaka energija opasna. Prisjetimo se nesreće na brani Banqiao u Kini, koja je izgrađena, između ostalog, za potrebe proizvodnje struje - tada je stradalo 26 hiljada ljudi. do 171 hiljada Čovjek. Nesreća uključena HE Sayano-Shushenskaya- 75 ljudi je umrlo. Samo u Kini 6.000 rudara pogine svake godine tokom vađenja uglja, a to ne uključuje zdravstvene posljedice udisanja izduvnih gasova iz termoelektrana.

Broj nesreća u nuklearnim elektranama ne zavisi od broja elektrana, jer Svaka nesreća se može dogoditi samo jednom u nizu. Nakon svakog incidenta u svim jedinicama se analiziraju i otklanjaju uzroci. Dakle, nakon nesreće u Černobilu, sve jedinice su modificirane, a nakon Fukušime, Japancima je nuklearna energija u potpunosti oduzeta (međutim, ovdje postoje i teorije zavjere - očekuje se da će SAD i njihovi saveznici imati manjak uranijuma -235 u narednih 5-10 godina).

Problem sa istrošenim gorivom direktno rešavaju reaktori na brzim neutronima, jer Osim poboljšanja tehnologije obrade otpada, stvara se manje otpada: teški (aktinidi), dugovječni produkti reakcije također se „sagorevaju“ brzim neutronima.

Zaključak

Brzi reaktori imaju glavnu prednost koju svi očekuju od termonuklearnih reaktora - gorivo za njih će trajati čovječanstvu hiljadama i desetinama hiljada godina. Ne morate ga čak ni minirati - već je miniran i leži

Akademik F. Mitenkov, naučni direktor Saveznog državnog jedinstvenog preduzeća "Eksperimentalni konstruktorski biro za mašinstvo" im. I. I. Afrikantova (Nižnji Novgorod).

Akademik Fjodor Mihajlovič Mitenkov je 2004. nagrađen Globalnom energetskom nagradom za razvoj fizičkih i tehničkih osnova i stvaranje energetskih reaktora na brzim neutronima (vidi Nauka i život br. 8, 2004). Istraživanja koja je laureat proveo i njihova praktična implementacija u delujućim reaktorskim postrojenjima BN-350, BN-600, BN-800 u izgradnji i BN-1800 u projektovanju, otvaraju nove stvari za čovečanstvo, obećavajući pravac razvoj nuklearne energije.

Belojarska elektrana sa reaktorom BN-600.

Akademik F. M. Mitenkov na ceremoniji dodele Global Energy Prize u junu 2004.

Nauka i život // Ilustracije

Nauka i život // Ilustracije

Shematski dijagram reaktor na brzim neutronima BN-350.

Šematski dijagram brzog reaktora BN-600.

Centralna sala reaktora BN-600.

Reaktor na brzim neutronima BN-800 ima električnu snagu od 880 MW i toplotnu snagu od 1,47 GW. Istovremeno, njegov dizajn osigurava potpunu sigurnost kako tokom normalnog rada, tako i u bilo kojoj mogućoj nesreći.

Nauka i život // Ilustracije

Potrošnja energije - najvažniji pokazatelj, koji u velikoj mjeri određuje nivo ekonomskog razvoja, nacionalne sigurnosti i blagostanja stanovništva bilo koje zemlje. Rast potrošnje energije oduvijek je pratio razvoj ljudskog društva, ali je bio posebno brz tokom dvadesetog vijeka: potrošnja energije porasla je skoro 15 puta, dostigavši ​​apsolutnu vrijednost od oko 9,5 milijardi tona naftnog ekvivalenta (toe) do svog kraja. Sagorevanje uglja, nafte i prirodnog gasa obezbeđuje oko 80% globalne potrošnje energije. U 21. veku, njen rast će se nesumnjivo nastaviti, posebno u zemljama u razvoju, za koje ekonomski razvoj i poboljšanje kvaliteta života stanovništva neminovno su povezani sa značajnim povećanjem količine potrošene energije, prvenstveno njene najuniverzalnije vrste – električne energije. Do sredine 21. stoljeća predviđa se da će se globalna potrošnja energije udvostručiti, a potrošnja električne energije utrostručiti.

Opšti trend rasta potrošnje energije povećava zavisnost većine zemalja od uvoza nafte i prirodnog gasa, pojačava konkurenciju za pristup energetskim resursima i stvara pretnju globalnoj bezbednosti. Istovremeno, raste zabrinutost za ekološke posljedice proizvodnje energije, prvenstveno zbog opasnosti od neprihvatljivog zagađenja zraka emisijom produkata sagorijevanja ugljovodoničnih goriva.

Stoga će u ne tako dalekoj budućnosti čovječanstvo biti prinuđeno prijeći na korištenje alternativnih tehnologija proizvodnje energije „bez ugljika“ koje će dugo vremena pouzdano zadovoljavati rastuće energetske potrebe bez neprihvatljivih ekoloških posljedica. Međutim, moramo priznati da se trenutno poznati obnovljivi izvori energije - vjetar, solarna, geotermalna, plima itd. - zbog svojih potencijalnih mogućnosti ne mogu koristiti za proizvodnju energije velikih razmjera (vidi "Nauka i život" br. 10, 2002 - Bilješka ed.). A veoma obećavajuća tehnologija kontrolisane termonuklearne fuzije je još uvek u fazi istraživanja i stvaranja demonstracionog nuklearnog reaktora (vidi "Nauka i život" br. 8, 2001, br. 9, 2001 - Bilješka ed.).

Prema mišljenju mnogih stručnjaka, uključujući i autora ovog članka, pravi energetski izbor čovječanstva u 21. stoljeću bit će široka upotreba nuklearne energije zasnovane na fisijskim reaktorima. Nuklearna energija bi već sada mogla preuzeti značajan dio povećanja svjetske potražnje za gorivom i energijom. Danas osigurava oko 6% globalne potrošnje energije, uglavnom električne, pri čemu je njen udio oko 18% (u Rusiji - oko 16%).

Neophodno je nekoliko uslova da bi šira upotreba nuklearne energije postala glavni izvor energije u tekućem stoljeću. Prije svega, nuklearna energija treba da zadovolji zahtjeve zajamčene sigurnosti stanovništva i okoliša, a prirodni resursi za proizvodnju nuklearnog goriva moraju osigurati funkcioniranje „velike“ nuklearne energije najmanje nekoliko stoljeća. I, osim toga, u pogledu tehničkih i ekonomskih pokazatelja, nuklearna energija ne bi trebala biti inferiorna u odnosu na najbolje izvore energije koji koriste ugljikovodična goriva.

Pogledajmo kako moderna nuklearna energija ispunjava ove zahtjeve.

