Как в мире решают проблему ОЯТ. Часть пятая, пример Франции

Белорусская АЭС. Фото: "Белатом". 

Строительство Белорусской АЭС вышло на финишную прямую. Первый блок введён в коммерческую эксплуатацию, на втором блоке в этом году ожидается физический пуск реакторной установки. Выработка энергии на АЭС сопровождается побочным процессом, а именно, свежее ядерное топливо превращается 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? 

Продолжаем цикл публикаций, посвящённых различным предложениям по обращению с ОЯТ во всём мире. Тема очередной статьи – атомная отрасль Франции.

 Рождённая нефтяным кризисом.

Франция – одна из самых ярых приверженцев атомной энергетики в мире. По числу действующих энергоблоков АЭС (56) она уступает только США, но при этом на долю мирного атома в общем объёме французской электрогенерации приходится свыше 70%.

Карта ядерных установок Франции. Фото с сайта iaea.org.

Интерес к использованию энергии деления атома для производства электроэнергии появился во Франции вскоре после Второй мировой войны, но долгое время он оставался академическим. Да, строились отдельные блоки, разрабатывались проекты, но всё это было на уровне игрушки для политиков – мол, и мы, французы, кое-что смыслим в высоких технологиях. 

Всё переменилось после нефтяного кризиса 1973 года, когда арабские экспортёры нефти ввели эмбарго на поставки в США и Западную Европу. Цена барреля подпрыгнула в четыре раза и французскую экономику затрясло. Эмбарго просуществовало недолго, но урок для себя французы извлекли правильный и приступили к реформе энергетики, предусматривавшей, среди прочего, ускоренное развитие атомной отрасли. 

Франция приобрела реакторную технологию у американской компании «Вестингауз» и начала штамповать блоки АЭС буквально как пирожки, сразу большими сериями. Одновременно принимались меры по поощрению населения к росту использования электроэнергии – например, широко рекламировались выгоды отказа от отопления от котельных на дизтопливе в пользу электронагревателей (в чём-то похоже на Беларусь сегодня, не правда ли?).

 В результате буквально за одно десятилетие во Франции был создан гигантский (второй в мире по мощности) атомный парк. Это позволило существенно ослабить зависимость страны от арабской нефти, но оставалось одно слабое место, а именно, уран. Для работы десятков атомных энергоблоков требовался уран, а его добычей во Франции не занимались.

 Уран для французских АЭС добывался и до сих пор добывается в Африке, а точнее, в Нигере. Бесперебойность его поставок Париж обеспечивает всеми доступными средствами – экономическими, политическими, иногда и военными. Есть и другие поставщики, например, большие закупки урана Франция делает в Канаде. Но всё же импорт стратегического продукта есть импорт, и требовалось найти альтернативное решение. 

Замкнутый цикл.

Таким решением стал взятый курс на создание во Франции замкнутого ядерного топливного цикла. Легководные реакторы, купленные у «Вестингауза» и доработанные французскими инженерами, должны трудиться на уране, добытом в Африке или купленном в Канаде, а их ОЯТ должно отправляться на переработку, после которой выделенный из ОЯТ плутоний должен использоваться как топливо в быстрых реакторах с натриевым теплоносителем, или так называемых бридерах, способных не только сжигать ядерное топливо, но и производить новое ядерное топливо (плутоний из урана-238) в количествах, превышающих сожжённое. 

В отличие от реакторов-легководников, купить технологии быстрых натриевых реакторов было негде, и французам пришлось разрабатывать их самостоятельно. Надо признать, что они преуспели в этом. Сначала они построили опытный реактор «Рапсодия», потом энергоблок на 130 МВт под названием «Феникс», а вершиной их творчества стал реактор «Суперфеникс» мощностью 1200 МВт. До сих пор ни одна страна в мире не сумела повторить достижение французов, все остальные действующие и строящиеся быстрые натриевые реакторы имеют меньшую мощность. Только у России есть проект БН-1200, чья мощность чуть-чуть превышает мощность «Суперфеникса», но его введут в строй не ранее середины 30-ых годов. 

АЭС Крей-Мальвиль. Фото ru.wikipedia.org/wiki/АЭС_Крей-Мальвиль

К сожалению, «Суперфеникс» оказался не только вершиной французского атомного гения, но и его лебединой песней. На его пути встали политики. Поработать реактору так и не дали. Его выводили на мощность и тут же останавливали, разрешали новую попытку и вскоре отменяли разрешения. В конце концов, в декабре 1998 года «Суперфеникс» был официально закрыт, причём на тот момент он был в простое уже два года. 

Развитие быстрых реакторов во Франции остановилось, но проблема зависимости от импортного урана никуда не делась. Французским атомщикам пришлось пойти на компромисс и задействовать мощности ядерно-топливного комплекса для производства уран-плутониевого топлива для энергоблоков с легководными реакторами. Иными словами, топливный цикл они замкнули, но совсем не так, как собирались. 

Немного математики. 

