На Белоярской АЭС осваивают перспективные топливные технологии

По прогнозам МАГАТЭ прошлого года, разведанных запасов урана-235 хватит приблизительно на сотню лет. Тогда как совместная работа тепловых и быстрых реакторов может обеспечить атомную энергетику топливом на тысячи лет. В настоящее время активная зона четвертого энергоблока с реактором БН-800 Белоярской АЭС уже на 60% заполнена «топливом будущего», с которым связывают завтрашний день атомной генерации — безопасной и практически безотходной.

Новая партия

В январе четвертый энергоблок с реактором БН-800 Белоярской АЭС выведен на номинальный уровень мощности после завершения очередного планово-предупредительного ремонта. Во время регламентных работ в активную зону реактора загрузили очередную партию тепловыделяющих сборок (ТВС) с инновационным уран-плутониевым топливом. Его называют МОКС-топливом. В отличие от традиционного для атомной энергетики обогащенного урана, сырьем для производства таблеток МОКС-топлива выступают оксид плутония, наработанный в энергетических реакторах, и оксид обедненного урана — последний получают путем обесфторивания обедненного гексафторида урана (ОГФУ), так называемых вторичных «хвостов» обогатительного производства.

В природном уране содержится 99,3 % урана-238, остальное — уран-235, используемый в топливе для реакторов на тепловых нейтронах. Получается, большая часть сырья отправляется на хранение или утилизируется как радиоактивные отходы. МОКС-топливо позволяет вовлечь в производство 238-й изотоп урана, что в десятки раз увеличит топливную базу атомной энергетики. Кроме того, реакторы на быстрых нейтронах, работая на МОКС-топливе, способны нарабатывать плутоний, которого хватит, чтобы обеспечить себя и при необходимости другие реакторы новым топливом.

«Сегодня на четвертом энергоблоке Белоярской АЭС не только производят электроэнергию, но и отрабатывают элементы перспективной технологии, имеющей важное значение для будущего всей атомной энергетики, — замыкание ядерного топливного цикла», — поясняет директор Белоярской АЭС Иван Сидоров.

В настоящее время активная зона реактора уже на 60 % заполнена «топливом будущего». В 2022 году реактор БН-800 полностью перейдет на работу на МОКС-топливе.

История МОКС-топлива

При пуске энергоблока БН-800 Белоярской АЭС в 2015 году была сформирована гибридная активная зона, частично укомплектованная привычным урановым топливом производства Машиностроительного завода (Электросталь), а частично — опытными МОКС-ТВС, изготовленными в Научно-исследовательском институте атомных реакторов (Димитровград).

Промышленная фабрикация МОКС-топлива началась в конце 2018 года на площадке Горно-химического комбината. Для создания уникального производства была организована широкая отраслевая кооперация при координации и научном руководстве Топливной компании «Росатома», которая также выступает поставщиком МОКС-ТВС для Белоярской АЭС.

Первая партия серийного МОКС-топлива из 18 тепловыделяющих сборок была загружена в БН-800 в начале 2020 года. Это стало эпохальным событием. Американский журнал «POWER», одно из ведущих и старейших специализированных изданий в области энергетики, назвал эту загрузку в числе 12 главных событий в мировой энергетике 2020 года.

«Стратегическая линия «Росатома» по созданию двухкомпонентной атомной энергетики с реакторами на тепловых и быстрых нейтронах, а также замыканию ядерного топливного цикла поможет решить ряд важнейших задач. Во-первых, многократно увеличить сырьевую базу атомной энергетики. Во-вторых — после переработки повторно использовать отработавшее ядерное топливо вместо его хранения. В-третьих — вовлечь в топливный цикл и утилизировать накопленные на складах запасы ОГФУ и плутония», —отмечает вице-президент по развитию технологий и созданию производств замкнутого ядерного топливного цикла АО «ТВЭЛ» Виталий Хадеев.

Как это работает

Для получения нового топлива активная зона быстрого реактора окружена зоной воспроизводства, которая заполняется обедненным ураном-238. Его еще называют отвальным, потому что до появления быстрых реакторов он не представлял ценности и просто складировался. Для примера: в одной тонне уранового сырья содержится всего семь килограммов урана-235, который участвует в цепной реакции и используется в тепловых реакторах ВВЭР и РБМК.

В зоне воспроизводства масса обедненного урана превращается в ядерный материал, пригодный к дальнейшему использованию в качестве топлива на традиционных реакторах АЭС. Таким образом, быстрый реактор производит топлива больше, чем потребляет.

Сергей Щеклеин
Заведующий кафедрой «Атомные станции и возобновляемые источники энергии» УрФУ

— Ядерная энергетика, использующая тепловые реакторы, сталкивается с системными проблемами. Первая из них — увеличение количества отработавшего ядерного топлива и радиоактивных отходов. Вторая — ограниченная топливная база из-за низкой эффективности использования природного урана. Реакторы на быстрых нейтронах способны решить эти проблемы благодаря возможности повторного использования в них части изотопов ОЯТ тепловых реакторов для производства энергии.