Альтернативная ядерная энергетика

Да, есть такая. Далеко за горизонтом газет и популярных статей, на периферии и так не очень-​то популярной в мире ядерной энергетике, тоже идёт работа.

Об инновациях в ядерной энергетике не очень слышно, но тому есть причины.

Ядерная энергетика - отрасль крайне капиталоёмкая, как и энергетика вообще, а капиталоёмкие отрасли очень консервативны (цена ошибки в проекте очень велика, а затеи "выкинуть и заменить новым уже построенное" душит вполне разумная жаба). Ядерная энергетика - крайне опасное производство, а любое опасное производство, процесс, от которого зависят жизни и смерти людей - гиперконсервативно (а ну как сэкономим на копейку, а оно жахнет убытку на хороший триллион?). Добавим сложность происходящих процессов и получим вывод, что даже на то, чтобы опробовать идею вчерне, требуются безумные по меркам других отраслей вложения и годы-​десятки лет (без шуток) получения лицензий, прохождения экспертиз и согласований. Поэтому путь от идеи до воплощения занимает десятки лет. Исключение составляли разве что первые годы атома, когда о безопасности думали мало или не думали вообще, системы лицензирования не было, а поток денег от военных и их административное прикрытие позволяло работать очень быстро и не думая о всяких "мелочах" типа денег и жизнях.

Просто как пример: реакторы на быстрых нейтронах были предложены в 40-х, чуть ли не сразу после пуска первого реактора вообще. Первый в мире реактор на быстрых нейтронах - Clementine - был пущен в 1946-м. Идея о размножении топлива была высказана в те же годы... а вот хоть сколь-​нить реального воплощения этой идеи нет до сих пор - разве что ожидается где-​то к 2025-2030-м годам. Почти что лет.

Но реакторам на быстрых нейтронах повезло: их успели попробовать в разных видах до того, как Человечество оценило опасность новых своих игрушек и атом превратился в гиперконсервативную отрасль. За 30 лет до первых публичных крупных ядерных катастроф и прихода регуляторного катка были высказаны почти все идеи, воплощения которых сейчас обещают как фантастическое будущее и описываются фанатами как какой-​то невероятный прорыв в светлые дали. Многие из них были и опробованы.

Одной из таких идей является подкритичный ядерный реактор с подсветкой от ускорителя (и в России есть фрики-​фанаты её, не чуждые пиара - бессмысленного и беспощадного; благодаря самопиару товарища Острецова все и так знают минимум один пример). По-​буржуйски это называется Accelerator-​Driven System, ADS (было предложено в тех же 50-х, и в последнее время популяризовано усилиями итальянского нобелевского лауреата Карло Руббиа, кстати, одно время ещё и директора ЦЕРНа, то есть, человеком имеющим реально большой вес).

В чём суть?

Как все знают со школы, в ядерном реакторе идёт цепная ядерная реакция: каждое разделившееся ядро порождает два (с копейками) нейтрона, один из которых передаётся по эстафете следующему в цепочке, а оставшиеся должны быть для сохранения мощности поглощены (с точностью до десятитысячных). Если это условие не соблюдается, коэффициент размножения чуть превышает 1, реактор разгоняется. Если коэффициент чуть ниже 1, реактор снижает мощность. Этот очень тонкий баланс нужно соблюдать в условиях, когда коэффициент размножения зависит от теплоносителя, текущего через реактор, от температуры, от давления (в кипящих - ещё как), от времени, которое топливо работает, совершенно нетривиальным образом, и, наконец, безумно сложные зависимости от мощности и истории работы реактора, которые описываются сотнями дифференциальных уравнений. Все эти параметры отличаются в разных частях активной зоны и меняются по-​разному, с разной динамикой в зависимости от предыстории.

