Neutroni?
Neutroni su čestice koje su dio većine atomskih jezgara, zajedno s protonima. Tokom reakcije nuklearne fisije, jezgro uranijuma se dijeli na dva dijela i pored toga emituje nekoliko neutrona. Mogu ući u druge atome i pokrenuti jednu ili više reakcija fisije. Ako svaki neutron oslobođen tokom raspada jezgri uranijuma udari u susjedne atome, lavinasti lanac reakcija će započeti oslobađanjem sve više energije. Ako nema sredstava odvraćanja, doći će do nuklearne eksplozije.
Ali unutra nuklearni reaktor Neki od neutrona ili izlaze ili ih apsorbuju posebni apsorberi. Dakle, broj reakcija fisije ostaje stalno isti, upravo onoliko koliko je potrebno za dobijanje energije. Energija iz reakcije radioaktivnog raspada proizvodi toplinu, koja se zatim koristi za stvaranje pare za pogon turbine elektrane.
Neutroni koji održavaju nuklearnu reakciju konstantnom mogu imati različite energije. Ovisno o energiji, nazivaju se toplinskim ili brzim (ima ih i hladnih, ali one nisu pogodne za nuklearne elektrane). Većina reaktora u svijetu zasnovana je na korišćenju termičkih neutrona, ali NPP Belojarsk ima brzi reaktor. Zašto?
Koje su prednosti?
U reaktoru na brzim neutronima, dio energije neutrona ide, kao u konvencionalnim reaktorima, za održavanje reakcije fisije glavne komponente nuklearnog goriva, uranijuma-235. A dio energije apsorbira školjka od uranijuma-238 ili torijuma-232. Ovi elementi su beskorisni za konvencionalne reaktore. Kada neutroni udare u njihova jezgra, pretvaraju se u izotope pogodne za upotrebu u nuklearnoj energiji kao gorivo: plutonijum-239 ili uranijum-233.
Obogaćeni uranijum. Za razliku od istrošenog nuklearnog goriva, uranijum nije ni približno toliko radioaktivan da njime treba da rukuju samo roboti. Možete ga čak i kratko držati rukama u debelim rukavicama. Foto: Ministarstvo energetike SAD
Tako se reaktori na brzim neutronima mogu koristiti ne samo za snabdijevanje gradova i tvornica energijom, već i za proizvodnju novog nuklearnog goriva od relativno jeftinih sirovina. U prilog ekonomske koristi govore sljedeće činjenice: kilogram uranijuma istopljenog iz rude košta pedesetak dolara, sadrži samo dva grama uranijuma-235, a ostalo je uranijum-238.
Međutim, reaktori na brzim neutronima se praktički ne koriste u svijetu. BN-600 se može smatrati jedinstvenim. Trenutno ne rade ni japanski Monju, ni francuski Phoenix, ni brojni eksperimentalni reaktori u SAD-u i Velikoj Britaniji: pokazalo se da su reaktori na termalnim neutronima lakši za konstruiranje i rad. Brojne su prepreke na putu do reaktora koji mogu kombinirati proizvodnju energije s proizvodnjom nuklearnog goriva. A sudeći po uspješnom radu od 35 godina, dizajneri BN-600 uspjeli su zaobići barem neke od prepreka.
Šta je problem?
U natrijumu. Svaki nuklearni reaktor mora imati nekoliko komponenti i elemenata: gorive sklopove s nuklearnim gorivom, elemente za kontrolu nuklearne reakcije i rashladno sredstvo koje apsorbira toplinu stvorenu u uređaju. Dizajn ovih komponenti, sastav goriva i rashladnog sredstva mogu se razlikovati, ali bez njih reaktor je po definiciji nemoguć.
U reaktoru na brze neutrone potrebno je kao rashladno sredstvo koristiti materijal koji ne zadržava neutrone, inače će se oni iz brzih pretvoriti u spore, termičke. Zorom Nuklearna energija dizajneri su pokušali da koriste živu, ali ona je rastvorila cevi unutar reaktora i počela da curi van. Zagrijani otrovni metal, koji je također postao radioaktivan pod utjecajem radijacije, izazvao je toliko problema da je projekat reaktora sa živom brzo napušten.
Komadići natrijuma obično se čuvaju ispod sloja kerozina. Iako je ova tečnost zapaljiva, ne reaguje sa natrijumom i ne ispušta vodenu paru iz vazduha u njega. Foto: Superplus / Wikipedia
BN-600 koristi tečni natrijum. Na prvi pogled, natrijum je malo bolji od žive: izuzetno je hemijski aktivan, burno reaguje sa vodom (drugim rečima, eksplodira ako se baci u vodu) i reaguje čak i sa supstancama sadržanim u betonu. Međutim, ne ometa neutrone, a uz odgovarajući nivo građevinskih radova i naknadnog održavanja, rizik od curenja nije toliko velik. Osim toga, natrijum se, za razliku od vodene pare, može pumpati pod normalnim pritiskom. Mlaz pare iz puknutog parovoda pod pritiskom stotina atmosfera reže metal, pa je u tom smislu natrijum sigurniji. Što se tiče hemijske aktivnosti, ona se takođe može koristiti za dobro. U slučaju nesreće, natrijum reaguje ne samo sa betonom, već i sa radioaktivnog joda. Natrijum jodid više ne izlazi iz zgrade nuklearne elektrane, dok je gasoviti jod činio skoro polovinu emisija tokom nesreće u nuklearnoj elektrani u Fukušimi.
Sovjetski inženjeri koji su razvili reaktore na brzim neutronima prvo su izgradili eksperimentalni BR-2 (isti neuspješan, živa), a zatim eksperimentalni BR-5 i BOR-60 s natrijem umjesto žive. Podaci dobiveni od njih omogućili su projektiranje prvog industrijskog „brzog“ reaktora BN-350, koji je korišten u jedinstvenom nuklearnom kemijskom i energetskom postrojenju - nuklearnoj elektrani u kombinaciji s postrojenjem za desalinizaciju morske vode. U elektrani Beloyarsk izgrađen je drugi reaktor tipa BN - "brzi, natrijum".
Uprkos iskustvu akumuliranom do trenutka kada je BN-600 lansiran, prve godine su bile poremećene nizom curenja tečnog natrijuma. Nijedan od ovih incidenata nije predstavljao opasnost od zračenja za stanovništvo niti je doveo do ozbiljnog izlaganja osoblja postrojenja, a od ranih 1990-ih, curenje natrijuma je potpuno prestalo. Da se ovo stavi u globalni kontekst, japanski Monju je pretrpio ozbiljno curenje tečnog natrijuma 1995. godine, što je dovelo do požara i gašenja fabrike na 15 godina. Samo su sovjetski dizajneri uspjeli pretočiti ideju reaktora na brze neutrone u industrijski, a ne u eksperimentalni uređaj, čije je iskustvo omogućilo ruskim nuklearnim naučnicima da razviju i izgrade reaktor sljedeće generacije - BN-800.
BN-800 je već izgrađen. Reaktor je 27. juna 2014. godine počeo sa radom na minimalnoj snazi, a puštanje u pogon očekuje se 2015. godine. Budući da je pokretanje nuklearnog reaktora vrlo složen proces, stručnjaci odvajaju fizičko pokretanje (početak samoodržive lančane reakcije) i energetsko pokretanje, tokom kojeg energetska jedinica počinje isporučivati prve megavate električne energije mreža.
Belojarsk NPP, kontrolna tabla. Fotografija sa službene web stranice: http://www.belnpp.rosenergoatom.ru
U BN-800, dizajneri su implementirali niz važnih poboljšanja, uključujući, na primjer, hitni sistem hlađenja zraka za reaktor. Programeri kažu da je njegova prednost nezavisnost od izvora energije. Ako, kao u Fukušimi, nestane struje u nuklearnoj elektrani, tada protok rashladnog reaktora i dalje neće nestati - cirkulacija će se održati prirodno, zbog konvekcije, diže se zagrijani zrak. A ako se jezgro naglo otopi, radioaktivna talina neće izaći van, već u posebnu zamku. Konačno, zaštita od pregrijavanja je velika zaliha natrijuma, koji u slučaju nesreće može apsorbirati proizvedenu toplinu čak i ako svi rashladni sistemi potpuno pokvare.