Чтобы лучше понять различия планировавшегося и получившегося на практике замкнутых циклов, потребуется прибегнуть к помощи математики. Напрягаться не нужно, вычисления будут простейшие. Любой работающий на мощности реактор сжигает ядерное топливо (например, уран-235 или плутоний-239) и одновременно нарабатывает новое ядерное топливо (например, из урана-238 производится плутоний-239). 

Примем, что реактор за год сжигает 1 ядерное топливо и производит КВ нового ядерного топлива. Аббревиатура КВ расшифровывается как «коэффициент воспроизводства». Новое топливо содержится в ОЯТ, переработаем его и вернём КВ нового топлива в реактор, где оно сгорит, но вместо него образуется КВ^2 нового топлива... Хорошо учившиеся в средней школы в этом месте радостно вспомнят о геометрической прогрессии! Всё верно, именно геометрическая прогрессия тут и получится. 

Итак, если мы отправляем ОЯТ на переработку, выделяем из него плутоний, делаем новое топливо, загружаем его в реактор, получившееся ОЯТ снова направляем на переработку, и так далее до бесконечности, то вместо 1 ядерного топлива, как было бы в случае без переработки ОЯТ, мы сможем в конечном итоге получить 1/(1-КВ) топлива. 

Теперь конкретно. В легководном реакторе значение КВ можно грубо принять за 0,5. Подставив его в формулу, получим результат 2. То есть, замыкая топливный цикл с одними только легководными реакторами (как поступают французы), мы сможем удвоить имеющиеся в нашем распоряжении запасы ядерного топлива. Половину топлива по-прежнему придётся добывать (в Африке или Канаде), но вторую половину возможно получать из ОЯТ. 

На первый взгляд, звучит неплохо, если не вспоминать о том, что у быстрых натриевых реакторов КВ больше единицы. В этом случае формула суммы геометрической прогрессии нам уже не поможет, но из общих соображений должно быть понятно, что при КВ>1 мы имеем возможность вовлечь в процесс производства электроэнергии весь добытый из земли уран. Чтобы не мучать читателей дальнейшими расчётами, сразу скажем – это позволит увеличить запасы ядерного топлива почти в 100 раз. 

Свернув программу быстрых реакторов, французы вместо 100-кратного выигрыша в запасах топлива могут теперь рассчитывать только на двукратный. На самом деле, ситуация ещё хуже, потому что плутоний в качестве топлива возвращается на АЭС Франции только один раз. Переработку ОЯТ плутониевого топлива легководных реакторов во Франции не производят, имеющиеся технологии для этого непригодны. Беда в том, что в таком ОЯТ растёт концентрация «неприятных» изотопов, которые ухудшают нейтронно-физические характеристики и делают ОЯТ более радиоактивным и горячим. Таким образом, пока не будут разработаны новые технологии переработки, ОЯТ плутониевого топлива во Франции отсылают в временное хранилище. 

В начале XXI века французские атомщики пытались возродить программу по развитию быстрых реакторов, разрабатывая проект под названием ASTRID. Но проект был закрыт по требованию политиков, даже не доходя до стадии железа. Поэтому в наши дни французы переключились на решение проблемы ОЯТ плутониевого топлива легководных реакторов. В их планах – добиться возможности пяти- или шестикратного прохождения топлива через реакторы вместо нынешнего двукратного, что позволит им вплотную приблизиться к теоретическому значению «2» из формулы суммы геометрической прогрессии. Будем надеяться, что хотя бы в этом политики атомщикам препятствовать не будут. 

Предприятия топливного комплекса. 

В завершение статьи скажем несколько слов о том, что представляет из себя современный ядерный топливный комплекс Франции. 

Переработка ОЯТ происходит на заводе «Ля Аг» в Нормандии. Это огромное предприятие, способное перерабатывать в год до 1700 тонн ОЯТ.

Завод по переработке в Ла-Аг компании «Орано». Фото: en.wikipedia.org/wiki/La_Hague_site#/media/File:UsineHague

Оно выполняет заказы не только от французских АЭС, но и из-за рубежа.

Завод по переработке в Ла-Аг компании «Орано». Фото: «Орано»

Технологии «Ля Аг» обеспечивают выделение как минимум 99,9% урана и плутония, содержащегося в ОЯТ уранового топлива легководных реакторов, а имеющиеся в ОЯТ осколки деления также выделяются, после чего остекловываются и направляются на хранение. 

 Производством плутониевого топлива (если быть точным, уран-плутониевого топлива МОКС, в котором плутоний из ОЯТ смешивается с неделящимся ураном-238) занимается завод «Melox» вблизи Маркуля производительностью до 195 тонн топлива в год. Крупными заказчиками завода, кроме французских АЭС, ранее были АЭС Германии и некоторых других стран, а также АЭС Японии, но авария на Фукусиме и антиядерная политика, принятая в Германии, в настоящее время привели к сокращению заказов из-за рубежа.

Французский опыт в области переработки ОЯТ признаётся и ценится во всём мире. Так, о покупке французских технологий мечтает Китай, чему активно мешают американцы, и мы обязательно расскажем об этом в одной из следующих статей цикла.