O zagarantovanoj sigurnosti nuklearne energije

Od svog nastanka, pitanja sigurnosti nuklearne energije razmatraju se i prilično efikasno rješavaju sistematski i na naučnoj osnovi. Međutim, tokom perioda njenog formiranja, dogodile su se vanredne situacije s neprihvatljivim ispuštanjem radioaktivnosti, uključujući dvije nesreće velikih razmjera: u nuklearnoj elektrani Three Mile Island (SAD) 1979. nuklearna elektrana u Černobilu(SSSR) 1986. S tim u vezi, globalna zajednica naučnika i nuklearnih stručnjaka, pod pokroviteljstvom Međunarodne agencije za atomsku energiju (IAEA), razvila je preporuke, poštovanjem kojih se praktično eliminišu neprihvatljivi uticaji na životnu sredinu i stanovništvo u slučaju bilo kakvih fizički mogućih uticaja. nesreće u nuklearnim elektranama. Oni, posebno, predviđaju: ako projekt ne dokazuje pouzdano da je isključeno topljenje jezgre reaktora, mora se uzeti u obzir mogućnost takve nesreće i mora se dokazati da su fizičke barijere predviđene projektom reaktora garantovano isključuju neprihvatljive posledice po životnu sredinu. Uključene su preporuke IAEA sastavni dio u nacionalne standarde nuklearne sigurnosti u mnogim zemljama širom svijeta. Neka inženjerska rješenja koja osiguravaju siguran rad modernih reaktora opisana su u nastavku na primjeru reaktora BN-600 i BN-800.

Resursna baza za proizvodnju nuklearnog goriva

Nuklearni stručnjaci znaju da postojeća nuklearna energetska tehnologija, zasnovana na takozvanim “termalnim” nuklearnim reaktorima sa vodenim ili grafitnim moderatorom neutrona, ne može osigurati razvoj nuklearne energije velikih razmjera. To je zbog niske efikasnosti korištenja prirodnog uranijuma u takvim reaktorima: koristi se samo izotop U-235, čiji je sadržaj u prirodnom uranijumu samo 0,72%. Stoga dugoročna strategija razvoja “velike” nuklearne energije podrazumijeva prelazak na naprednu tehnologiju zatvorenog gorivog ciklusa zasnovanu na korištenju brzih tzv. nuklearnih reaktora i preradu goriva istovarenog iz reaktora nuklearnih elektrana za naknadni povratak neizgorelih i novonastalih fisionih izotopa u energetski ciklus.

U "brzim" reaktorima, većina događaja fisije nuklearnog goriva uzrokovana je brzim neutronima s energijom većom od 0,1 MeV (otuda naziv "brzi" reaktor). Istovremeno, u reaktoru dolazi do fisije ne samo vrlo rijetkog izotopa U-235, već i U-238, glavne komponente prirodnog uranijuma (~99,3%), čija je vjerovatnoća fisije u neutronskom spektru “termalnog reaktora” je veoma niska. Od suštinske je važnosti da se u „brzom“ reaktoru sa svakim događajem nuklearne fisije proizvodi veći broj neutrona koji se mogu iskoristiti za intenzivnu konverziju U-238 u fisijski izotop plutonijuma Pu-239. Ova transformacija se javlja kao rezultat nuklearna reakcija:

Neutronsko-fizičke karakteristike brzog reaktora su takve da proces formiranja plutonija u njemu može imati karakter produženog razmnožavanja, kada se u reaktoru formira više sekundarnog plutonija nego što je prvobitno napunjena količina sagorela. Proces stvaranja viška količine fisionih izotopa u nuklearnom reaktoru naziva se "breding" (od engleskog breed - umnožavati). Ovaj termin je povezan sa međunarodno prihvaćenim nazivom za brze reaktore sa plutonijumskim gorivom - reaktori za razmnožavanje ili multiplikatori.

Praktična implementacija procesa oplemenjivanja je od fundamentalnog značaja za budućnost nuklearne energije. Činjenica je da takav proces omogućava gotovo potpuno korištenje prirodnog uranijuma i time povećanje „prinosa“ energije iz svake tone iskopanog prirodnog uranijuma za gotovo stotinu puta. Ovo otvara put do gotovo neiscrpnih izvora goriva nuklearne energije za dugu istorijsku perspektivu. Stoga je općenito prihvaćeno da je upotreba uzgajivača neophodno stanje stvaranje i rad nuklearne energije velikih razmjera.

Nakon što je krajem 1940-ih ostvarena temeljna mogućnost stvaranja brzih reaktora za razmnožavanje, počela su intenzivna istraživanja njihovih neutronskih karakteristika i potraga za odgovarajućim inženjerskim rješenjima širom svijeta. U našoj zemlji inicijator istraživanja i razvoja brzih reaktora bio je akademik Ukrajinske akademije nauka Aleksandar Iljič Lejpunski, koji je do svoje smrti 1972. naučni nadzornik Obninsk Institut za fiziku i energiju (PEI).

Inženjerske poteškoće u stvaranju brzih reaktora povezane su s brojnim svojstvima. To uključuje: visoku gustoću energije goriva; potreba da se osigura njegovo intenzivno hlađenje; visoke radne temperature rashladnog sredstva, konstruktivnih elemenata i opreme reaktora; radijacijsko oštećenje konstrukcijskih materijala uzrokovano intenzivnim zračenjem brzim neutronima. Za rješavanje ovih novih naučno-tehničkih problema i razvoj tehnologije brzih reaktora bilo je potrebno razviti veliku istraživačku i eksperimentalnu bazu s jedinstvenim štandovima, kao i stvaranje niza eksperimentalnih i demonstracijskih 1960-1980-ih godina. energetskih reaktora ovog tipa u Rusiji, SAD, Francuskoj, Velikoj Britaniji i Njemačkoj. Važno je napomenuti da je u svim zemljama natrijum izabran kao rashladni medij - rashladno sredstvo - za brze reaktore, uprkos činjenici da aktivno reaguje sa vodom i vodenom parom. Odlučujuće prednosti natrijuma kao rashladnog sredstva su njegova izuzetno dobra termofizička svojstva (visoka toplotna provodljivost, visok toplotni kapacitet, visoka tačka ključanja), niska potrošnja energije za cirkulaciju, smanjen korozivni efekat na konstrukcijske materijale reaktora i relativna lakoća reaktora. njegovo čišćenje tokom rada.

Prvi domaći demonstracioni reaktor na brzim neutronima BN-350 sa toplotnom snagom od 1000 MW pušten je u rad 1973. godine na istočnoj obali Kaspijskog mora (vidi "Nauka i život" br. 11, 1976 - Bilješka ed.). Imao je kružnu shemu prijenosa topline tradicionalnu za nuklearnu energiju i kompleks parne turbine za pretvaranje toplinske energije. Dio toplotne snage reaktora korišten je za proizvodnju električne energije, a ostatak za desalinizaciju morska voda. Jedan od karakteristične karakteristike sheme ove i kasnijih reaktorskih instalacija s natrijumovim rashladnim sredstvom - prisustvo srednjeg kruga za prijenos topline između reaktora i kruga para-voda, diktirano sigurnosnim razmatranjima.

Reaktorsko postrojenje BN-350, uprkos složenosti svoje tehnološke šeme, uspešno je radilo od 1973. do 1988. (pet godina duže od projektovanog vremena) kao deo Energetske elektrane Mangyshlak i postrojenja za desalinizaciju morske vode u Ševčenku (danas Aktau, Kazahstan) .