Nakon BN-800, planirana je izgradnja reaktora BN-1200 još veće snage. Programeri očekuju da će njihova ideja postati serijski reaktor i da će se koristiti ne samo u Belojarskoj elektrani, već i na drugim stanicama. Međutim, to su za sada samo planovi, za veliki prelazak na reaktore na brzim neutronima potrebno je još riješiti niz problema.
Belojarsk NEK, gradilište novog bloka. Fotografija sa službene web stranice: http://www.belnpp.rosenergoatom.ru
Šta je problem?
U ekonomiji i ekologiji goriva. Reaktori na brzim neutronima rade na mješavini obogaćenog uran oksida i plutonijum oksida - to je takozvano mox gorivo. Teoretski, može biti jeftinije od konvencionalnog goriva zbog činjenice da koristi plutonijum ili uranijum-233 iz jeftinog uranijuma-238 ili torijuma ozračenog u drugim reaktorima, ali do sada je mox gorivo inferiornije po cijeni od konvencionalnog goriva. Ispostavilo se da je to svojevrsni začarani krug koji nije tako lako prekinuti: potrebno je fino podesiti tehnologiju izgradnje reaktora, ekstrakciju plutonija i uranijuma iz materijala ozračenog u reaktoru, te osigurati kontrolu nad radom reaktora. neproliferacija materijala visokog nivoa. Neki ekolozi, na primjer predstavnici neprofitnog centra Bellona, ukazuju na veliku količinu otpada koji nastaje pri preradi ozračenog materijala, jer se uz vrijedne izotope u reaktoru na brzim neutronima stvara značajna količina radionuklida koji treba negdje zakopati.
Drugim riječima, čak i uspješan rad reaktora na brzim neutronima sam po sebi ne garantuje revoluciju u nuklearnoj energiji. To je neophodan, ali ne i dovoljan uslov za prelazak sa ograničenih rezervi uranijuma-235 na mnogo dostupnije uranijuma-238 i torijuma-232. Hoće li se tehnolozi uključeni u procese prerade nuklearnog goriva i zbrinjavanja nuklearnog otpada snaći u svojim zadacima, tema je za posebnu priču.
Nuklearna energija je oduvijek dobijala sve veću pažnju zbog svog obećanja. U svijetu se oko dvadeset posto električne energije dobiva pomoću nuklearnih reaktora, a u razvijenim zemljama taj broj za proizvod nuklearne energije je još veći - više od trećine ukupne električne energije. Međutim, glavni tip reaktora ostaju termički, kao što su LWR i VVER. Naučnici smatraju da će jedan od glavnih problema ovih reaktora u bliskoj budućnosti biti nedostatak prirodnog goriva, uranijuma i njegovog izotopa 238, neophodnog za izvođenje lančane reakcije fisije. Na osnovu mogućeg iscrpljivanja resursa ovog prirodnog gorivnog materijala za termalne reaktore, postavljaju se ograničenja u razvoju nuklearne energije. Više obećavajućom se smatra upotreba nuklearnih reaktora koji koriste brze neutrone, u kojima je moguća reprodukcija goriva.
Istorija razvoja
Na osnovu programa Ministarstva atomske industrije Ruske Federacije s početka stoljeća postavljeni su zadaci stvaranja i osiguranja sigurnog rada nuklearnih energetskih kompleksa, moderniziranih nuklearnih elektrana novog tipa. Jedan od tih objekata bila je i nuklearna elektrana Belojarska, koja se nalazi 50 kilometara u blizini Sverdlovska (Jekaterinburg), odluka o njenom stvaranju doneta je 1957. godine, a 1964. godine puštena je u rad prva jedinica.
Dva njegova bloka radila su sa termalnim nuklearnim reaktorima, koji su do 80-90-ih godina prošlog stoljeća iscrpili svoje resurse. U trećem bloku je prvi put u svijetu testiran reaktor na brzim neutronima BN-600. Tokom njegovog rada dobijeni su rezultati koje su programeri planirali. Sigurnost procesa je također bila odlična. Tokom projektnog perioda, koji je završen 2010. godine, nije bilo ozbiljnijih prekršaja ili odstupanja. Njegov konačni mandat ističe do 2025. godine. Već sada se može reći da nuklearni reaktori na brzim neutronima, među kojima je i BN-600 i njegov nasljednik, BN-800, imaju veliku budućnost.
Lansiranje novog BN-800
Naučnici OKBM-a Afrikantov iz Gorkog (današnji Nižnji Novgorod) je daleke 1983. godine pripremio projekat za četvrti blok elektrane Belojarsk. Zbog nesreće koja se dogodila u Černobilju 1987. godine i uvođenja novih sigurnosnih standarda 1993. godine, radovi su obustavljeni, a lansiranje je odloženo na neodređeno vrijeme. Tek 1997. godine, nakon dobijanja dozvole za izgradnju bloka br. 4 sa reaktorom BN-800 snage 880 MW od Gosatomnadzora, proces je nastavljen.
Dana 25. decembra 2013. godine počelo je zagrijavanje reaktora za daljnji ulazak rashladne tekućine. U junu četrnaestog, prema planu, došlo je do mase dovoljne da izvede minimalnu lančanu reakciju. Onda su stvari zastale. MOX gorivo, sastavljeno od fisionih oksida uranijuma i plutonijuma, slično onom korištenom u bloku 3, nije bilo spremno. To je ono što su programeri htjeli koristiti u novom reaktoru. Morao sam kombinovati i tražiti nove opcije. Kao rezultat toga, kako ne bi odgodili pokretanje pogonskog agregata, odlučili su koristiti uranijsko gorivo u dijelu sklopa. Lansiranje nuklearnog reaktora BN-800 i bloka broj 4 obavljeno je 10. decembra 2015. godine.
Opis procesa
Prilikom rada u reaktoru s brzim neutronima, kao rezultat reakcije fisije nastaju sekundarni elementi koji, kada ih apsorbira masa urana, formiraju novonastali nuklearni materijal plutonij-239, sposoban da nastavi proces dalje fisije. Glavna prednost ove reakcije je proizvodnja neutrona iz plutonija, koji se koristi kao gorivo za nuklearne reaktore u nuklearnim elektranama. Njegovo prisustvo omogućava smanjenje proizvodnje uranijuma, čije su rezerve ograničene. Od kilograma uranijuma-235 možete dobiti nešto više od kilograma plutonijuma-239, čime se osigurava reprodukcija goriva.
Kao rezultat toga, proizvodnja energije u nuklearnim elektranama uz minimalnu potrošnju oskudnog uranijuma i bez ograničenja proizvodnje povećat će se stotinama puta. Procjenjuje se da će u ovom slučaju rezerve uranijuma potrajati čovječanstvu nekoliko desetina vijekova. Optimalna opcija u nuklearnoj energiji za održavanje ravnoteže u smislu minimalne potrošnje uranijuma bit će omjer 4 prema 1, pri čemu će se na svaka četiri termalna reaktora koristiti jedan koji radi na brzim neutronima.
BN-800 mete
Tokom svog radnog veka u bloku br. 4 NE Belojarsk, nuklearnom reaktoru su dodeljeni određeni zadaci. BN-800 reaktor mora raditi na MOX gorivu. Mali zastoj koji se dogodio na početku rada nije promijenio planove kreatora. Prema rečima direktora NEB Belojarsk, gospodina Sidorova, potpuni prelazak na MOX gorivo biće izvršen 2019. godine. Ako se to ostvari, lokalni nuklearni reaktor na brzim neutronima postat će prvi u svijetu koji će u potpunosti raditi s takvim gorivom. Trebao bi postati prototip za buduće slične brze reaktore s tekućim metalnim rashladnim sredstvom, produktivnije i sigurnije. Na osnovu toga, BN-800 testira inovativnu opremu u radnim uslovima, provjerava ispravnu primjenu novih tehnologija koje utiču na pouzdanost i efikasnost pogonskog agregata.
class="eliadunit">
Provjera rada novi sistem ciklus goriva.
Testovi za sagorijevanje radioaktivnog otpada sa dugim vijekom trajanja.
Odlaganje plutonijuma za oružje nagomilanog u velikim količinama.
BN-800, baš kao i njegov prethodnik, BN-600, trebao bi postati polazna tačka za ruske programere za akumuliranje neprocjenjivog iskustva u stvaranju i radu brzih reaktora.