Добавим сюда, что управлению вообще поддаётся лишь очень малая часть нейтронов - запаздывающие нейтроны (вылетающие не при делении, а позже, спонтанно из продуктов деления с большой задержкой в секунды и даже десятки секунд). Нейтроны деления размножаются слишком быстро - наносекунды-​десятки наносекунд на поколение, никакая механика тут не успеет, механика реагирует в сучшем случае за доли секунды. Если бы не наличие запаздывающих нейтронов, у нас вообще не было бы ядерных реакторов, только ядерные бомбы. о и с сейчас наличием их тоже всё не очень хорошо: их мало. То есть, возможности управления сидят в очень-​очень узком диапазоне, ниже которого - реактор глохнет, выше которого - разгон на мгновенных и если уж не ядерный взрыв, то запросто перевыполнение месячного плана выработки за несколько милликсекунд. Со всеми вытекающими и вылетающими.

Как Чернобыль показал наглядно, даже в хорошо продуманной и рассчитанной системе это создаёт вполне реальные риски о чём-​то не подумать или где-​то крепко обсчитаться. 

Откуда и растут корни идеи "загнать реактор в глухую подкритику, снизить размножение нейтронов до уровня, при котором разгон невозможен, а потом добавлять недостающие нейтроны снаружи". Это исключает ядерные аварии (хотя сохраняет все риски, связанные с перегревом и выходом радиактивности) и добавляет (не во всех конструкциях, но в принципе) возможность нарабатывать топливо как это могут делать традиционные реакторы на быстрых нейтронах. Что, конечно, - хорошо.

Однако, есть огромная проблема. Нейтроны нужно откуда-​то брать, и брать в товарных количествах задёшево. Один из способов - использовать ускоритель, который будет давать мощный пучок быстрых электронов (или, что удобнее, протонов) долбящий в мишень. Быстрый электрон или протон при попадании в ядро закачивает туда энергию, и происходящее дальше можно сравнить с перегретой каплей воды. Ядро теряет стабильность, и дело заканчивается либо сбросом "брызг" в виде лишних нейтронов, протонов или целых ядер гелия, либо делением ядра, если ядро было тяжёлым, часто - опять же с выделением нейтронов.

Ну то есть, долбим чем-​то быстрым в ядра, их разносит на куски, среди кусков летят нейтроны, которые уже сами делят ядра и порождают свои цепочки. Способ хорошо известный, проверенный, практика строительства ускорителей есть... почему это вообще называется проблемой? Почему люди строят обычные реакторы, а не подкритичные?

(требуемый для ADS полный размер линейного ускорителя - сотня+ метров, может быть несколько сотен м; на картинке - несколько секций ускорителя с сверхпроводящими RFQ-​ячейками, наиболее компактного на нынешний день)

Дело в параметрах требуемого ускорителя, его стоимости и сложности. Чтобы затея имела какой-​то смысл, как минимум 5% нейтронов (лучше более) нужно поставлять снаружи реактора. Это огромное число нейтронов и требует совершенно жуткого по параметрам ускорителя, чья мощность составляет 10-20% от мощности самого реактора. Что ещё хуже, от ускорителя требуется не только большая мощность, но и огромный ток (количество ускоренных частиц в штуках за секунду). Ускорительщики, работавшие на фундаментальную науку достигли впечатляющих параметров по энергии, но с током ("светимостью" в принятых у них терминах) всё не так хорошо, в том числе и по фундаментальным причинам (объёмный заряд частиц начинает сильно мешать), хотя можно забить болт на обычные для физики частиц требования по энергии и температуре пучка. Ну или, как вариант, ставить таких ускорителей на один реактор несколько. Стоимость ускорителей превышает стоимость самого реактора в разы, обслуживание ускорителя весьма дорого.

Ну и ускоритель для получения нейтронов - это "ядерный реактор наоборот". Вместо того, чтобы делить ядра получая энергию, мы тратим электроэнергию, чтобы делить ядра. Это бьёт по экономике такого реактора со страшной силой. Допустим, у нас есть реактор равный БН-1200 - 3500МВт по теплу (1200МВт электрических после паровой турбины). Нам нужно потратить 10-20% от его тепловой(!) мощности на ускоритель. Это 400-700МВт, и от 1200МВт электричества остаётся 500-800МВт, при том что всё остальное - ядерное (как у БН) и паровое хозяйство как минимум тех же размеров, а сверху к нему в довесок ещё мощнейший ускоритель с кучей спецов по обслуживанию весьма нетривиального оборудования. 