Veliko grananje natrijevih krugova u reaktoru BN-350 izazvalo je zabrinutost, jer bi u slučaju hitnog smanjenja pritiska moglo doći do požara. Stoga, ne čekajući lansiranje reaktora BN-350, SSSR je započeo projektiranje snažnijeg brzog reaktora BN-600 integralnog dizajna, u kojem nije bilo natrijumovih cjevovoda velikog prečnika i gotovo sav radioaktivni natrij u primarni krug je bio koncentrisan u reaktorskoj posudi. To je omogućilo da se gotovo u potpunosti eliminira rizik od smanjenja tlaka prvog kruga natrijuma, smanji opasnost od požara instalacije i poveća nivo radijacijske sigurnosti i pouzdanosti reaktora.

Reaktorsko postrojenje BN-600 pouzdano radi od 1980. godine kao deo trećeg bloka NE Belojarsk. Danas je to najmoćniji reaktor na brzim neutronima koji radi na svijetu, koji služi kao izvor jedinstvenog operativnog iskustva i osnova za ispitivanje u punoj mjeri naprednih konstrukcijskih materijala i goriva.

Svi naredni projekti ovog tipa reaktora u Rusiji, kao i većina komercijalnih projekata brzih reaktora razvijenih u inostranstvu, koriste integralni dizajn.

Osiguravanje sigurnosti brzih reaktora

Već tokom projektovanja prvih energetskih reaktora na brzim neutronima velika pažnja obratili pažnju na sigurnosna pitanja kako tokom normalnog rada tako i tokom vanredne situacije. Pravci traženja odgovarajućih projektnih rješenja određeni su zahtjevom da se isključe neprihvatljivi utjecaji na okoliš i stanovništvo kroz unutrašnju samozaštitu reaktora i korištenje efikasnih sistema za lokalizaciju potencijalnih udesa koji ograničavaju njihove posljedice.

Samoodbrana reaktora zasniva se prvenstveno na djelovanju negativnog povratne informacije, stabilizacija procesa fisije nuklearnog goriva sa povećanjem temperature i snage reaktora, kao i na svojstva materijala koji se koriste u reaktoru. Da bismo ilustrirali inherentnu sigurnost brzih reaktora, ukazaćemo na neke od njihovih karakteristika povezanih sa upotrebom natrijum rashladnog sredstva u njima. Toplota Tačka ključanja natrijuma (883oC u normalnim fizičkim uvjetima) omogućava održavanje tlaka blizu atmosferskog u posudi reaktora. Ovo pojednostavljuje dizajn reaktora i povećava njegovu pouzdanost. Posuda reaktora nije izložena velikim mehaničkim opterećenjima tokom rada, pa je čak i manje vjerovatno da će doći do pucanja nego kod postojećih reaktora s vodom pod pritiskom, gdje spada u hipotetičku klasu. Ali čak i takva nesreća u brzom reaktoru ne predstavlja opasnost sa stanovišta pouzdanog hlađenja nuklearnog goriva, budući da je posuda okružena zatvorenim sigurnosnim kućištem, a volumen mogućeg istjecanja natrijuma u njega je beznačajan. Snižavanje tlaka u cjevovodima s natrijumovim rashladnim sredstvom u brzom reaktoru integralnog dizajna također ne dovodi do opasnoj situaciji. Budući da je toplinski kapacitet natrijuma prilično visok, čak i uz potpuni prestanak odvođenja topline u krug para-voda, temperatura rashladnog sredstva u reaktoru će se povećati brzinom od približno 30 stupnjeva na sat. Tokom normalnog rada, temperatura rashladnog sredstva na izlazu iz reaktora je 540oC. Značajna margina temperature prije nego što natrijum proključa pruža rezervu vremena dovoljnu da se preduzmu mjere za ograničavanje posljedica tako nevjerovatne nesreće.

U dizajnu reaktora BN-800, koji koristi osnovna inženjerska rješenja BN-600, poduzete su dodatne mjere kako bi se osigurao očuvanje integriteta reaktora i da nema neprihvatljivih utjecaja na okoliš, čak iu slučaju hipotetičke, krajnje malo vjerojatne nesreće koja uključuje topljenje jezgre reaktora.

Kontrolna tabla reaktora BN-600.

Dugogodišnji rad brzih reaktora potvrdio je dovoljnost i djelotvornost predviđenih mjera sigurnosti. Za 25 godina rada reaktora BN-600 nije bilo akcidenata sa prekomjernim ispuštanjem radioaktivnosti, bez izlaganja osoblja, a posebno lokalnog stanovništva. Brzi reaktori su pokazali visoku operativnu stabilnost i lako ih je kontrolisati. Savladana je tehnologija natrijum rashladne tečnosti koja efikasno neutrališe njenu opasnost od požara. Osoblje pouzdano otkriva curenje natrijuma i sagorijevanje i pouzdano otklanja njihove posljedice. IN poslednjih godina Više i više široka primena u projektima brzih reaktora nalaze se sistemi i uređaji koji mogu prevesti reaktor u bezbedno stanje bez intervencije osoblja ili eksternog snabdevanja energijom.

Tehničko-ekonomski pokazatelji brzih reaktora

Karakteristike natrijeve tehnologije, povećane sigurnosne mjere i konzervativan izbor dizajnerskih rješenja za prve reaktore - BN-350 i BN-600 - postali su razlozi njihove veće cijene u odnosu na vodeno hlađene reaktore. Međutim, stvoreni su uglavnom za testiranje performansi, sigurnosti i pouzdanosti brzih reaktora. Ovaj problem je riješen njihovim uspješnim radom. Prilikom izrade sljedeće reaktorske instalacije - BN-800, namijenjene za masovnu upotrebu u nuklearnoj energiji, više pažnje se poklanjalo tehničkim i ekonomskim karakteristikama, te je kao rezultat, u pogledu specifičnih kapitalnih troškova, bilo moguće značajno približiti VVER-1000 - glavni tip domaćih reaktora na spore neutrone.

Do sada se može smatrati utvrđenim da brzi reaktori sa natrijumovim rashladnim sredstvom imaju veliki potencijal za dalje tehničko i ekonomsko unapređenje. Glavni pravci poboljšanja njihovih ekonomskih karakteristika uz istovremeno povećanje stepena sigurnosti uključuju: povećanje jedinične snage reaktora i glavnih komponenti energetskog bloka, poboljšanje dizajna glavne opreme, prelazak na superkritične parametre pare u cilju povećanja termodinamička efikasnost ciklusa konverzije toplotne energije, optimizacija sistema za rukovanje svežim i istrošenim gorivom, povećanje sagorevanja nuklearnog goriva, stvaranje jezgra sa visokim interni koeficijent stopa reprodukcije (CR) - do 1, povećavajući vijek trajanja na 60 godina ili više.

Poboljšanje pojedinačne vrste oprema, kako pokazuju projektne studije urađene u OKBM-u, može imati veoma značajan uticaj na poboljšanje tehničko-ekonomskih pokazatelja kako reaktorskog postrojenja tako i bloka u cjelini. Na primjer, studije za poboljšanje sistema dopunjavanja goriva perspektivnog reaktora BN-1800 pokazale su mogućnost značajnog smanjenja potrošnje metala ovog sistema. Zamjena modularnih generatora pare s kućištem originalnog dizajna može značajno smanjiti njihov trošak, kao i površinu, volumen i potrošnju materijala odjeljka generatora pare agregata.