Prednosti reaktora na brzim neutronima
Upotreba BN-800 i sličnih nuklearnih reaktora u nuklearnoj energiji dozvoljava
Značajno produžava životni vijek rezervi uranijuma, što značajno povećava količinu primljene energije.
Sposobnost da se životni vijek radioaktivnih fisionih produkata smanji na minimum (od nekoliko hiljada godina do tri stotine).
Povećati sigurnost nuklearnih elektrana. Upotreba reaktora na brzim neutronima omogućava da se mogućnost topljenja jezgra izjednači na minimalni nivo, može značajno povećati nivo samozaštite objekta i eliminisati oslobađanje plutonijuma tokom obrade. Reaktori ovog tipa sa natrijumovim rashladnim sredstvom imaju povećan nivo sigurnost.
17. avgusta 2016. godine blok 4 NE Belojarsk je dostigao 100% pogon. Od decembra prošle godine integrisani sistem Ural dobija energiju proizvedenu u brzom reaktoru.
class="eliadunit">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 kako 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, a počela je izgradnja glavne zgrade.
Godine 1959. 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 dodatno poboljšanje u dizajnu reaktora Prve nuklearne elektrane na svijetu 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 jednom bloku 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 zida i dna 100-150 mm ili više. Mogućnost izgradnje nuklearnih elektrana s reaktorima otvorenog kanala pokazala se vrlo primamljivom, jer je oslobodila pogone teškog inženjeringa potrebe za proizvodnjom čeličnih proizvoda težine 200-500 tona. Ali pokazalo se 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. Baš kao u prvom pogonskom agregatu, glavna karakteristika Reaktor AMB-200 proizvodi paru visokih parametara 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.
Najveći i najočitiji 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. Naučno vođenje Stvaranje BN-600 izvršio je Institut za fiziku i energetiku, projektiranje reaktorskog postrojenja je izveo Projektantski biro za eksperimentalno mašinstvo, a generalni projekat jedinice izveo je Lenjingradski ogranak Atomelectroproekt. 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 bila je 3900 tona, a ukupna količina natrijuma u instalaciji premašila je 1900 tona. Biološka zaštita izrađena je od čeličnih cilindričnih sita, 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 je odigrao veliku ulogu u razvoju tehnologije instalacije reaktora, koji je bio pozvan da radi iz Nižnji Novgorod, gdje je prethodno radio u projektantskom birou. 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 se čistoća kruga održava čak i više nego što je potrebno, budući da se tačka stinjavanja natrijuma, koja u tečnom metalu zavisi od prisustva stranih kontaminanata i oksida, pokazala nižom 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 hemijski 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 slučaj 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 izbora uran-grafitnih reaktora s nuklearnim pregrijavanjem pare za dalji razvoj Nuklearna energija. 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 nuklearku 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.
Osiguranje kvaliteta rada u ovoj fazi je povjereno najbolji specijalisti kako od izvođača radova na izgradnji i montaži tako i od 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. Pošto je tačka ključanja natrijuma za skoro 300 o C viša od Radna temperatura, reaktor BN-600 radi gotovo bez pritiska u reaktorskoj posudi, koja može biti izrađena od visoko plastičnog 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 27. juna 2014. na minimalnu kontrolisanu snagu. 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.
Kada nam kažu, na primjer, da je „izgrađena elektrana na solarne panele snage 1200 MW“, to uopće ne znači da će ova solarna elektrana davati istu količinu električne energije kao VVER-1200. nuklearni reaktor obezbeđuje. Solarni paneli ne mogu raditi noću - stoga, ako se u prosjeku izračunaju po godišnjim dobima, ne rade pola dana, a to već upola smanjuje faktor kapaciteta. Solarni paneli, čak i najnovije varijante, rade mnogo lošije po oblačnom vremenu, a prosječne vrijednosti ovdje također nisu ohrabrujuće - oblaci s kišom i snijegom, magle smanjuju faktor kapaciteta za još jednu polovicu. “SPP kapaciteta 1200 MW” zvuči zvono, ali moramo imati na umu cifru od 25% - ovaj kapacitet može tehnološki iskoristiti samo ¼.
Solarni paneli, za razliku od nuklearnih elektrana, rade ne 60-80 godina, već 3-4 godine, gubeći mogućnost konverzije sunčeva svetlost u električnu struju. Može se, naravno, govoriti o nekoj vrsti „jeftinije generacije“, ali to je čista obmana. Solarne elektrane zahtijevaju velike površine, do sada se nitko nije nigdje bavio problemima odlaganja iskorištenih solarnih panela. Recikliranje će zahtijevati razvoj prilično ozbiljnih tehnologija, koje vjerojatno neće zadovoljiti okoliš. Ako govorimo o elektranama koje koriste vjetar, tada će se riječi morati koristiti gotovo iste, jer je u ovom slučaju faktor kapaciteta oko četvrtine instaliranog kapaciteta. Nekada umjesto vjetra vlada zatišje, nekad vjetar toliko jak da tjera „mlinove“ da zaustave, jer ugrožava integritet njihove strukture.
Vremenske hirovite obnovljivih izvora energije
Od druge „Ahilove pete“ obnovljivih izvora energije nema bežanja. Elektrane na njihovoj osnovi ne rade kada je električna energija koju proizvode potrebna potrošačima, već kada je vani sunčano vrijeme ili vjetar odgovarajuće jačine. Da, takve elektrane mogu proizvoditi električnu energiju, ali što ako mreže za prijenos električne energije nisu u mogućnosti da je prime? Noću je duvao vjetar, možete uključiti vjetroelektrane, ali noću ti i ja spavamo, a preduzeća ne rade. Da, takve tradicionalne elektrane zasnovane na obnovljivim izvorima, kao što su hidroelektrane, mogu se nositi s ovim problemom povećanjem praznog ispuštanja vode („pored turbine“) ili jednostavno akumuliranjem zaliha vode u svojim rezervoarima, ali u slučaju poplava im nije tako lako. A za solarne i vjetroelektrane, tehnologije skladištenja energije nisu toliko razvijene da „skladište“ proizvedenu električnu energiju za trenutak kada se potrošnja u mreži poveća.
Postoji i druga strana medalje. Hoće li investitor ulagati u izgradnju, recimo, gasne elektrane u regiji u kojoj su solarni paneli instalirani u velikim količinama? Kako možete nadoknaditi uloženi novac ako “vaša” elektrana ne radi pola vremena? Rok otplate, bankarska kamata... „Oh, zašto mi ovo treba? glavobolja!» - izjavljuje oprezni kapitalista i ne gradi ništa. I evo imamo vremensku anomaliju, padala je kiša nedelju dana uz potpunu tišinu. A povici ogorčenih potrošača koji su prisiljeni da pokreću dizel generatore na svojim travnjacima nestaju u tutnjavi. Ne možete natjerati investitore da grade termoelektrane, bez beneficija i subvencija od strane države neće riskirati. A to, u svakom slučaju, postaje dodatno opterećenje za državne budžete, kao i u slučaju da država, nakon što nije pronašla susretljive investitore, sama gradi termoelektrane.
Čuli smo mnogo o tome koliko se solarnih panela koristi u Njemačkoj, zar ne? Ali u isto vrijeme, broj elektrana koje rade na lokalni mrki ugalj u zemlji raste, nemilosrdno emitujući u atmosferu ono isto “e-dva” protiv kojih se mora boriti kako bi se ispunili uslovi Pariskog sporazuma iz 2015. godine. “Smeđe elektrane” su prinuđene da grade saveznu vladu Njemačke, organe upravljanja saveznih država – nemaju drugog izbora, inače će ti isti ljubitelji “zelene energije” izaći na ulice da protestuju zbog činjenice da nema struje u njihovim utičnicama, za koje uveče morate sjediti kraj baklje.
Preterujemo, naravno, ali samo da bi apsurdnost situacije bila očiglednija. Ako proizvodnja električne energije doslovno ovisi o vremenskim prilikama, onda se ispostavlja da je tehnički nemoguće zadovoljiti osnovne potrebe za električnom energijom korištenjem sunca i vjetra. Da, teoretski, moguće je povezati cijelu Evropu sa Afrikom dodatnim dalekovodima (elektrovodima) tako da struja iz sunčane Sahare dolazi do kuća koje stoje na tmurnoj obali Sjevernog mora, ali to košta apsolutno nevjerovatne pare , čiji je period otplate blizu beskonačnosti. Da li pored svake solarne elektrane treba biti po jedna na ugalj ili plin? Ponovimo, ali sagorijevanje energetskih resursa ugljovodonika u elektranama ne omogućava da se u potpunosti implementiraju odredbe Pariškog sporazuma o smanjenju emisije CO 2 .