(на картинке - комплекс MYRRHA, ~30МВт(э), мощность неоднократно менялась, так что 30МВт относится к картинке предположительно)

Заплатить втрое-​вчетверо больше, чтобы получать энергии вдвое-​втрое меньше? увеличить стоимость энергии в 5-10 раз? при том, что ядерную энергетику ругают за дороговизну?

Большие люди просто говорят "нет" или в лучшем случае спрашивают "а зачем?".

Ответ и на "зачем?" - несколько бОльшая безопасность (Чернобыль невозможен, хотя остаются все варианты аварий а-ля Трёхмильный Остров или Фукусима). Второй аргумент - чуть бОльшая всеядность подкритичного реактора и возможность наработки топлива (на чём особенно настаивает Острецов): имея избыток нейтронов и возможность легко управлять им напрямую, можно не так заботиться о нейтронике зоны, выкинуть большую часть элементов управления (которые по сути бесполезно жрут нейтроны, способные нарабатывать топливо). 

Контраргументы оппонентов тривиальны: давайте лучше будем нормально использовать голову на этапе проектирования, а нормально просчитанный топливный цикл быстрых реакторов умножает проблемы на ноль. С учётом того, что даже "обычные" реакторы на быстрых нейтронах не строятся по причине высокой стомости, а ADS-​установки обещают быть дороже раз в 5-10 без учёта огромной стоимости разработки, это ставит точку на любой возможности промышленного применения идеи на текущем уровне знаний и технологий. Способность же (принципиальная, не у всякой системы) ADS стартовать вообще "без топлива", не используя материалы, пригодные для ядерного реактора - уран-235 или плутоний-​239 сейчас и на любое обозримое будущее просто не востребована: запасы гражданского и военного плутония достаточны на десятки лет строительства и ввода "быстрых" реакторов ударными темпами, чего тоже даже не видится на горизонте. Россия может строить максимум 1-2 реактора размерности БН-1200 в год, на каждый реактор приходится по 6 тонн начальной загрузки плутония, запасы плутония - порядка 160 тонн. С учётом того, сколько нового топлива нарабатывают уже построенные реакторы, можно считать, что России плутония хватит на любую реальную перспективу. Это даже без учёта добычи урана и наработки нового плутония в тепловых реакторах. В других странах сложнее, но в других странах сложнее и с ядерной энергетикой в целом. Имеет ли смысл переживать о них, если они выбрали другой магистральный путь в обеспечении себя энергией?

Нужно, правда, добавить, что концепты ADS, разработанные в СССР (и сейчас вяло ковыряемые в Дубне), имели-​имеют особенности по сравнению с концептом Руббиа (почти-​дошедшем до железа и совсем недавно закрытом MYRRHA), из-за чего дубнесцы даже настаивали на особом названии системы - мол, наш ЯРТ это не ваш там всякий ADS. Например, ускоритель (что для ускорительщиков, вполне понимающих свои проблемы, логично) предлагался на более высокие энергии и меньший ток (откуда и название ЯРТ - "ядерно-​релятивисткие технологии"), а зона предлагалась глубоко подкритичной. Это решало часть проблем, но "стаскивало одеяло" с других частей системы: например, требуемая для засветки глубоко подкритичной зоны мощность ускорителя гораздо больше, чем у итальянцев. У итальянцев ускоритель требуется в разы меньше, равно как и на порядки меньше материаловедческих проблем из-за более мягкого спектра в среднем по реактору. 

Если выбирать из разных сортов этого технического безумия, то мне лично ближе китайский вариант - в каком-​то смысле промежуточный: зона достаточно близкая к критике и ускоритель на большие энергии (а значит, и сравнительно простой-​небольшой) . Но поскольку китайцы в своей технической политике более вменяемы, чем итальянцы, дальше разговоров у них дело не зашло, и всерьёз проектировать свою фиготень они даже не начинали. Как, впрочем, и русские.

Может быть, на новом витке, с какими-​то новыми научными идеями или новой ускорительной техникой, концепт ADS (или ЯРТ - называйте как хотите) выползет из технического подполья и начнёт обсуждаться всерьёз. Пока её сторонники ходят по правительствам, бормоча "дай милиард, дай миллиард" без особой надёжды.

https://aftershock.news/?q=nod...