Uticaj snage reaktora i tehnološkog unapređenja opreme na potrošnju metala i nivo kapitalnih troškova može se vidjeti iz tabele.

Poboljšanje brzih reaktora će naravno zahtijevati određeni napor sa strane industrijska preduzeća, naučne i projektantske organizacije. Dakle, za povećanje izgaranja nuklearnog goriva potrebno je razviti i ovladati proizvodnjom konstrukcijskih materijala za jezgro reaktora koji su otporniji na neutronsko zračenje. Radovi u ovom pravcu su trenutno u toku.

Brzi reaktori se mogu koristiti za više od energije. Visokoenergetski neutronski tokovi su u stanju da efikasno „spale“ najopasnije dugovečne radionuklide nastale u istrošenom nuklearnom gorivu. Ovo je od fundamentalnog značaja za rješavanje problema upravljanja radioaktivnim otpadom iz nuklearne energije. Činjenica je da vrijeme poluraspada nekih radionuklida (aktinida) daleko premašuje naučno utemeljene periode stabilnosti geoloških formacija, koje se smatraju krajnjim odlagalištima radioaktivnog otpada. Stoga je korištenjem zatvorenog gorivnog ciklusa sa sagorijevanjem aktinida i transmutacijom dugoživućih fisionih produkata u kratkovječne moguće radikalno riješiti problem neutralizacije nuklearnog energetskog otpada i uvelike smanjiti količinu radioaktivnog otpada koji se zakopava.

Prijenos nuklearne energije, zajedno s “termalnim” reaktorima, na brze reaktore, kao i na zatvoreni gorivni ciklus, omogućit će stvaranje sigurne energetske tehnologije koja u potpunosti zadovoljava zahtjeve održivog razvoja ljudskog društva.

Mnogi stručnjaci danas vjeruju da su reaktori na brzim neutronima budućnost nuklearne energije. Jedan od pionira u razvoju ove tehnologije je Rusija, gde reaktor na brzim neutronima BN-600 u NE Belojarsk radi već 30 godina bez ozbiljnijih incidenata, tamo se gradi reaktor BN-800, a stvara se reaktor BN-800. planiran je komercijalni reaktor BN-1200. Francuska i Japan imaju iskustva u radu nuklearnih elektrana na brze neutrone, a razmatraju se i planovi za izgradnju nuklearnih elektrana na brze neutrone u Indiji i Kini. Postavlja se pitanje zašto ne postoje praktični programi za razvoj energije brzih neutrona u zemlji s vrlo razvijenom nuklearnom energetskom industrijom - SAD?

U stvari, postojao je takav projekat u SAD. Riječ je o projektu Clinch River Breeder Reactor (na engleskom - The Clinch River Breeder Reactor, skraćeno CRBRP). Cilj ovog projekta bio je dizajniranje i izgradnja brzog reaktora natrijuma, koji je trebao biti demonstracijski prototip za sljedeću klasu sličnih američkih reaktora pod nazivom LMFBR (skraćeno od Liquid Metal Fast Breeder Reactors). Istovremeno, reaktor Clinch River je zamišljen kao značajan korak ka razvoju tehnologije brzih reaktora s tekućim metalima u svrhu njihove komercijalne upotrebe u elektroenergetskoj industriji. Lokacija reaktora Clinch River trebala je biti površina od 6 km 2, administrativno dio grada Oak Ridge u Tennesseeju.

Reaktor je trebao imati toplotnu snagu od 1000 MW i električnu snagu u rasponu od 350-380 MW. Gorivo za njega trebalo je da bude 198 heksagonalnih sklopova sastavljenih u obliku cilindra sa dve zone za obogaćivanje goriva. Unutrašnjost reaktora trebalo je da se sastoji od 108 sklopova koji sadrže plutonijum obogaćen na 18%. Trebalo je da budu okruženi spoljnom zonom koja se sastoji od 90 sklopova sa plutonijumom obogaćenim na 24%. Ova konfiguracija treba da obezbedi najbolji uslovi za oslobađanje toplote.

Projekat je prvi put predstavljen 1970. Godine 1971. američki predsjednik Richard Nixon uspostavio je ovu tehnologiju kao jedan od glavnih prioriteta u istraživanju i razvoju u zemlji.

Šta je spriječilo njegovu implementaciju?

Jedan od razloga za ovu odluku je kontinuirano povećanje troškova projekta. Godine 1971. Komisija za atomsku energiju SAD utvrdila je da će projekat koštati oko 400 miliona dolara. Privatni sektor se obavezao da će finansirati veći dio projekta, izdvajajući 257 miliona dolara. U narednim godinama, međutim, trošak projekta je skočio na 700 miliona. Od 1981. godine već je potrošeno milijardu dolara budžetskih sredstava, uprkos činjenici da je cena projekta tada procenjena na 3 - 3,2 milijarde. dolara, ne računajući još milijardu, koliko je bilo potrebno za izgradnju postrojenja za proizvodnju proizvedenog goriva. 1981. godine, kongresni komitet je otkrio slučajeve raznih zloupotreba, što je dodatno povećalo troškove projekta.

Prije odluke o zatvaranju, cijena projekta već je bila procijenjena na 8 milijardi dolara.

Drugi razlog su bili visoki troškovi izgradnje i rada samog reaktora za proizvodnju električne energije. Godine 1981. procijenjeno je da će cijena izgradnje brzog reaktora biti dvostruko veća od standardnog reaktora na laku vodu iste snage. Također je procijenjeno da bi uzgajivač bio ekonomski konkurentan konvencionalnim reaktorima na laku vodu, cijena uranijuma bi morala biti 165 dolara po funti, dok je u stvarnosti cijena tada bila 25 dolara po funti. Privatne proizvodne kompanije nisu htjele ulagati u tako rizičnu tehnologiju.

Još jedan ozbiljan razlog za smanjenje programa uzgajivača bila je prijetnja moguće kršenje režima neproliferacije, jer se ovom tehnologijom proizvodi plutonijum, koji se može koristiti i za proizvodnju nuklearnog oružja. Zbog međunarodne zabrinutosti oko pitanja širenja nuklearnog oružja, u aprilu 1977. američki predsjednik Jimmy Carter pozvao je na neograničeno odlaganje izgradnje komercijalnih brzih reaktora.

Predsjednik Carter je općenito bio dosljedan protivnik projekta Clinch River. U novembru 1977., nakon što je stavio veto na nacrt zakona o nastavku finansiranja, Carter je rekao da će on biti "nevjerojatno skup" i "postati tehnički zastario i ekonomski neizvodljiv kada bude završen". Osim toga, naveo je da je tehnologija brzih reaktora općenito uzaludna. Umjesto da uloži sredstva u demonstracijski projekat brzih neutrona, Carter je umjesto toga predložio "trošenje novca na poboljšanje sigurnosti postojećih nuklearnih tehnologija".