Nuklearna elektrana kao osnova "zelene energije"
Slijepa ulica? Za one zemlje koje su odlučile da se oslobode nuklearne energije, to je to. Naravno, oni traže izlaz iz toga. Oni unapređuju sisteme sagorevanja uglja i gasa, napuštaju elektrane na mazut, ulažu napore da povećaju efikasnost peći, parogeneratora i kotlova i povećavaju napore za korišćenje tehnologija za uštedu energije. Ovo je dobro, ovo je korisno, ovo se mora uraditi. Ali Rusija i njena Rosatom Predlažu mnogo radikalniju opciju - izgradnju nuklearne elektrane.
Izgradnja nuklearne elektrane, Foto: rusatom-overseas.com
Čini li vam se ova metoda paradoksalna? Pogledajmo to sa logičke tačke gledišta. Prvo, nema emisije CO 2 iz nuklearnih reaktora kao takvih – nema hemijske reakcije, plamen u njima divlje ne buči. Shodno tome, ispunjenje uslova Pariskog sporazuma „dogodilo se“. Druga tačka je obim proizvodnje električne energije u nuklearnim elektranama. U većini slučajeva lokacije nuklearnih elektrana imaju najmanje dva, pa čak i sva četiri reaktora, njihov ukupni instalirani kapacitet je ogroman, a faktor kapaciteta konstantno prelazi 80%. Ovaj „proboj“ električne energije dovoljan je da zadovolji potrebe ne samo jednog grada, već čitavog regiona. Ali nuklearni reaktori "ne vole" kada im se promijeni snaga. Žao nam je, sada će biti nekoliko tehničkih detalja da bi bilo jasnije na šta mislimo.
Sistemi upravljanja i zaštite nuklearnih reaktora
Princip rada energetskog reaktora shematski nije tako kompliciran. Energija atomskih jezgri pretvara se u toplotnu energiju rashladnog sredstva, toplotna energija se pretvara u mehaničku energiju rotora električnog generatora, koja se zauzvrat pretvara u električnu energiju.
Atomsko – termalno – mehaničko – električno, ovo je vrsta energetskog ciklusa.
U konačnici, električna snaga reaktora ovisi o snazi kontrolirane, kontrolirane atomske lančane reakcije fisije nuklearnog goriva. Ističemo – kontrolisan i upravljiv. Nažalost, od 1986. dobro znamo šta se dešava ako lančana reakcija izmakne kontroli i upravljanju.
Kako se prati i kontroliše tok lančane reakcije, šta treba učiniti da se reakcija ne proširi odmah na čitavu zapreminu uranijuma koji se nalazi u „nuklearnom kotlu“? Prisjetimo se školskih istina bez upuštanja u naučne detalje nuklearne fizike - ovo će biti sasvim dovoljno.
Šta je lančana reakcija „na prste“, ako je neko zaboravio: stigao jedan neutron, izbio dva neutrona, dva neutrona su izbacila četiri i tako dalje. Ako broj ovih vrlo slobodnih neutrona postane prevelik, reakcija fisije će se proširiti po cijeloj zapremini uranijuma, prijeteći da se razvije u "veliki prasak". Da naravno, nuklearna eksplozija neće se održati, zahtijeva da sadržaj izotopa uranijuma-235 u gorivu prelazi 60%, au energetskim reaktorima obogaćivanje goriva ne prelazi 5%. Ali čak i bez atomska eksplozija problemi će vam biti preko glave. Rashladna tečnost će se pregrijati, njen pritisak u cjevovodima će se superkritično povećati, nakon njihovog pucanja može doći do oštećenja integriteta gorivnih sklopova i sve radioaktivne tvari će pobjeći van reaktora, suludo zagađujući okolna područja i izbiti u atmosferu. Međutim, detalji katastrofe nuklearne elektrane u Černobilu su svima poznati, nećemo ih ponavljati.
Nesreća u nuklearnoj elektrani Černobil, Foto: meduza.io
Jedna od glavnih komponenti svakog nuklearnog reaktora je sistem upravljanja i zaštite. Slobodni neutroni ne bi trebali biti više od rigidno izračunate vrijednosti, ali ne bi trebali biti manji od ove vrijednosti - to će dovesti do slabljenja lančane reakcije, nuklearna elektrana će jednostavno "stati". Unutar reaktora mora postojati supstanca koja apsorbuje višak neutrona, ali u količini koja omogućava da se lančana reakcija nastavi. Nuklearni fizičari su odavno shvatili koja supstanca to radi najbolje - izotop bora-10, pa se sistem kontrole i zaštite naziva i jednostavno "bor".
Šipke s borom uključene su u dizajn reaktora sa grafitnim i vodenim moderatorom, za koje postoje isti tehnološki kanali kao i za gorivne šipke i gorive elemente. Brojači neutrona u reaktoru rade kontinuirano, automatski dajući komande sistemu koji kontroliše šipke od bora, koji ih pomera, uranja ili uklanja iz reaktora. Na početku sesije goriva, u reaktoru ima puno uranijuma - šipke bora su uronjene dublje. Vrijeme prolazi, uranijum izgara, a borovi štapići počinju da se postepeno uklanjaju - broj slobodnih neutrona mora ostati konstantan. Da, napominjemo da iznad reaktora "vise" i "hitne" borove šipke. U slučaju kršenja koja bi potencijalno mogla dovesti lančanu reakciju van kontrole, oni se momentalno uranjaju u reaktor, ubijajući lančanu reakciju u začetku. Pukao je cjevovod, došlo je do curenja rashladne tekućine - ovo je opasnost od pregrijavanja, hitne borove šipke se odmah aktiviraju. Zaustavimo reakciju i polako shvatimo šta se tačno dogodilo i kako riješiti problem, a rizik treba svesti na nulu.
Postoje različiti neutroni, ali imamo isti bor
Jednostavna logika, kao što vidite, pokazuje da je povećanje i smanjenje energetske snage nuklearnog reaktora – „manevar snage“, kako kažu energetičari – veoma težak posao, koji se zasniva na nuklearnoj fizici i kvantnoj mehanici. Malo više "duboko u proces", ne predaleko, ne bojte se. U bilo kojoj reakciji fisije uranovog goriva nastaju sekundarni slobodni neutroni - isti oni koji su u školskoj formuli "izbacili dva neutrona". U energetskom reaktoru dva sekundarna neutrona su previše; za upravljivost i upravljivost reakcije potreban je koeficijent od 1,02. Stiglo je 100 neutrona, 200 neutrona je nokautirano, a od ovih 200 sekundarnih neutrona, 98 bi trebalo da „pojede“, apsorbuje taj isti bor-10. Bor potiskuje prekomjernu aktivnost, to vam sigurno kažemo.
Ali zapamtite šta se dešava ako detetu nahranite kantu sladoleda - ono će sa zadovoljstvom pojesti prvih 5-6 porcija, a zatim otići jer "ne može više da stane". Ljudi su napravljeni od atoma i stoga se karakter atoma ne razlikuje od našeg. Bor-10 može da jede neutrone, ali ne beskonačan broj, isti „ne može više da stane“ sigurno će doći. Bradati u bijelim mantilima u nuklearnoj elektrani sumnjaju da mnogi shvaćaju da nuklearni naučnici u duši ostaju radoznala djeca, pa se trude da koriste što "zreliji" vokabular. Bor u njihovom vokabularu nije „jedu neutroni“, već „sagoreva“ - ovo zvuči mnogo respektabilnije, složićete se. Na ovaj ili onaj način, svaki zahtjev iz elektroenergetske mreže da se „ugasi reaktor“ dovodi do intenzivnijeg izgaranja sistema za zaštitu i kontrolu bora i uzrokuje dodatne poteškoće.
