Топливо для тысячелетий

Атомная энергетика ХХ века столкнулась с дилеммой, которую казалось невозможно разрешить. С одной стороны — чистая энергия без выбросов СО₂, с другой — растущие горы опасных отходов, которые нужно хранить миллионы лет, и ограниченные запасы топлива. Классические реакторы используют менее 1% энергетического потенциала урана, а остальное отправляется в могильники. Но что если есть способ «сжечь» почти все, превратив ядерные отходы в топливо и увеличив ресурсную базу на тысячелетия?

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Эта утопия стала реальностью благодаря работе лауреата премии «Вызов-2025» Михаила Скупова и солауреата Алексея Глушенкова. Они создали и довели до промышленного уровня ключевой элемент технологии будущего — нитридное ядерное топливо (СНУП) для реакторов на быстрых нейтронах. О том, как это было сделано и что это значит для человечества,— в интервью «Ъ-Науки» с Михаилом Скуповым.

— Премия «Вызов» вручается за технологии будущего. В чем именно заключается ключевой прорыв: что вы сделали такого с нитридным топливом, чего не могли сделать раньше и почему это меняет правила игры в атомной энергетике?

— Нитридное смешанное топливо — один из вариантов ядерного топлива повышенной плотности. Его выбрали для развития до уровня промышленного производства и использования в реакторных установках нового поколения с жидкометаллическим теплоносителем. Самое сложное для нас было преодолеть трудности масштабного производства топлива, которое должно происходить в строго контролируемых условиях с ограничением содержания кислорода и влаги на уровне миллионных долей, найти эффективный способ проведения карботермического синтеза нитридных исходных порошков из оксидной формы, в которой они хранятся. Нужно было пройти весь путь для подготовки к лицензированию нового типа топлива. Раньше на это никто не решался.

— Почему для будущего — реакторов на быстрых нейтронах — потребовалось новое топливо и почему из всех вариантов победило именно СНУП? Какое его свойство стало решающим?

— Есть два ключевых преимущества нитридного смешанного топлива по отношению к традиционному оксидному: более высокая плотность и существенно более высокая теплопроводность. Первое позволяет достичь коэффициента воспроизводства в активной зоне больше единицы. Это принципиальный факт. Благодаря этому, например, появилась возможность минимизировать так называемый запас реактивности на выгорание топлива, существенно повысив показатели безопасности реакторной установки для избежания реактивностных аварий. Теплопроводность, которая по отношению к оксидному топливу выше на порядок, позволяет снизить температуру в центре топливных стержней на сотни градусов, что дает возможность быстрее отвести тепло от активной зоны реактора в случае необходимости. Выбор именно нитрида, а не металла или карбида, например, базировался на многочисленных исследованиях, выполненных как в России, так и за рубежом. Идеального варианта не было, металл хуже работает в аварийных условиях, карбид и нитрид трудно производить. У карбида есть еще проблемы с переработкой...

— На решение всех задач ушло более 15 лет. С каким самым трудным технологическим барьером вам пришлось столкнуться: создание материала, обеспечение его стабильности в реакторе или отработка именно промышленного процесса?

— Сложными в преодолении были все перечисленные барьеры: они взаимосвязаны. Основная проблема при изготовлении нитридного топлива — достичь чистоты по кислороду и углероду, получить топливную композицию в мононитридном виде. Эти показатели влияют на поведение топлива в реакторе. Если не достичь требуемых норм по чистоте, например, то топливо будет быстро распухать и взаимодействовать с оболочкой твэла, снижая его ресурс. Длительность разработки в первую очередь связана с необходимостью многочисленных реакторных испытаний экспериментальных и опытных образцов, без этого не получить лицензию Ростехнадзора на его эксплуатацию.

— Вы испытали более 1,6 тыс. тепловыделяющих элементов. Какой ключевой результат этих испытаний окончательно доказал, что технология готова к внедрению?

— Ключевым результатом реакторных испытаний являлось достижение эксплуатационных параметров в условиях, максимально приближенных к проектным. В нашем случае ключевым параметром является глубина выгорания топлива. Для стартовой активной зоны реактора БРЕСТ-ОД-300 запланирована глубина выгорания 6% тяжелых атомов, в экспериментальных сборках, облучавшихся в реакторе БН-600 на Белоярской АЭС, достигнуто 9%. По другим показателям технический проект твэла тоже был экспериментально обоснован в условиях БН-600.

— Технология доведена до максимального уровня готовности (TRL 9). Что это значит на практике и когда мы увидим первое промышленное применение вашего топлива, например на реакторе БРЕСТ?

— На практике TRL 9 значит, что топливо готово к присвоению технологической документации на его производство промышленного статуса. В следующем году уже должны начаться поставки для формирования сначала имитационной, а потом и стартовой активных зон. Фактически работы по изготовлению комплектующих для тепловыделяющих сборок уже начаты. Точная дата зависит от согласованного графика отгрузки топлива и физического пуска реактора. Это уже рабочий момент.

— Как именно использование вашего топлива в замкнутом цикле помогает сократить срок хранения самых опасных отходов с миллионов лет до сотен?

— Речь идет о том, что, помимо использования в замкнутом цикле урана и плутония, мы разработали вариант топлива для вовлечения младших актинидов, таких как, например, америций и нептуний. На стадии переработки эти элементы извлекают из отработавшего топлива, не допускают попадания их в отходы, что и позволяет существенно сократить их радиотоксичность, особенно в части скорости снижения активности.

— Каким образом новая технология увеличивает топливную базу атомной энергетики на тысячелетия, если количество урана на планете не меняется?

— Для традиционной энергетики топливом является уран, обогащенный по изотопу 235, поскольку именно он является основным делящимся компонентом. Нитридное смешанное топливо разрабатывается в рамках проекта «Прорыв» в комплексе с технологиями замкнутого топливного цикла. Выход на показатели коэффициента воспроизводства в активной зоне выше 1 дает возможность подпитывать реактор и весь цикл в целом только обедненным ураном, содержащим более 99% изотопа 238. Такой уран получается в качестве побочного продукта процесса обогащения, уран извлекают из отработавшего топлива, из оборотов... В общем, из всех возможных источников. Таким образом, можно сказать, что увеличение ресурсной базы атомной энергетики в замкнутом цикле определяется соотношением в природном уране изотопов 238 и 235. Так вот, в природном уране 0,7% урана-235, остальное — уран-238. Разница на два порядка.

— Создание топлива — это фундамент. Какая следующая большая задача стоит сейчас перед вами и командой? И какое, на ваш взгляд, главное наследие этой работы для энергетики через 50 лет?

— Следующий ключевой шаг — это повышение экономических показателей нитридного смешанного топлива, чтобы сделать его конкурентоспособным не только в контексте безопасности и показателей топливного цикла в целом, но и на стадии фабрикации. Это и повышение ресурса, и сокращение технологических операций его производства. Такие предпосылки и наработки есть. А главное наследие на рубеже 50 лет я вижу в формировании комплексного подхода к топливному циклу, ответственности за все последствия масштабирования атомной энергетики, без отложенных для будущих поколений решений ключевых проблем, связанных с накоплением ядерных отходов.

Мария Грибова