От БР-1 до «Прорыва»: как советские физики фактически заставили энергию воспроизводить саму себя
Представьте, что один мотор потребляет бензин, а его выхлопные газы становятся топливом для другого мотора, который в виде побочного продукта снова выделяет бензин. Соединяем оба агрегата и, с поправкой на теплопотери, получаем фактически вечный двигатель. Такой принцип 70 лет назад советские ученые реализовали в ядерном реакторе на быстрых нейтронах, дав ему название БР-1.
Идеальная «связка»
В атомном реакторе ядра урана распадаются и выделяют энергию. При этом образуются быстрые нейтроны, которые сталкиваются с другими ядрами урана и вызывают их деление. Так возникает цепная реакция, которая меньше чем за секунду провоцирует ядерный взрыв. Чтобы безопасно ей управлять, нейтроны замедляют, например с помощью воды.
В быстром атомном реакторе не используют замедлитель, поэтому выделяемая энергия в миллионы раз выше. Такие установки производят тепло и электричество, а также преобразуют отработанное ядерное топливо. Например, превращают уран-238 — которого в земных недрах очень много, но он не способен поддерживать цепную реакцию — в намного более активный плутоний-239. Последний пригоден и для обычных реакторов, и для быстрых. Если выстроить систему из этих двух типов установок, получится идеальная связка: быстрые будут использовать отработанное топливо обычных и превращать его в плутоний — вторичное сырье. При таком подходе топлива для ядерных установок хватит надолго: в теории его можно воспроизводить бесконечно.
«Никакой информации поначалу не было»
Первый быстрый реактор создали в Америке в 1946 году для получения плутония и использования его в военных целях. После запуска этого реактора ученые и политики поддерживали идею мирного использования этой разработки.
В СССР изучение быстрых нейтронов началось практически одновременно с запуском государственной программы по освоению атомной энергии. После 1946 года исследования пришлось отложить: ученые направили все силы на разработку ядерного оружия.
К идее создания быстрого реактора вернулись в 1950 году. Проект возглавил Александр Лейпунский, физик-экспериментатор и директор Института физики Академии наук Украинской ССР. На первом этапе он стремился доказать саму возможность разработки такого устройства.
Никакой информации, по «любым каналам», о возможных формах конструкционного осуществления реакторов на быстрых нейтронах в это время в СССР не было. <…> Отечественные конструкторы и ряд физиков не только не имели идей по созданию быстрых реакторов, но и крайне негативно относились к реализуемости таких систем.
Эдвин Стумбур
Советский и российский физик
Исследованиями занималась Лаборатория «В», у которой, в отличие от других научных институтов, не было доступа к заграничным разведданным. Работа шла медленно, практически все приходилось делать с нуля: от фундаментальных расчетов до выбора материалов.
Маленькая мощность, огромное значение
В 1955 году Лаборатория «В» запустила первый в стране опытный реактор на быстрых нейтронах БР-1. Ученые создали его для проверки гипотез, а не выработки энергии, поэтому он был устроен сравнительно просто. Например, активной зоной, в которой находилось топливо, стала трубка диаметром 13 сантиметров. В современных конструкциях диаметр этой области — от 3 до 12 метров. Внутрь трубки физики поместили плутониевые стержни в оболочке из нержавеющей стали. В то время почти все запасы плутония шли на производство оружия, однако глава Минсредмаша выделил 12 килограммов вещества на эксперименты. Мощность первого быстрого реактора — 50 ватт: примерно столько потребляет лампа накаливания.
В отличие от американского варианта реактора на быстрых нейтронах, в БР-1 не было теплоносителя — вещества, которое передает тепло из активной зоны далее по системе. Он появился лишь в 1956 году в установке БР-2.
Благодаря БР-1 советские физики провели ряд фундаментальных исследований и доказали, что создать полноценную установку не только возможно, но и необходимо. Эксперимент дал начало изобретению более сложных и мощных реакторов. Уже в 1980-х ученые перешли от лабораторных конструкций к промышленным. Они запустили первый в стране энергоблок на быстрых нейтронах БН-600 на Белоярской АЭС мощностью 600 мегаватт.
«Прорыв» в будущее
На Белоярской АЭС работают единственные в мире энергетические реакторы на быстрых нейтронах промышленной мощности: БН-600 и БН-80. Последний установлен в 2015 году. В 2033 году к ним присоединится первый коммерческий энергоблок БН-1200. Сейчас «Росатом» оценивает технические возможности и окупаемость проекта.
В городе Северск по программе «Прорыв» строят опытный энергокомплекс с быстрым реактором БРЕСТ-ОД-300. Его мощность — 300 мегаватт, теплоносителем выступает жидкий свинец. Устройство будет само обеспечивать