Projekat Clinch River je nastavljen nakon što je Ronald Reagan preuzeo dužnost 1981. Uprkos rastućem protivljenju Kongresa, on je poništio zabranu svog prethodnika i gradnja je nastavljena. Međutim, 26. oktobra 1983. godine, uprkos uspješnom napretku građevinskih radova, američki Senat je većinom glasova (56 prema 40) pozvao da se ne finansira dalje finansiranje izgradnje i lokacija je napuštena.

Još jednom, to se prisjetilo sasvim nedavno, kada je u SAD-u počeo da se razvija projekt reaktora male snage mPower. Lokacija planirane izgradnje nuklearne elektrane Clinch River razmatra se kao lokacija za njenu izgradnju.

Reaktor na brzim neutronima.

U strukturi nuklearne energije velikih razmjera važnu ulogu dodijeljen reaktorima na brzim neutronima sa zatvorenim ciklusom goriva. Omogućavaju povećanje efikasnosti korištenja prirodnog uranijuma za gotovo 100 puta i na taj način uklanjaju ograničenja razvoja nuklearne energije izvana prirodni resursi nuklearno gorivo.
Trenutno radi oko 440 nuklearnih reaktora u 30 zemalja širom svijeta, koji daju oko 17% ukupne električne energije proizvedene u svijetu. U industrijaliziranim zemljama udio „nuklearne“ električne energije je, po pravilu, najmanje 30% i stalno raste. Međutim, prema znanstvenicima, brzo rastuća nuklearna energetska industrija, zasnovana na modernim „termalnim“ nuklearnim reaktorima koji se koriste u nuklearnim elektranama u pogonu i izgradnji (većina s reaktorima tipa VVER i LWR), neizbježno će već u tekućem stoljeću suočavaju sa nedostatkom sirovina uranijuma zbog toga što je fisijski element goriva za ove stanice rijedak izotop uranijum-235.
U reaktoru na brzim neutronima (BN), reakcija nuklearne fisije proizvodi višak sekundarnih neutrona, čija apsorpcija u masi uranijuma, koji se sastoji od uranijuma-238, dovodi do intenzivnog stvaranja novog nuklearnog fisionog materijala plutonijum-239. . Kao rezultat, iz svakog kilograma uranijuma-235, uz proizvodnju energije, moguće je dobiti više od jednog kg plutonijuma-239, koji se umjesto rijetkog uranijuma-235 može koristiti kao gorivo u bilo kojem reaktoru nuklearne elektrane. Ovo fizički proces, nazvana reprodukcija goriva, omogućit će sav prirodni uran, uključujući njegov glavni dio - izotop uranijuma-238 (99,3% ukupne mase fosilnog uranijuma), da bude uključen u industriju nuklearne energije. Ovaj izotop u modernim nuklearnim elektranama na termalne neutrone praktički nije uključen u proizvodnju energije. Kao rezultat toga, proizvodnja energije sa postojećim resursima uranijuma i minimalnim uticajem na prirodu mogla bi se povećati skoro 100 puta. U ovom slučaju, atomska energija će biti dovoljna čovječanstvu za nekoliko milenijuma.
Prema naučnicima, zajednički rad “termalnih” i “brzih” reaktora u omjeru od približno 80:20% omogućit će nuklearnoj energiji najviše efikasno korišćenje resursi uranijuma. U ovom omjeru, brzi reaktori će proizvesti dovoljno plutonija-239 za rad nuklearnih elektrana s termalnim reaktorima.
Dodatna prednost tehnologije brzih reaktora sa viškom sekundarnih neutrona je sposobnost da se "sagoreju" dugovječni (s periodom raspadanja do hiljada i stotina hiljada godina) radioaktivni fisioni proizvodi, pretvarajući ih u kratkotrajni s vremenom poluraspada ne dužim od 200-300 godina. Takav pretvoreni radioaktivni otpad može se pouzdano zakopati u posebna skladišta bez narušavanja prirodne radijacijske ravnoteže Zemlje.

Rad na polju nuklearnih reaktora na brzim neutronima započeo je 1960. godine dizajnom prvog pilot industrijskog energetskog reaktora BN-350. Ovaj reaktor je pušten u rad 1973. godine i uspješno je radio do 1998. godine.
Godine 1980. u NEB Beloyarsk kao dio bloka broj 3, pušten je u rad sljedeći, snažniji energetski reaktor BN-600 (600 MW(e)), koji pouzdano radi do danas, kao najveći operativni reaktor ovog tipa u svijetu. U aprilu 2010. godine reaktor je završio svoj projektni vijek trajanja od 30 godina sa visokim pokazateljima pouzdanosti i sigurnosti. Tokom dugog perioda rada, kapacitet snage agregata održava se na stabilnom nivou visoki nivo- oko 80%. Neplanirani gubici manji od 1,5%.
U proteklih 10 godina rada bloka nije bilo niti jednog slučaja hitnog gašenja reaktora.
Nema ispuštanja dugovječnih gasnih aerosol radionuklida u okoliš. Prinos inertnih radioaktivnih gasova je trenutno zanemarljiv i iznosi<1% от допустимого по санитарным нормам.
Rad reaktora uvjerljivo je pokazao pouzdanost projektnih mjera za sprječavanje i zadržavanje curenja natrijuma.
U pogledu pouzdanosti i sigurnosti, reaktor BN-600 pokazao se konkurentnim serijskim reaktorima toplinskih neutrona (VVER).

Slika 1. Reaktorska (centralna) hala BN-600

1983. godine, na bazi BN-600, preduzeće je izradilo projekat poboljšanog reaktora BN-800 za energetski blok snage 880 MW(e). Godine 1984. započeli su radovi na izgradnji dva reaktora BN-800 u Belojarskoj i novoj nuklearnoj elektrani Južnog Urala. Naknadno kašnjenje u izgradnji ovih reaktora iskorišteno je za doradu projekta kako bi se dodatno poboljšala njegova sigurnost i poboljšali tehnički i ekonomski pokazatelji. Radovi na izgradnji BN-800 nastavljeni su 2006. godine u elektrani Belojarsk (4. blok) i trebalo bi da budu završeni 2013. godine.

Slika 2. Reaktor na brzim neutronima BN-800 (vertikalni presjek)

Slika 3. Model reaktora BN-800

Reaktor BN-800 u izgradnji ima sljedeće važne zadatke:

• Osiguravanje rada na MOX gorivu.
• Eksperimentalna demonstracija ključnih komponenti zatvorenog ciklusa goriva.
• Ispitivanje u realnim uslovima rada novih tipova opreme i uvedena poboljšana tehnička rešenja za poboljšanje efikasnosti, pouzdanosti i bezbednosti.
• Razvoj inovativnih tehnologija za buduće reaktore na brzim neutronima sa tečnim metalnim rashladnim sredstvom:
• ispitivanje i certificiranje naprednih goriva i konstrukcijskih materijala;
• demonstracija tehnologije spaljivanja minornih aktinida i transmutiranja dugovječnih fisionih produkata, koji čine najopasniji dio radioaktivnog otpada iz nuklearne energije.

AD "Afrikantov OKBM" razvija projekat unapređenog komercijalnog reaktora BN-1200 snage 1220 MW.

