Как в мире решают проблему ОЯТ. Часть вторая, вариант Аврора.

Строительство Белорусской АЭС вышло на финишную прямую. В этом году первый блок выдаст в электроэнергетическую сеть страны первые киловатт-часы. Выработка энергии на АЭС будет сопровождаться побочным процессом, а именно, свежее ядерное топливо будет превращаться в выгоревшее, или как его ещё называют, отработавшее ядерное топливо (ОЯТ). 

Конечно, Белорусская АЭС в этом смысле не уникальна. ОЯТ получается при работе любой АЭС или любого реактора. Как страны и компании предлагают поступать с ОЯТ? В первой части статьи http://belatom.by/news/154 мы рассказали о решениях, предлагаемых американской компанией «Holtec». Теперь на очереди другая американская компания – «Oklo Power». 

Указ Джимми Картера. 

При взгляде с высоты птичьего полёта на проблему ОЯТ видны три принципиально разных её решения: 1) закопать навсегда; 2) переработать и вернуть делящиеся материалы (уран и плутоний) в топливный цикл; 3) поместить во временные хранилища и передать проблему потомкам. Есть ещё и четвёртый вариант, не производить ОЯТ вообще, но он возможен только при условии отказа от атомной энергетики, и мы его рассматривать не будем. 

Существует расхожее мнение, что американцы для ОЯТ выбирают либо решение №1, либо, как предлагает компания «Holtec», решение №3, но ни в коем случае не решение №2, потому что Соединённые Штаты отказались от переработки ОЯТ. На самом деле, это мнение неверное. Даже больше, именно США в середине 20-го века были пионерами переработки. Удивляться этому не приходится, если вспомнить, что атомную отрасль как таковую в годы Второй мировой войны создали американцы. 

В 1977 году президент США Джимми Картер подписал указ PD-8, которым отложил на неопределённый срок все работы по созданию коммерческого сектора по переработке ОЯТ. В молодости Картер был ликвидатором, он участвовал в ликвидации последствий аварии в 1952 году в канадской лаборатории «Чок-Ривер» и как никто другой из американских президентов знал, что к атому следует относиться с почтением. Но указ PD-8 он подписал по другим причинам. 

Картер не видел для США срочной необходимости в переработке и возвращении в топливный цикл урана и плутония из ОЯТ. Имея доступ к огромным месторождениям урана Канады и Австралии, американцы могли позволить себе не спешить тратить наработанный в реакторах и хранящийся в составе ОЯТ плутоний. 

Времена меняются, и американцы меняются вместе с ними. Сегодня предложения по переработке ОЯТ снова звучат на конференциях специалистов и на брифингах политиков. В основном, это всё пока слова. Но одна маленькая американская компания решила пойти дальше и не только разработать, но и построить реактор сверхмалой мощности (микрореактор), способный использовать в качестве топлива делящиеся вещества, извлечённые из ОЯТ. 

Атомный фанат. 

Человека, благодаря которому концепция микрореактора «Аврора» появилась на свет, зовут Джейкоб де Витт. Он настоящий фанат атомной энергетики. Его любовь к атому зародилась в раннем детстве, когда отец отвёл его в национальный музей ядерной науки США. Зрелище макета топливной таблетки для ядерных реакторов настолько потрясло ребёнка, что его судьба была предрешена (вот как надо привлекать молодёжь в атомную энергетику!).

Джейкоб де Витт. Фото «Getty Images». 

Студентом де Витт устроился на подработку в одну из национальных лабораторий США. Велико же было его разочарование! Учёные благоденствовали на государственных заказах и не стремились создавать ядерные реакторы нового поколения, о которых молодой де Витт искренне мечтал. И тогда он дал себе слово: «Если правительство не торопится проектировать и строить новые реакторы, то я сделаю это сам». 

В Массачусетском технологическом институте де Витт встретился с единомышленником, а точнее, единомышленницей Кэролайн Кокран. И в 2013 году в Калифорнии образовалась небольшая фирма, сначала называвшаяся «UPower», а затем получившая имя «Oklo Power». 

Ядерная батарейка «Аврора». 