Model reaktora na brzim neutronima, Foto: topwar.ru
S koeficijentom od 1,02 također nije sve tako jednostavno, jer osim brzih sekundarnih neutrona koji se pojavljuju odmah nakon reakcije fisije, postoje i oni odgođeni. Nakon fisije, atom uranijuma se raspada, a iz tih fragmenata izlete i neutroni, ali nakon nekoliko mikrosekundi. Malo ih je u odnosu na instant, svega oko 1%, ali sa koeficijentom od 1,02 su veoma bitni, jer je 1,02 povećanje od samo 2%. Stoga se izračunavanje količine bora mora izvršiti sa vrhunskom preciznošću, neprestano balansirajući na tankoj liniji „reakcije koja izmiče kontroli – neplanirano gašenje reaktora“. Stoga, kao odgovor na svaki zahtjev, "uključite gas!" ili "Uspori, zašto si tako razbuktao!" počinje lančana reakcija dežurstva u nuklearnoj elektrani, kada svaki nuklearni radnik u njenom osoblju ponudi veći broj idiomatskih izraza...
I još jednom o nuklearnim elektranama kao osnovi "zelene energije"
Vratimo se sada na ono gdje smo stali - visoki kapacitet proizvodnje električne energije, na velikoj teritoriji koju opslužuju nuklearne elektrane. Što je teritorija veća, to je više mogućnosti za postavljanje OIE napajanih iz OIE. Što je više takvih ES, veća je vjerovatnoća da će se vršna potrošnja poklopiti s periodom njihove najveće generacije. Odavde će doći struja iz solarnih panela, odavde će doći energija vjetra, tu će plimni val uspješno udariti u stranu, a svi zajedno će izgladiti vršno opterećenje, omogućavajući nuklearnim radnicima na nuklearke mirno piti čaj, gledajući monotono, bez prekida, radeći brojači neutrona.
Obnovljiva energija, hsto.org
Što je situacija u nuklearki mirnija, građani mogu postati deblji, jer mogu bez problema i dalje grijati kobasice na roštilju. Kao što vidite, nema ničeg paradoksalnog u kombinaciji obnovljivih izvora energije i nuklearne proizvodnje kao baze, sve je upravo suprotno – takva kombinacija, ako se svijet ozbiljno odlučio boriti protiv emisije CO 2, je optimalan izlaz. situacije, a da ni na koji način ne precrtamo sve opcije modernizacije i poboljšanja termoelektrana o kojima smo govorili.
Nastavljajući “kengur stil”, predlažemo da “skočite” na prvu rečenicu ovog članka – o konačnosti bilo kojeg tradicionalnog izvora energije na planeti Zemlji. Zbog toga je glavni, strateški pravac razvoja energetike osvajanje termonuklearne reakcije, ali je njena tehnologija neverovatno složena i zahteva koordinisane, zajedničke napore naučnika i dizajnera iz svih zemalja, ozbiljna ulaganja i višegodišnji naporan rad. Koliko će to trajati sada se može pretpostaviti po talogu kafe ili ptičjoj utrobi, ali morate planirati, naravno, za najpesimističniji scenario. Moramo tražiti gorivo koje može obezbijediti istu osnovnu generaciju što je duže moguće. Čini se da ima dosta nafte i gasa, ali i populacija planete raste, a sve više kraljevskih država teži istom nivou potrošnje kao u zemljama „zlatne milijarde“. Prema geolozima, na Zemlji je ostalo 100-150 godina fosilnih ugljikovodičnih goriva, osim ako potrošnja ne raste brže nego sada. I čini se da će tako ispasti, budući da je stanovništvo zemlje u razvojužudi za povećanjem nivoa udobnosti...
Brzi reaktori
Izlaz iz ove situacije koji predlaže ruski nuklearni projekat je poznat, a to je zatvaranje ciklusa nuklearnog goriva kroz uključivanje u proces nuklearnih reaktora i reaktora na brzim neutronima. Reaktor za razmnožavanje je reaktor u kojem je, kao rezultat sesije goriva, izlaz nuklearnog goriva veći od onoga što je prvobitno napunjeno, reaktor za razmnožavanje. Oni koji još nisu potpuno zaboravili školski predmet fizike mogli bi postaviti pitanje: izvinite, ali šta je sa zakonom održanja mase? Odgovor je jednostavan - nikako, budući da su u nuklearnom reaktoru procesi nuklearni, a zakon održanja mase ne vrijedi u svom klasičnom obliku.
Prije više od stotinu godina, Albert Einstein je povezao masu i energiju u svojoj specijalnoj teoriji relativnosti, au nuklearnim reaktorima ova teorija je strogo praktična. Ukupna količina energije je očuvana, ali u ovom slučaju nema govora o očuvanju ukupne količine mase. Ogromna rezerva energije „spava“ u atomima nuklearnog goriva, koja se oslobađa kao rezultat reakcije fisije; dio te rezerve koristimo za vlastitu korist, a drugi dio čudesno pretvara atome urana-238 u mješavinu atoma izotopa plutonijuma. Reaktori na brzim neutronima, i samo oni, omogućavaju pretvaranje glavne komponente uranijumske rude - uranijuma-238 - u izvor goriva. Rezerve uranijuma-235, osiromašenog i neiskorišćenog u termonuklearnim reaktorima, akumulirane tokom rada nuklearnih elektrana na termičke neutrone iznose stotine hiljada tona, koje više nije potrebno vaditi iz rudnika, koji više ne trebaju da se "oljušti" od otpadnog kamena - u postrojenjima za obogaćivanje ima nevjerovatne količine uranijuma.
MOX gorivo na dohvat ruke
Teoretski je razumljivo, ali ne u potpunosti, pa hajde da probamo ponovo "na prstima". Sam naziv “MOX gorivo” je samo engleska skraćenica ispisana slovima slovenske abecede koja se piše kao MOX. Objašnjenje – Mixed-Oxide gorivo, slobodan prevod – „gorivo iz miješanih oksida“. U osnovi, ovaj izraz se odnosi na mješavinu plutonijum oksida i uranijum oksida, ali to je samo u osnovi. Pošto naši ugledni američki partneri nisu bili u stanju da ovladaju tehnologijom proizvodnje MOX goriva od plutonijuma za oružje, Rusija je takođe odustala od ove opcije. Ali postrojenje koje smo izgradili unaprijed je dizajnirano da bude univerzalno – sposobno je proizvoditi MOX gorivo iz istrošenog goriva iz termičkih reaktora. Ako je neko čitao članke Geoenergetics.ru s tim u vezi, on se prisjeća da su izotopi plutonijuma 239, 240 i 241 u istrošenom gorivu već "pomiješani" - ima ih po 1/3, pa se u MOX gorivu nastalom od istrošenog goriva nalazi mješavina plutonijuma, a vrsta mješavine unutar mješavine.
Drugi dio glavne mješavine je osiromašeni uranijum. Da preterujem: uzimamo mešavinu plutonijum oksida ekstrahovanog iz istrošenog nuklearnog goriva PUREX postupkom, dodajemo uranijum-238 bez vlasnika i dobijamo MOX gorivo. U ovom slučaju, uranijum-238 ne sudjeluje u lančanoj reakciji, već samo miješani izotopi plutonijuma "gore". Ali uran-238 nije samo "prisutan" - povremeno, nevoljko, s vremena na vrijeme uzima jedan neutron, pretvarajući se u plutonijum-239. Neki od ovog novog plutonijuma „sagore“ odmah, dok neki jednostavno nemaju vremena da to urade pre kraja sesije goriva. To je, zapravo, cela tajna.
Brojevi su proizvoljni, izvučeni iz ničega, samo radi jasnoće. Početni sastav MOX goriva je 100 kilograma plutonijum oksida i 900 kilograma uranijuma-238. Dok je plutonijum „goreo“, 300 kilograma uranijuma-238 pretvorilo se u dodatni plutonijum, od čega je 150 kilograma odmah „sagorelo“, a 150 kilograma nije stiglo. Izvukli su gorivni sklop i iz njega "istresli" plutonijum, ali se ispostavilo da je bio 50 kila više nego što je bio prvobitno. Pa, ili isto, ali sa drvima: bacio si 2 cjepanice u ložište, peć ti je grijala cijelu noć, a ujutro si izvukao... tri cjepanice. Od 900 kg beskorisnog uranijuma-238, koji ne učestvuje u lančanoj reakciji, kada se koristi kao dio MOX goriva, dobili smo 150 kilograma goriva koje je odmah “izgorilo” za našu korist, a 150 kilograma je ostavljeno za dalje koristiti. A ovog otpada je 300 kila manje, beskorisnog uranijuma-238, što takođe nije loše.