Slika 3. Reaktor BN-1200 (vertikalni presjek)

Planiran je sljedeći program za realizaciju ovog projekta:

• 2010...2016 - izrada tehničkog projekta reaktorskog postrojenja i implementacija R&D programa.
• 2020 - puštanje u rad glavnog bloka na MOX gorivo i organizacija njegove centralizirane proizvodnje.
• 2023…2030 - puštanje u rad serije blokova ukupne snage oko 11 GW.

Uz rješenja potvrđena pozitivnim operativnim iskustvom BN-600 i uključena u projekt BN-800, projekat BN-1200 koristi nova rješenja usmjerena na daljnje poboljšanje tehničkih i ekonomskih pokazatelja i povećanje sigurnosti.
Prema tehničkim i ekonomskim pokazateljima:

• povećanje faktora iskorištenosti instalisanog kapaciteta sa planirane vrijednosti od 0,85 za BN-800 na 0,9;
• postepeno povećanje izgaranja MOX goriva od dostignutog nivoa u eksperimentalnim gorivnim sklopovima od 11,8% t.a. do nivoa od 20% t.a. (prosječno sagorijevanje ~140 MW dan/kg);
• povećanje faktora razmnožavanja na ~1,2 na uranijum-plutonijum oksidnom gorivu i na ~1,45 na mješovitom nitridnom gorivu;
• smanjenje specifičnih pokazatelja potrošnje metala za ~1,7 puta u odnosu na BN-800
• povećanje vijeka trajanja reaktora sa 45 godina (BN-800) na 60 godina.

Za sigurnost:

• vjerojatnost ozbiljnog oštećenja jezgre trebala bi biti za red veličine manja od zahtjeva regulatornih dokumenata;
• zona sanitarne zaštite mora biti locirana unutar granica lokacije nuklearne elektrane za bilo kakve projektne nesreće;
• granica zone zaštitnih mera mora da se poklapa sa granicom lokacije NE za teške vanprojektne udese, čija verovatnoća ne prelazi 10-7 po reaktoru godišnje.

Optimalna kombinacija referentnih i novih rješenja i mogućnost proširene reprodukcije goriva omogućavaju svrstavanje ovog projekta u četvrtu generaciju nuklearne tehnologije.

AD "Afrikantov OKBM" aktivno učestvuje u međunarodnoj saradnji na brzim reaktorima. Bio je programer kineskog eksperimentalnog reaktora na brzim neutronima CEFR i glavni izvođač za izradu glavne opreme reaktora, učestvovao je u fizičkom i energetskom puštanju reaktora u pogon 2011. godine i pomaže u razvoju njegove snage. Trenutno je u pripremi međuvladin sporazum za izgradnju u Kini demonstracionog brzog reaktora hlađenog natrijumom (CDFR) na osnovu projekta BN-800 uz učešće OKBM-a i drugih preduzeća Državne korporacije Rosatom.

Nakon puštanja u rad i uspješnog rada prve nuklearne elektrane u svijetu 1955. godine, na inicijativu I. Kurchatova, donesena je odluka da se na Uralu izgradi industrijska nuklearna elektrana sa kanalskim reaktorom vode pod pritiskom. Karakteristike ovog tipa reaktora su pregrijavanje pare do visokih parametara direktno u jezgru, što je otvorilo mogućnost korištenja serijske turbinske opreme.

1958. godine u centru Rusije, u jednom od najživopisnijih kutaka uralske prirode, počela je izgradnja Belojarske nuklearne elektrane. Za instalatere, ova stanica je počela davne 1957. godine, a pošto je tema nuklearnih elektrana tih dana bila zatvorena, u prepisci i životu nazvana je Belojarska državna okružna elektrana. Ovu stanicu su pokrenuli zaposleni u trustu Uralenergomontazh. Njihovim zalaganjem 1959. godine stvorena je baza sa radionicom za proizvodnju vodovoda i parovoda (1 krug reaktora), izgrađene su tri stambene zgrade u selu Zarečni i započela je izgradnja glavne zgrade.

1959. godine na gradilištu su se pojavili radnici povjerenstva Tsentroenergomontazh koji su dobili zadatak da instaliraju reaktor. Krajem 1959. godine iz Dorogobuža, Smolenska oblast, premešteno je mesto za izgradnju nuklearne elektrane, a montažne radove vodi V. Nevski, budući direktor Belojarske NE. Svi radovi na ugradnji termomehaničke opreme u potpunosti su prebačeni na Tsentroenergomontazh trust.

Intenzivan period izgradnje Belojarske NEK počeo je 1960. godine. U to vrijeme instalateri su, uz građevinske radove, morali da ovladaju novim tehnologijama ugradnje nehrđajućih cjevovoda, obloga posebnih prostorija i skladišta radioaktivnog otpada, ugradnje reaktorskih konstrukcija, grafitnog zidanja, automatskog zavarivanja itd. U hodu smo saznali od stručnjaka koji su već učestvovali u izgradnji nuklearnih postrojenja. Prešavši sa tehnologije ugradnje termoelektrana na ugradnju opreme za nuklearne elektrane, radnici Tsentroenergomontazha su uspješno završili svoje zadatke, a 26. aprila 1964. godine, prvi energetski blok Belojarske NEK sa AMB-100 reaktor je doveo prvu struju u energetski sistem Sverdlovsk. Ovaj događaj, zajedno sa puštanjem u rad 1. bloka nuklearne elektrane Novovoronjež, značio je rođenje velike nuklearne industrije u zemlji.

Reaktor AMB-100 bio je daljnje poboljšanje u dizajnu reaktora Prve svjetske nuklearne elektrane u Obninsku. Bio je to kanalski reaktor sa višim termičkim karakteristikama jezgra. Dobivanje pare visokih parametara zbog nuklearnog pregrijavanja direktno u reaktoru bio je veliki korak naprijed u razvoju nuklearne energije. reaktor je radio u jednoj jedinici sa turbogeneratorom od 100 MW.

Konstrukcijski, reaktor prvog energetskog bloka Belojarske NEK pokazao se zanimljivim po tome što je stvoren praktično bez okvira, odnosno reaktor nije imao teško, višetonsko, izdržljivo tijelo, kao npr. vodeno hlađeni vodeno hlađeni VVER reaktor slične snage sa kućištem dužine 11-12 m, prečnika 3-3,5 m, debljine zidova i dna 100-150 mm ili više. Mogućnost izgradnje nuklearnih elektrana s otvorenim reaktorima pokazala se vrlo primamljivom, jer je oslobodila teška inženjerska postrojenja od potrebe za proizvodnjom čeličnih proizvoda težine 200-500 tona, ali se pokazalo da je implementacija nuklearnog pregrijavanja direktno u reaktoru da se povezuje sa poznatim poteškoćama u regulisanju procesa, posebno u pogledu praćenja njegovog odvijanja, sa zahtevom za preciznošću rada mnogih instrumenata, prisustvom velikog broja cevi različitih veličina pod visokim pritiskom itd.

Prvi blok NE Belojarsk dostigao je svoj puni projektni kapacitet, međutim, zbog relativno malog instaliranog kapaciteta bloka (100 MW), složenosti njegovih tehnoloških kanala i, samim tim, visoke cijene, cijene 1 kWh električne energije ispostavilo se da je znatno veći od termalnih stanica na Uralu.