За пять с небольшим лет работы де Витт и его команда спроектировали микрореактор «Аврора». Он называется «микрореактор» (а иногда даже «ядерная батарейка»), потому что его электрическая мощность необычайно мала, всего 1,5 МВт(э). Такой мощности хватило бы обеспечить потребности в электричестве городка с населением порядка 1000 человек. 

Но у де Витта другая идея. Он предлагает объединять «Аврору» с возобновляемыми источниками энергии (например, с солнечными станциями или ветрогенераторами). Таким образом, «Аврора» могла бы обеспечивать так называемую базовую составляющую электрогенерации, работая постоянно на одной и той же мощности, а пики энергопотребления покрывали бы возобновляемые источники. 

В проекте предусмотрен и случай, когда потребление упадёт ниже 1,5 МВт. Для этого рядом с реактором установят большие баки с водой, и реактор будет нагревать воду в ожидании, пока люди проснутся и включат свет в жилищах. Горячая вода тоже пойдёт в дело – например, её можно будет подать в систему теплоснабжения.

Здание реактора «Aurora».

Топливный элемент микрореактора «Аврора» сильно отличается от того макета, который юный де Витт увидел в музее. 

Представьте себе кольцо, надетое на палец. Делящиеся материалы (уран или плутоний) содержатся в кольце, а в роли пальца выступает тепловая трубка – герметично закрытая стальная трубка, внутри которой легкокипящая рабочая жидкость. Контактируя с топливом (как кольцо контактирует с пальцем), рабочая жидкость нагревается и испаряется. 

Трубки в верхней части соединены с теплообменником, через который проходит рабочее тело второго контура (сверхкритический диоксид углерода sCO2). Оно заберёт тепло у паров рабочего тела тепловой трубки и пойдёт дальше на газовую турбину, а пары конденсируются и сольются в нижнюю часть тепловой трубки, чтобы вновь оказаться в контакте с топливом. 

В такой конструкции микрореактору «Аврора» не требуются насосы для прокачки теплоносителя через активную зону, как это делается в больших реакторах. Нет насосов – нет и потенциальных аварий с их отказами, а это значит, что уровень безопасности «Авроры» повысится. 

Для работы «Авроры» не потребуются не только насосы, но и люди. Совсем без контроля оставлять микрореактор не станут, присматривать за ним должны два оператора-наблюдателя, а также дозиметрист и электрик, но из них реально трудиться придётся только последнему, а первая троица будет лишь следить за показаниями приборов и за работой автоматики. А если операторов и дозиметриста ещё и вооружить, то решится и вопрос об охране «Авроры». 

В отличие от многих других похожих проектов, «Аврора» перестала быть фантазией конструкторов. В этом году компания «Oklo Power» подала в США заявку на получение так называемой комбинированной лицензии, позволяющей строить и эксплуатировать энергетический объект. Площадка для строительства первой «Авроры» выбрана, она расположена на территории национальной лаборатории Айдахо. Стоимость строительства первой «Авроры» 10 млн долларов, и ещё по 3 млн долларов в год придётся выкладывать на её эксплуатацию. Следующие «Авроры» обещают стать намного более дешёвыми. 

«Аврора» – красивый реактор, но причём здесь ОЯТ? А вот причём. Для первой «Авроры» американские атомщики выделят из государственных запасов отработавшее ядерное топливо времён Холодной войны. Из этого ОЯТ будет изготовлена партия топлива, на которой микрореактор будет пущен и начнёт вырабатывать электроэнергию. Можно считать, что таким образом в США будет сделан первый шаг к восстановлению коммерческих технологий переработки ОЯТ. 

Компания «Holtec» предлагает хранить ОЯТ во временных зранилищах десятки или сотни лет в надежде на ум и сообразительность наших потомков. Компания «Oklo Power» считает, что ОЯТ можно использовать для изготовления нового топлива для микрореакторов «Аврора». А что, если ОЯТ закопать глубоко в землю там же, где оно производится, то есть прямо на АЭС? Об этой идее, вызывающей у кого-то нервный шок, а у кого-то неподдельный интерес, мы расскажем в третьей части статьи.