Stvarni omjeri osiromašenog uranijuma-238 i plutonijuma u MOX gorivu su, naravno, različiti, jer se sa 7% plutonijuma u MOX gorivu mješavina ponaša gotovo isto kao i konvencionalno uranijsko gorivo sa oko 5% obogaćenja uranijumom-235. Ali brojke koje smo smislili pokazuju glavni princip MOX gorivo - beskorisni uranijum-238 pretvara se u nuklearno gorivo, njegove ogromne rezerve postaju energetski resurs. Prema grubim procjenama, ako pretpostavimo da na Zemlji prestanemo koristiti ugljikovodična goriva za proizvodnju električne energije i pređemo samo na korištenje uranijuma-238, to će nam trajati 2.500 - 3.000 godina. Sasvim pristojno vrijeme za savladavanje tehnologije kontrolirane termonuklearne fuzije.
MOX gorivo nam omogućava da istovremeno riješimo još jedan problem – smanjenje rezervi istrošenog goriva akumuliranog u svim zemljama članicama „nuklearnog kluba“, te smanjenje količine radioaktivnog otpada akumuliranog u istrošenom gorivu. Ovdje nije riječ o nekim čudesnim svojstvima MOX goriva, sve je prozaičnije. Ako se istrošeno nuklearno gorivo ne iskoristi i pokušamo ga poslati na vječno geološko sahranjivanje, onda će i sav visokoradioaktivni otpad koji ono sadrži morati biti poslat na odlaganje zajedno s njim. Ali korištenje tehnologija za preradu istrošenog nuklearnog goriva kako bi se iz njega izvukao plutonij, htjeli-ne htjeli, prisiljava nas da smanjimo količinu ovog radioaktivnog otpada. U borbi za korištenje plutonijuma, jednostavno smo prisiljeni uništavati radioaktivni otpad, ali u isto vrijeme proces takvog uništavanja postaje mnogo jeftiniji - uostalom, plutonijum se koristi.
MOX gorivo je skupo zadovoljstvo koje treba učiniti jeftinim
Istovremeno, proizvodnja MOX goriva u Rusiji je počela sasvim nedavno, čak i sa najnovijim, tehnološki najnaprednijim reaktorom na brze neutrone - BN-800, prelazak na 100% korištenje MOX goriva se odvija online, a također još nije završen . Sasvim je prirodno da je trenutno proizvodnja MOX goriva skuplja od proizvodnje tradicionalnog uranijumskog goriva. Smanjenje troškova proizvodnje, kao iu svakoj drugoj industriji, moguće je, prije svega, kroz masovnu, „transportnu“ proizvodnju.
Shodno tome, da bi zatvaranje nuklearnog gorivnog ciklusa bilo izvodljivo sa ekonomske tačke gledišta, Rusiji je potreban veći broj reaktora na brzim neutronima, što bi trebalo da postane strateška linija razvoja nuklearne energije. Više reaktora – dobrih i drugačijih!
Istovremeno, potrebno je ne izgubiti iz vida drugu mogućnost korištenja MOX goriva - kao goriva za VVER reaktore. Reaktori na brzim neutronima stvaraju toliku dodatnu količinu plutonija koju sami ne mogu stvarno iskoristiti - jednostavno im ne treba toliko, plutonija ima dovoljno za VVER reaktore. Gore smo već pisali da se MOX gorivo, u kojem 93% osiromašenog uranijuma-238 čini 7% plutonijuma, ponaša skoro isto kao i konvencionalno uranijumsko gorivo. Ali upotreba MOX goriva u termalnim reaktorima dovodi do smanjenja efikasnosti apsorbera neutrona koji se koriste u VVER-ima. Razlog tome je što bor-10 mnogo lošije apsorbira brze neutrone - to su njegova fizička svojstva na koja ne možemo utjecati ni na koji način. Isti problem se javlja i kod hitnih borovih šipki, čija je svrha trenutno zaustavljanje lančane reakcije u slučaju vanrednih situacija.
Razumno rješenje je smanjenje količine MOX goriva u VVER-u na 30-50%, što se već implementira u nekim lakovodnim reaktorima u Francuskoj, Japanu i drugim zemljama. Ali čak iu ovom slučaju može biti potrebno modernizirati sistem bora i provesti sva potrebna sigurnosna opravdanja, saradnju sa nadzornim tijelima IAEA za dobivanje dozvola za korištenje MOX goriva u termalnim reaktorima. Ili, ukratko, morat će se povećati broj borovih šipki, kako onih koje su namijenjene kontroli, tako i onih koje se „skladište“ u slučaju nužde. Ali samo razvoj ovih tehnologija omogućit će prelazak na masovnu proizvodnju ove vrste goriva i smanjenje troškova njegove proizvodnje. Istovremeno, to će omogućiti aktivnije rješavanje problema smanjenja količine istrošenog nuklearnog goriva i aktivnije korištenje rezervi osiromašenog uranijuma.
Izgledi su bliski, ali put nije lak
Razvoj ove tehnologije u kombinaciji sa izgradnjom reaktora za razmnožavanje energetskih plutonijuma - reaktora na brzim neutronima - omogućiće Rusiji ne samo da zatvori ciklus nuklearnog goriva, već i da ga učini ekonomski atraktivnim. Takođe postoje veliki izgledi za korišćenje SNUP goriva (mešovito nitridno uranijum-plutonijumsko gorivo). Eksperimentalni gorivni sklopovi, ozračeni u reaktoru BN-600 2016. godine, već su dokazali svoju efikasnost kako tokom reaktorskih ispitivanja, tako i na osnovu rezultata postreaktorskih studija. Dobijeni rezultati omogućavaju nastavak rada na opravdavanju upotrebe SNUP goriva u stvaranju reaktorskog postrojenja BREST-300 i modula na licu mjesta za proizvodnju SNUP goriva u eksperimentalnom demonstracijskom kompleksu koji se gradi u Seversku. BREST-300 će nam omogućiti da nastavimo razvijati tehnologije potrebne za potpuno zatvaranje ciklusa nuklearnog goriva, pružiti potpunije rješenje problema istrošenog nuklearnog goriva i radioaktivnog otpada i implementirati ideologiju „vraćanja prirodi onoliko radioaktivnosti koliko je bilo izvučeno.” Reaktor BREST-300, kao i reaktori BN, je reaktor na brzim neutronima, što samo naglašava ispravnost strateškog pravca razvoja nuklearne energije - kombinacija reaktora sa vodom pod pritiskom i reaktora na brzim neutronima.
Ovladavanje tehnologijom 100% korištenja MOX goriva na BN-800 također pruža mogućnost stvaranja reaktora BN-1200 - ne samo snažnijih, već i ekonomski isplativijih. Odluka o stvaranju reaktora BN-1200 u Rusiji je donesena, što znači da će tempo istraživačkog rada nuklearnih stručnjaka morati samo da se povećava, a stvaranje MBIR-a, zakazano za 2020. godinu, može značajno pomoći u rješavanju svih problema. , u savladavanju tehnologije potpunog nuklearnog ciklusa zatvaranja goriva. Rusija je bila i ostala jedina zemlja koja je stvorila energetske reaktore na brzim neutronima, osiguravajući naše svjetsko vodstvo u ovoj najvažnijoj oblasti nuklearne energije.
Naravno, sve što je rečeno samo je prvo upoznavanje sa karakteristikama reaktora na brzim neutronima, ali pokušaćemo da nastavimo, pošto je ova tema važna i, kako nam se čini, prilično zanimljiva.
U kontaktu sa
40 km od Jekaterinburga, usred najlepših uralskih šuma, nalazi se grad Zarečni. 1964. godine ovdje je puštena u pogon prva sovjetska industrijska nuklearna elektrana Beloyarskaya (sa reaktorom AMB-100 kapaciteta 100 MW). Sada je elektrana Beloyarsk jedina u svijetu u kojoj radi industrijski reaktor na brze neutrone, BN-600.
Zamislite kotao koji isparava vodu, a nastala para vrti turbogenerator koji proizvodi električnu energiju. Ovako nešto unutra generalni nacrt i izgrađena je nuklearna elektrana. Samo "kotao" je energija atomskog raspada. Izvedbe energetskih reaktora mogu biti različite, ali se prema principu rada mogu podijeliti u dvije grupe - reaktori s termalnim neutronima i reaktori na brzim neutronima.