Drugi blok NE Belojarsk sa reaktorom AMB-200 izgrađen je brže, bez velikih napora u radu, jer je tim za izgradnju i montažu već bio pripremljen. Instalacija reaktora je značajno poboljšana. Imao je jednokružni rashladni krug, što je pojednostavilo tehnološki dizajn cijele nuklearne elektrane. Kao i kod prvog agregata, glavna karakteristika reaktora AMB-200 je isporuka pare visokog parametra direktno u turbinu. 31. decembra 1967. godine na mrežu je priključen agregat br. 2 čime je završena izgradnja 1. etape stanice.

Značajan dio istorije rada 1. etape BNPP bio je ispunjen romansom i dramom, karakterističnom za sve novo. To se posebno odnosilo na period razvoja bloka. Smatralo se da s tim ne bi trebalo biti problema - postojali su prototipovi od reaktora AM “Prvi na svijetu” do industrijskih reaktora za proizvodnju plutonijuma, na kojima su osnovni koncepti, tehnologije, dizajnerska rješenja, mnoge vrste opreme i sistema, i čak i značajan dio tehnoloških režima je testiran . Međutim, pokazalo se da je razlika između industrijske nuklearne elektrane i njenih prethodnika toliko velika i jedinstvena da su se pojavili novi, dosad nepoznati problemi.

Najveća i najočitija od njih bila je nezadovoljavajuća pouzdanost kanala za isparavanje i pregrijavanje. Nakon kratkog perioda njihovog rada došlo je do smanjenja pritiska gasa gorivnih elemenata ili curenja rashladne tečnosti sa neprihvatljivim posledicama po grafitne zidove reaktora, tehnološke režime rada i popravke, izloženost zračenju osoblja i okoline. Prema naučnim kanonima i proračunskim standardima tog vremena, to se nije smjelo dogoditi. Dubinska proučavanja ovog novog fenomena naterala su nas da preispitamo ustaljene ideje o osnovnim zakonima ključanja vode u cevima, jer je čak i uz malu gustinu toplotnog fluksa, nastao dotad nepoznat tip krize prenosa toplote, koji je 1979. V.E. Doroshchuka (VTI) i naknadno nazvao „krizom prijenosa topline druge vrste“.

Godine 1968. doneta je odluka o izgradnji trećeg energenta sa reaktorom na brzim neutronima u elektrani Belojarsk - BN-600. Naučni nadzor nad izradom BN-600 vršio je Institut za fiziku i energetiku, projekat reaktorskog postrojenja Projektni biro za eksperimentalno mašinstvo, a generalni projekat bloka izvršio je lenjingradski ogranak Atomelektroprojekta. Blok je izgradio generalni izvođač - trust Uralenergostroy.

Prilikom projektovanja uzeto je u obzir iskustvo rada reaktora BN-350 u Ševčenku i reaktora BOR-60. Za BN-600 usvojen je ekonomičniji i strukturno uspješniji integralni raspored primarnog kruga, prema kojem su jezgra reaktora, pumpe i međuizmjenjivači topline smješteni u jednom kućištu. Reaktorska posuda, promjera 12,8 m i visine 12,5 m, postavljena je na kotrljajuće nosače pričvršćene na osnovnu ploču okna reaktora. Masa sastavljenog reaktora iznosila je 3900 tona, a ukupna količina natrijuma u instalaciji premašila je 1900 tona. Biološka zaštita je izrađena od čeličnih cilindričnih paravana, čeličnih blankova i cijevi sa grafitnim punilom.

Zahtjevi za kvalitetom ugradnje i zavarivanja za BN-600 pokazali su se za red veličine veći od onih koji su bili postignuti ranije, a tim za montažu morao je hitno preobučiti osoblje i ovladati novim tehnologijama. Tako je 1972. godine, prilikom sklapanja reaktorske posude od austenitnih čelika, prvi put korišten betatron za kontrolu prijenosa velikih zavarenih spojeva.

Osim toga, prilikom ugradnje unutrašnjih uređaja reaktora BN-600 postavljeni su posebni zahtjevi za čistoćom, te su evidentirani svi dijelovi koji se unose i uklanjaju iz unutarreaktorskog prostora. To je bilo zbog nemogućnosti daljeg ispiranja reaktora i cjevovoda natrijumovim rashladnim sredstvom.

Nikolaj Muravjov, koji ga je mogao pozvati na posao iz Nižnjeg Novgoroda, gdje je ranije radio u projektnom birou, odigrao je veliku ulogu u razvoju tehnologije instalacije reaktora. Bio je jedan od programera projekta reaktora BN-600, a tada je već bio u penziji.

Instalaterski tim je uspješno izvršio postavljene zadatke ugradnje jedinice za brze neutrone. Punjenje reaktora natrijumom pokazalo je da je čistoća kruga održavana čak i višom nego što je potrebno, jer se pokazalo da je tačka stinjavanja natrijuma, koja u tečnom metalu zavisi od prisustva stranih kontaminanata i oksida, niža od one postignute tokom instalacija reaktora BN-350, BOR-60 u SSSR-u i nuklearnih elektrana "Feniks" u Francuskoj.

Uspeh instalaterskih timova na izgradnji Belojarske NEU umnogome je zavisio od rukovodilaca. Prvo je to bio Pavel Ryabukha, zatim je došao mladi energični Vladimir Nevski, a zatim ga je zamijenio Vazgen Kazarov. V. Nevsky je mnogo učinio za formiranje tima instalatera. Godine 1963. imenovan je za direktora Belojarske nuklearne elektrane, a kasnije je bio na čelu Glavatomenerga, gdje je vrijedno radio na razvoju nuklearne industrije zemlje.

Konačno, 8. aprila 1980. godine izvršen je energetski puštanje u rad bloka br. 3 NE Belojarsk sa reaktorom na brzim neutronima BN-600. Neke dizajnerske karakteristike BN-600:

• električna snaga – 600 MW;
• toplotna snaga – 1470 MW;
• temperatura pare – 505 o C;
• pritisak pare – 13,7 MPa;
• bruto termodinamička efikasnost – 40,59%.

Posebnu pažnju treba posvetiti iskustvu rukovanja natrijumom kao rashladnom tečnošću. Ima dobra termofizička i zadovoljavajuća nuklearno-fizička svojstva, te je dobro kompatibilan sa nehrđajućim čelicima, uranijumom i plutonijum dioksidom. Konačno, nije oskudan i relativno jeftin. Međutim, on je vrlo kemijski aktivan, zbog čega je njegova upotreba zahtijevala rješavanje najmanje dva ozbiljna problema: minimiziranje vjerovatnoće curenja natrijuma iz cirkulacijskih krugova i curenja među krugovima u parogeneratorima i osiguravanje efikasne lokalizacije i prekida sagorijevanja natrijuma u slučaju curenja.

Prvi zadatak je generalno prilično uspješno riješen u fazi razvoja opreme i projekata cjevovoda. Integralni raspored reaktora pokazao se vrlo uspješnim, u kojem su sva glavna oprema i cjevovodi 1. kruga sa radioaktivnim natrijem bili "skriveni" unutar posude reaktora, pa je stoga njegovo curenje, u principu, bilo moguće samo iz nekoliko pomoćnih sistema.

