Реактор БН-800 полностью перешел на МОКС-топливо

Реактор БН‑800 на четвертом блоке Белоярской АЭС полностью перешел на МОКС-топливо. Это важный шаг в выстраивании двухкомпонентной атомной энергетики с замыканием ядерного топливного цикла.

Раньше в российские реакторы на быстрых нейтронах загружали обычное урановое топливо, так как на них отрабатывали натриевые технологии. На БН‑350 и БН‑600 изучали поведение твэлов при высокой температуре и интенсивном нейтронном потоке. Изучение твэлов помогало их совершенствовать. Например, среднее выгорание топлива в БН‑600 удалось повысить почти вдвое — ​с 40 до 74 МВт·сут/кг. Результат, важный и для смешанного оксидного топлива: как показали исследования, его поведение подобно урановому.

БН‑800 сразу проектировали под МОКС-топливо, но загружали его постепенно. В 2014 году большую часть стартовой загрузки составляло обычное оксидное урановое топливо, МОКС-топлива было 16 %. Его изготовили на опытных производствах «Маяка» и НИИАР. Серийное топливо для БН‑800 делает Горно-химический комбинат. Для таблеток используется обедненный уран и высокофоновый плутоний, извлеченный из облученного топлива тепловых реакторов.

В январе 2021 года после очередной перегрузки доля МОКС-топлива выросла до трети. В январе этого года — ​до двух третей. В конце июня во время планового ремонта в реактор загрузили последнюю треть, а в начале сентября блок включили в сеть.

Полная загрузка

Кроме сборок с МОКС-топливом в активной зоне расположены стержни, выполняющие вспомогательные функции, — ​это экран, который предотвращает утечку нейтронов. Стальные стержни отражают быстрые нейтроны и возвращают их в активную зону, стержни из обедненного урана — ​поглощают. В результате уран‑238 в обедненном уране после цепочки распадов превращается в плутоний‑239, способный участвовать в цепной реакции. Из-за использования стальных стержней, в которых нет урана, коэффициент воспроизводства (отношение образовавшихся делящихся ядер к числу выгоревших) у топлива меньше 1, но планов заменить сталь на обедненный уран пока нет.

«Полная загрузка МОКС-топливом показывает, что сделан еще один большой шаг на пути к замкнутому ядерному циклу. Применение МОКС-топлива позволит в десятки раз увеличить топливную базу атомной энергетики. А главное — ​в реакторе БН‑800 можно повторно, после соответствующей переработки, использовать облученное ядерное топливо других АЭС», — ​сказал директор Белоярской АЭС Иван Сидоров. «Это именно та веха, ради которой проектировался БН‑800, строился уникальный атомный энергоблок и автоматизированное производство топлива на ГХК», — ​подчеркнул старший вице-президент по научно-­технической деятельности ТВЭЛ Александр Угрюмов.

В отрасли идут споры о том, какая конфигурация российской атомной энергетики наиболее безопасна и экономична: нужны ли тепловые реакторы, если появятся быстрые, или надо строить один быстрый реактор на несколько тепловых, какие быстрые строить и проч. Но при любом раскладе опыт Белоярской АЭС даст ответы на некоторые вопросы и приблизит создание технологической платформы на основе замкнутого ядерного топливного цикла.

Мировой опыт

Первым только на МОКС-топливе в 1970‑е годы заработал французский реактор «Феникс». Из-за четырех инцидентов — ​внезапного резкого падения реактивности, он был остановлен, потом пущен, потом снова остановлен и окончательно заглушен в феврале 2010 года. Сейчас МОКС-топливо используют во французских реакторах на тепловых нейтронах, но его доля не превышает трети активной зоны. На повторную переработку облученные ТВС не направляют, такая возможность только изучается.

В Китае в 2011 году состоялся энергопуск экспериментального быстрого реактора CEFR, сейчас строится демонстрационный блок с CFR‑600, который должны запустить в 2023 году. Для загрузок китайских реакторов используют российское топливо с обогащенным ураном: в 2016 году ТВЭЛ подписал контракт по CEFR, в 2018 году — ​по CFR‑600.

В Японии быстрым реакторам не повезло: в 1995 году на «Мондзю» через четыре месяца после пуска произошла крупная утечка натрия. Потом 15 лет ремонта, перезапуск и еще одна авария. С тех пор реактор не работает, планов строить другой нет. МОКС-топливо в Японии используют в тепловых реакторах четырех АЭС, поставляется оно из Франции.

В США от строительства производства МОКС-топлива отказались в 2018 году по ряду причин технологического и организационного характера. Большая часть времени и денег ушла на проект завода и внесение бесчисленных правок. То оборудование, которое все же купили, распродается. В Великобритании завод построили в 1997 году, но он так и не вышел на проектную мощность, а в 2011 году было принято решение о его останове.

ВОПРОС ЭКСПЕРТАМ

При каких условиях можно с уверенностью сказать, что двухкомпонентная энергетика с ЗЯТЦ построена?

Владимир Асмолов
Советник гендиректора «Росатома»

— Первые два условия — ​стопроцентная безопасность и экономическая эффективность: в идеале АЭС, задействованные в ЗЯТЦ, должны быть по своим параметрам лучше парогазовых установок. Третье условие — ​топливо должно перейти в разряд возобновляемых. Сейчас мы используем для топлива меньше 1 % природного урана. Надо вовлечь в топливный цикл уран‑238, который составляет более 99 % природного урана, чтобы получать плутоний и снова использовать в реакторах. Тогда можно говорить, что у нас возобновляемое топливо. Четвертое условие — ​надо доказать всем, что мы умеем работать с ОЯТ и высокоактивными отходами. Эту проблему мы, надеюсь, решим с помощью реакторов на быстрых нейтронах. В целом нам предстоит огромная работа по подготовке тепловых и быстрых реакторов к совместной работе в замкнутом топливном цикле. У реакторов на тепловых нейтронах надо повысить КПД за счет перехода на новую термодинамику. У них должен быть выше коэффициент воспроизводства ядерного топлива. Сейчас он ­где-то 0,4, а мы хотим повысить его до 0,7–0,9. Важнейшая задача по реакторам на быстрых нейтронах — ​добиться, чтобы они были сопоставимы по экономике с тепловыми реакторами. Пока быстрые дороже. Коэффициент воспроизводства топлива в реакторах на быстрых нейтронах должен быть больше единицы. Тогда они смогут быть донорами топлива для ВВЭР и в целом по системе коэффициент воспроизводства будет около единицы.

Борис Васильев
Советник гендиректора ОКБМ им. Африкантова по топливному циклу быстрых реакторов

— Основные условия — ​серийное сооружение быстрых реакторов и создание мощностей для переработки ОЯТ, в том числе ОЯТ быстрых реакторов, а также предприятий по изготовлению смешанного уран-плутониевого топлива.

Вадим Лемехов
Главный конструктор проектного направления «Прорыв» и РУ БРЕСТ-ОД‑300, НИКИЭТ

— Уверенно о двухкомпонентной ядерной энергетике с ЗЯТЦ можно говорить, когда для старта новых быстрых реакторов будет использоваться отработавшее ядерное топливо ВВЭР с малым временем выдержки, а быстрые реакторы будут работать на собственном регенерате. Это знак стабильности технологии.