Osnova svakog reaktora je fisija teških jezgara pod utjecajem neutrona. Istina, postoje značajne razlike. U termičkim reaktorima, uran-235 se cijepa niskoenergetskim termalnim neutronima, stvarajući fisione fragmente i nove neutrone visoke energije (zvane brzi neutroni). Vjerojatnost da termički neutron bude apsorbiran od strane jezgra uranijuma-235 (sa naknadnom fisijom) je mnogo veća od brzog, tako da neutrone treba usporiti. To se radi uz pomoć moderatora - tvari koje, sudarajući se s jezgrima, neutroni gube energiju. Gorivo za termalne reaktore je obično nisko obogaćeni uranijum, grafit, laka ili teška voda se koristi kao moderator, a rashladno sredstvo je obična voda. Većina operativnih nuklearnih elektrana izgrađena je prema jednoj od ovih shema.
Brzi neutroni nastali kao rezultat prisilne nuklearne fisije mogu se koristiti bez ikakvih moderacija. Shema je sljedeća: brzi neutroni nastali tokom fisije jezgara uranijuma-235 ili plutonijum-239 apsorbuju se uranijum-238 da bi formirali (nakon dva beta raspada) plutonijum-239. Štaviše, na svakih 100 fisioniranih jezgara uranijuma-235 ili plutonijuma-239 formira se 120-140 jezgara plutonijum-239. Istina, budući da je vjerovatnoća nuklearne fisije brzim neutronima manja nego termičkim, gorivo mora biti obogaćeno u većoj mjeri nego kod termičkih reaktora. Osim toga, ovdje je nemoguće ukloniti toplinu pomoću vode (voda je moderator), pa se moraju koristiti druge rashladne tekućine: obično su to tečni metali i legure, iz vrlo egzotičnih opcija kao što je živa (takva rashladna tekućina je korištena u prvi američki eksperimentalni reaktor Clementine) ili legure olova i bizmuta (koje se koriste u nekim reaktorima za podmornice - posebno u sovjetskim podmornicama projekta 705) do tekućeg natrija (najčešća opcija u industrijskim energetskim reaktorima). Reaktori koji rade prema ovoj shemi nazivaju se reaktori na brzim neutronima. Ideju o takvom reaktoru predložio je 1942. Enrico Fermi. Naravno, vojska je pokazala najvatreniji interes za ovu šemu: brzi reaktori tokom rada ne proizvode samo energiju, već i plutonijum za nuklearno oružje. Zbog toga se reaktori na brzim neutronima nazivaju i breederi (od engleskog breeder - proizvođač).
Šta je u njemu
Aktivna zona reaktora na brzim neutronima strukturirana je kao luk, u slojevima. 370 gorivnih sklopova formiraju tri zone sa različitim obogaćenjem uranijuma-235 - 17, 21 i 26% (u početku su postojale samo dvije zone, ali da bi se ujednačilo oslobađanje energije, napravljene su tri). Okruženi su bočnim ekranima (ćebadima), odnosno zonama razmnožavanja, gde se nalaze sklopovi koji sadrže osiromašeni ili prirodni uranijum, koji se sastoji uglavnom od izotopa 238. Na krajevima gorivnih šipki iznad i ispod jezgra nalaze se i tablete osiromašenog uranijuma. uranijum, koji formiraju krajnja sita (reprodukcija zona). Reaktor BN-600 je multiplikator (reaktor), odnosno za 100 jezgri uranijuma-235 razdvojenih u jezgru, u bočnim i završnim ekranima se proizvodi 120-140 jezgri plutonijuma, što omogućava proširenu reprodukciju nuklearnog goriva . Gorivni sklopovi (FA) su skup gorivnih elemenata (gorivih šipki) sastavljenih u jedno kućište - specijalne čelične cijevi punjene peletima uran oksida s različitim obogaćenjima. Kako gorivne šipke ne bi došle u kontakt jedna s drugom i rashladna tekućina mogla cirkulirati između njih, tanka žica je namotana na cijevi. Natrijum ulazi u sklop goriva kroz donje rupe za prigušivanje i izlazi kroz prozore u gornjem delu. Na dnu sklopa goriva nalazi se drška koja je umetnuta u utičnicu komutatora, na vrhu je dio glave, kojim se sklop hvata pri preopterećenju. Gorivni sklopovi različitih obogaćenja imaju različite lokacije za montažu, tako da je jednostavno nemoguće montirati sklop na pogrešno mjesto. Za upravljanje reaktorom koristi se 19 kompenzacijskih šipki koje sadrže bor (apsorber neutrona) za kompenzaciju izgaranja goriva, 2 automatske kontrolne šipke (za održavanje zadate snage) i 6 aktivnih zaštitnih šipki. Budući da je vlastita neutronska pozadina uranijuma niska, za kontrolirano pokretanje reaktora (i kontrolu na niskim razinama snage) koristi se "osvjetljenje" - izvor fotoneutrona (gama emiter plus berilij).
Cik-cak istorije
Zanimljivo je da je istorija svjetske nuklearne energije započela upravo reaktorom na brzim neutronima. 20. decembra 1951. godine u Idahu je pušten u rad prvi energetski reaktor na brzim neutronima, EBR-I (Experimental Breeder Reactor), sa električnom snagom od samo 0,2 MW. Kasnije, 1963. godine, u blizini Detroita je puštena nuklearna elektrana sa Fermi reaktorom na brze neutrone - već kapaciteta oko 100 MW (1966. došlo je do ozbiljne nesreće sa topljenjem dijela jezgre, ali bez ikakvih posljedica po okruženje ili ljudi).
U SSSR-u, od kasnih 1940-ih, na ovoj temi radi Aleksandar Lejpunski, pod čijim rukovodstvom su razvijeni temelji teorije brzih reaktora na Institutu za fiziku i energiju u Obninsku (FEI) i izgrađeno nekoliko eksperimentalnih štandova, koji omogućilo je proučavanje fizike procesa. Kao rezultat istraživanja, 1972. godine u gradu Ševčenku (danas Aktau, Kazahstan) puštena je u rad prva sovjetska nuklearna elektrana na brze neutrone sa reaktorom BN-350 (prvobitno označen kao BN-250). Ne samo da je proizvodio električnu energiju, već je koristio i toplinu za desalinizaciju vode. Ubrzo su puštene u rad francuska nuklearna elektrana s brzim reaktorom Phenix (1973) i britanska sa PFR (1974), obje snage 250 MW.
Međutim, 1970-ih, reaktori na termalnim neutronima počeli su dominirati u nuklearnoj energetici. To je bilo zbog različitih razloga. Na primjer, činjenica da brzi reaktori mogu proizvesti plutonij, što znači da to može dovesti do kršenja zakona o neširenju nuklearnog oružja. Međutim, najvjerovatnije je glavni faktor bio to što su termalni reaktori bili jednostavniji i jeftiniji, njihov dizajn je razvijen na vojnim reaktorima za podmornice, a sam uranij je bio vrlo jeftin. Industrijski energetski reaktori na brzim neutronima koji su pušteni u rad širom svijeta nakon 1980. godine mogu se nabrojati na prste jedne ruke: to su Superphenix (Francuska, 1985-1997), Monju (Japan, 1994-1995) i BN-600 (Belojarsk). NPP, 1980), koji je trenutno jedini aktivni industrijski energetski reaktor u svijetu.
Vraćaju se
Međutim, trenutno je pažnja stručnjaka i javnosti ponovo usmjerena na nuklearne elektrane s reaktorima na brzim neutronima. Prema procjenama Međunarodne agencije za atomsku energiju (IAEA) iz 2005. godine, ukupne dokazane rezerve uranijuma, čija cijena vađenja ne prelazi 130 dolara po kilogramu, iznose oko 4,7 miliona tona. Prema procjenama IAEA, ove rezerve će trajati 85 godina (na osnovu potražnje za uranijumom za proizvodnju električne energije na nivou iz 2004. godine). Sadržaj izotopa 235, koji se „spaljuje“ u termalnim reaktorima, u prirodnom uranijumu je samo 0,72%, ostalo je uranijum-238, „beskoristan“ za termalne reaktore. Međutim, ako pređemo na upotrebu reaktora na brzim neutronima koji mogu „spaliti“ uranijum-238, te iste rezerve će trajati više od 2500 godina!