I premda je BN-600 danas najveća energetska jedinica sa reaktorom na brzim neutronima na svijetu, Belojarska NPP nije jedna od nuklearnih elektrana velikog instaliranog kapaciteta. Njegove razlike i prednosti određuju novina i jedinstvenost proizvodnje, njeni ciljevi, tehnologija i oprema. Sve reaktorske instalacije BelNPP bile su namenjene za pilot industrijsku potvrdu ili demantovanje tehničkih ideja i rešenja koje su postavili projektanti i konstruktori, istraživanje tehnoloških režima, konstruktivnih materijala, gorivnih elemenata, upravljačkih i zaštitnih sistema.

Sva tri agregata nemaju direktne analoge ni u našoj zemlji ni u inostranstvu. Oni su utjelovili mnoge ideje za budući razvoj nuklearne energije:

• izgrađeni su i pušteni u rad energetski blokovi sa vodeno-grafitnim reaktorima industrijskog razmjera;
• korišćeni su serijski turbo agregati visokih parametara sa efikasnošću termoenergetskog ciklusa od 36 do 42%, što nema nijedna nuklearna elektrana u svetu;
• korišteni su gorivi sklopovi, čiji dizajn isključuje mogućnost ulaska aktivnosti fragmentacije u rashladno sredstvo čak i kada su gorivne šipke uništene;
• ugljični čelik se koristi u primarnom krugu reaktora 2. bloka;
• tehnologija upotrebe i rukovanja tekućim metalnim rashladnim sredstvom je u velikoj mjeri savladana;

Belojarska elektrana bila je prva nuklearna elektrana u Rusiji koja se u praksi suočila s potrebom rješavanja problema dekomisije istrošenih reaktorskih postrojenja. Razvoj ove oblasti djelovanja, koja je vrlo relevantna za cjelokupnu industriju nuklearne energije, imao je dug period inkubacije zbog nepostojanja organizacijske i regulatorne dokumentacije i neriješenog pitanja finansijske podrške.

Više od 50 godina rada NE Belojarsk ima tri prilično različite faze, od kojih je svaka imala svoje oblasti delovanja, specifične poteškoće u realizaciji, uspehe i razočarenja.

Prva faza (od 1964. do sredine 70-ih) bila je u potpunosti povezana sa puštanjem u rad, razvojem i postizanjem projektnog nivoa snage blokova 1. stepena, velikim brojem radova na rekonstrukciji i rješavanjem problema vezanih za nesavršene konstrukcije blokova, tehnološke režime i osiguranje održivog rada kanala za gorivo. Sve je to zahtijevalo ogromne fizičke i intelektualne napore osoblja stanice, koje, nažalost, nije bilo okrunjeno povjerenjem u ispravnost i izglede odabira uran-grafitnih reaktora s nuklearnom pregrijanom parom za daljnji razvoj nuklearne energije. Međutim, najznačajniji dio akumuliranog radnog iskustva 1. faze uzet je u obzir od strane projektanata i konstruktora prilikom stvaranja uranijum-grafitnih reaktora sljedeće generacije.

Početak 70-ih bio je povezan s izborom novog smjera za daljnji razvoj nuklearne energije zemlje - reaktora na brzim neutronima s naknadnom perspektivom izgradnje nekoliko energetskih blokova s ​​reaktorima koji koriste miješano uranijsko-plutonijsko gorivo. Prilikom određivanja lokacije za izgradnju prvog pilot industrijskog bloka na brzim neutronima, izbor je pao na elektranu Belojarsk. Na ovaj izbor značajno je utjecalo prepoznavanje sposobnosti građevinskih timova, instalatera i osoblja postrojenja da pravilno izgrade ovaj jedinstveni agregat i potom osiguraju njegov pouzdan rad.

Ova odluka označila je drugu fazu u razvoju NE Belojarsk, koja je najvećim dijelom završena odlukom Državne komisije da prihvati završenu izgradnju bloka sa reaktorom BN-600 sa ocjenom „odličan“, retko se koristi u praksi.

Osiguravanje kvaliteta rada u ovoj fazi povjereno je najboljim stručnjacima kako iz izvođača radova, tako i iz operativnog osoblja stanice. Osoblje elektrane steklo je veliko iskustvo u postavljanju i ovladavanju opremom nuklearnih elektrana, koje je aktivno i plodno korišteno prilikom puštanja u rad u nuklearnim elektranama Černobil i Kursk. Posebno treba istaći NE Bilibino, gdje je, pored puštanja u rad, izvršena i dubinska analiza projekta, na osnovu koje je napravljen niz značajnih poboljšanja.

Puštanjem u rad trećeg bloka počela je treća faza postojanja stanice koja traje više od 35 godina. Ciljevi ove faze bili su postizanje projektnih parametara bloka, potvrda u praksi isplativosti projektnih rješenja i stjecanje radnog iskustva za naknadno razmatranje pri projektovanju serijskog bloka sa reaktorom za razmjenu. Svi ovi ciljevi su sada uspješno ostvareni.

Sigurnosni koncepti postavljeni u dizajnu jedinice općenito su potvrđeni. Budući da je tačka ključanja natrijuma za skoro 300 o C viša od njegove radne temperature, reaktor BN-600 radi gotovo bez pritiska u reaktorskoj posudi, koja može biti izrađena od visokoplastičnog čelika. Ovo praktički eliminira mogućnost brzog razvoja pukotina. A trokružna shema prijenosa topline iz jezgre reaktora s povećanjem tlaka u svakom sljedećem krugu potpuno eliminira mogućnost da radioaktivni natrij iz 1. kruga uđe u drugi (neradioaktivni) krug, a još više u para-voda treći krug.

Potvrda postignutog visokog stepena sigurnosti i pouzdanosti BN-600 je sigurnosna analiza izvršena nakon nesreće u nuklearnoj elektrani Černobil, koja nije pokazala potrebu za hitnim tehničkim poboljšanjima. Statistike o aktiviranju hitnih zaštita, hitnim isključenjima, neplaniranim smanjenjima radne snage i drugim kvarovima pokazuju da je reaktor BN-6OO najmanje među 25% najboljih nuklearnih jedinica u svijetu.

Prema rezultatima godišnjeg takmičenja, Belojarska NPP 1994, 1995, 1997. i 2001. godine. je nagrađen titulom „Najbolja nuklearna elektrana u Rusiji“.

Agregat br. 4 sa reaktorom na brzim neutronima BN-800 je u fazi pred puštanje u rad. Novi 4. blok sa reaktorom BN-800 snage 880 MW doveden je na minimalnu kontrolisanu snagu 27.06.2014. Energetska jedinica je dizajnirana da značajno proširi bazu goriva nuklearne energije i minimizira radioaktivni otpad kroz organizaciju zatvorenog ciklusa nuklearnog goriva.

Razmatra se mogućnost daljeg proširenja NE Belojarsk sa blokom br. 5 sa brzim reaktorom snage 1200 MW - glavnim komercijalnim blokom za serijsku izgradnju.