Radnja za montažu reaktora, gde se pojedinačni delovi reaktora sastavljaju od pojedinačnih delova SKD metodom
Štaviše, reaktori na brzim neutronima omogućavaju implementaciju zatvorenog gorivnog ciklusa (trenutno nije implementiran u BN-600). Budući da se samo uranijum-238 „spaljuje“, nakon obrade (uklanjanja fisionih produkata i dodavanja novih porcija uranijuma-238), gorivo se može ponovo utovariti u reaktor. A budući da ciklus uranijum-plutonijum proizvodi više plutonijuma nego što se raspada, višak goriva se može koristiti za nove reaktore.
Štaviše, ova metoda se može koristiti za preradu viška plutonija za oružje, kao i plutonijuma i minornih aktinida (neptunijum, americij, kurijum) ekstrahiranih iz istrošenog goriva iz konvencionalnih termičkih reaktora (mali aktinidi trenutno predstavljaju vrlo opasan dio radioaktivnog otpada) . Istovremeno, količina radioaktivnog otpada u odnosu na termalne reaktore smanjena je za više od dvadeset puta.
Ponovo pokrenite naslijepo
Za razliku od termičkih reaktora, u reaktoru BN-600 sklopovi su smješteni ispod sloja tekućeg natrijuma, pa se uklanjanje istrošenih sklopova i postavljanje svježih na njihovo mjesto (ovaj proces se zove ponovno punjenje) odvija u potpuno zatvorenom načinu rada. U gornjem dijelu reaktora nalaze se veliki i mali rotirajući čepovi (ekscentrični jedan u odnosu na drugi, odnosno njihove ose rotacije se ne poklapaju). Stub sa kontrolnim i zaštitnim sistemima, kao i mehanizam za preopterećenje sa hvataljkom tipa čahure, postavljen je na mali okretni čep. Rotacioni mehanizam je opremljen "hidrauličkom brtvom" od posebne legure niskog taljenja. U svom normalnom stanju je čvrst, ali se za ponovno pokretanje zagrijava do tačke topljenja, dok reaktor ostaje potpuno zatvoren, tako da su ispuštanja radioaktivnih plinova praktično eliminirana. Proces ponovnog punjenja gasi mnoge korake. Najprije se hvataljka dovodi do jednog od sklopova koji se nalazi u reaktorskom skladištu istrošenih sklopova, uklanja ga i prenosi u lift za istovar. Zatim se podiže u prijenosnu kutiju i stavlja u bubanj za istrošene sklopove, odakle nakon čišćenja parom (od natrijuma) ulazi u bazen istrošenog goriva. U sljedećoj fazi, mehanizam uklanja jedan od sklopova jezgre i pomiče ga u skladište u reaktoru. Nakon toga, potreban se uklanja iz bubnja svježeg sklopa (u koji su prethodno ugrađeni sklopovi goriva koji su došli iz tvornice) i ugrađuje se u elevator svježeg sklopa, koji ga dovodi do mehanizma za ponovno punjenje. Posljednja faza je ugradnja gorivnih sklopova u napuštenu ćeliju. Istovremeno se nameću određena ograničenja na rad mehanizma iz sigurnosnih razloga: na primjer, nemoguće je istovremeno otpustiti dvije susjedne ćelije, osim toga, tijekom preopterećenja, sve upravljačke i zaštitne šipke moraju biti u aktivnoj zoni. Proces pretovara jednog sklopa traje do sat vremena, dopuna trećine jezgra (oko 120 gorivnih sklopova) traje oko nedelju dana (u tri smene), ovaj postupak se izvodi u svakoj mikro kampanji (160 efektivnih dana, računato na puno snaga). Istina, sada se izgaranje goriva povećalo, a samo četvrtina jezgre je preopterećena (otprilike 90 gorivnih sklopova). U ovom slučaju, operater nema direktan vid povratne informacije, a vođen je samo indikatorima senzora ugla rotacije stuba i hvataljki (preciznost pozicioniranja - manja od 0,01 stepen), sila izvlačenja i ugradnje.
Proces ponovnog pokretanja uključuje mnoge faze, izvodi se pomoću posebnog mehanizma i podsjeća na igru "15". Krajnji cilj je svježe sklopove iz odgovarajućeg bubnja ubaciti u željeni slot, a istrošene u vlastiti bubanj, odakle će nakon čišćenja parom (od natrijuma) pasti u bazen za hlađenje.
Zagladiti samo na papiru
Zašto, uprkos svim svojim prednostima, reaktori na brzim neutronima nisu postali široko rasprostranjeni? To je prvenstveno zbog posebnosti njihovog dizajna. Kao što je gore spomenuto, voda se ne može koristiti kao rashladno sredstvo, jer je moderator neutrona. Stoga brzi reaktori uglavnom koriste metale u tekućem stanju - od egzotičnih legura olova i bizmuta do tekućeg natrijuma (najčešća opcija za nuklearne elektrane).
„U reaktorima na brzim neutronima, toplotna i radijaciona opterećenja su mnogo veća nego u termalnim reaktorima“, objašnjava PM Glavni inženjer Belojarsk NPP Mihail Bakanov. “To dovodi do potrebe za korištenjem posebnih konstrukcijskih materijala za reaktorsku posudu i sisteme unutar reaktora. Kućišta gorivih šipki i gorivih sklopova nisu napravljena od legura cirkonijuma, kao u termičkim reaktorima, već od specijalnih legiranih hrom čelika, koji su manje podložni 'bubrenju' radijacijom. S druge strane, na primer, reaktorska posuda nije podložan opterećenjima povezanim sa unutrašnji pritisak, "samo je malo iznad atmosferskog."
Prema rečima Mihaila Bakanova, u prvim godinama rada glavne poteškoće bile su povezane sa radijacionim bubrenjem i pucanjem goriva. Ovi problemi su, međutim, ubrzo riješeni, razvijeni su novi materijali - kako za gorivo tako i za kućišta gorivih šipki. Ali čak i sada, kampanje su ograničene ne toliko izgaranjem goriva (koje na BN-600 dostiže 11%), već vijekom trajanja materijala od kojih su gorivo, gorivi šipki i gorivi sklopovi napravljeni. Dalji operativni problemi bili su povezani uglavnom sa curenjem natrijuma u sekundarnom krugu, hemijski aktivnog i požarno opasnog metala koji burno reaguje na kontakt sa vazduhom i vodom: „Samo Rusija i Francuska imaju dugogodišnje iskustvo u radu industrijskih reaktora na brze neutrone . I mi i francuski stručnjaci smo se od samog početka suočili sa istim problemima. Uspješno smo ih riješili, predviđajući od samog početka specijalnim sredstvima praćenje nepropusnosti strujnih krugova, lokaliziranje i suzbijanje curenja natrijuma. Ali pokazalo se da je francuski projekat bio manje spreman za takve probleme; kao rezultat toga, reaktor Phenix je konačno zatvoren 2009.
„Problemi su zaista bili isti“, dodaje Nikolaj Oškanov, direktor Belojarske NEK, „ali su rešeni ovde i u Francuskoj Različiti putevi. Na primjer, kada se šef jednog od sklopova u Phenixu sagnuo kako bi ga zgrabio i istovario, francuski stručnjaci su razvili složen i prilično skup sistem za "videnje" kroz sloj natrijuma. A kada smo imali isti problem, jedan naših inženjera su predložili korištenje video kamere, "smještene u jednostavnu strukturu poput ronilačkog zvona - cijev otvorena na dnu sa argonom uduvanim odozgo. Kada je rastopljena natrijuma bila istisnuta, operateri su, koristeći video komunikaciju, mogli uhvatite mehanizam i savijeni sklop je uspješno uklonjen."
Brza budućnost
„U svijetu ne bi bilo tolikog interesa za tehnologiju brzih reaktora da nije bilo uspješnog dugotrajnog rada našeg BN-600“, kaže Nikolaj Oškanov. „Razvoj nuklearne energije, po mom mišljenju, prvenstveno je povezan sa serijskom proizvodnjom i radom brzih reaktora. Samo oni omogućavaju da se sav prirodni uranijum uključi u gorivni ciklus i time poveća efikasnost, kao i smanji količinu radioaktivnog otpada za desetine puta. U ovom slučaju, budućnost nuklearne energije će biti zaista svijetla.”
