Гонка жидкосолевых технологий: кто быстрее замкнет ядерный топливный цикл

Один из перспективных проектов по замыканию ядерного топливного цикла в России — ​жидкосолевой реактор (ЖСР). Его главная задача — ​обеспечить трансмутацию минорных актинидов, наиболее опасных и долгоживущих элементов в отработавшем ядерном топливе (ОЯТ). В разработке этой технологии российские физики — ​первопроходцы. Но и конкуренты не отстают.

Канадский прорыв

В марте стартап Moltex Energy Canada заявил об успешном испытании своей технологии превращения отработавшего уранового оксидного топлива в горючее для реактора на расплавах солей. Технологию waste to stable salt (WATSS) проверили на топливных сборках коммерческого реактора в Канаде. Эксперименты показали, что из ОЯТ извлекается 90 % трансурановых элементов. Их планируется дожигать в реакторе SSR-W (stable salt reactor — ​wasteburner).

Как сообщается в материалах компании, WATSS может перерабатывать ОЯТ легководных реакторов, включая канадские Candu, и некоторые виды топлива быстрых реакторов, например смешанное оксидное (МОКС). Трансурановые элементы выделяются в 24‑часовом химическом процессе с универсальным этапом предварительной обработки, который может применяться для «экзотического, экспериментального или усовершенствованного реакторного топлива».

Стартап намерен построить первый блок, работающий по технологии WATSS, на площадке АЭС «Пойнт-­Лепро» в провинции Нью­-Брансуик. Там же к середине 2030‑х годов планируется возвести демонстрационный реактор SSR-W мощностью 300 МВт. В отчете Moltex заявлено, что демонстрационный блок WATSS коммерческого масштаба переработает 260 тыс. топливных сборок всех действующих реакторов Candu и наработает топливо для всего 60‑летнего срока эксплуатации SSR-W. Разработка получила поддержку правительства Канады, Нью­-Брансуика и NB Power, главного электроэнергетического предприятия в регионе.

Другие разработки

Мы попросили главного научного сотрудника Института им. Бочвара Алексея Ананьева оценить разработку канадцев.

«Жидкосолевой реактор Moltex создается для трансмутации, или дожигания, долгоживущих радиоактивных отходов. Этим вопросом мы занимаемся уже шесть лет, — ​говорит эксперт. — ​Сама цепочка, которую предлагает канадский стартап, — ​повторение технологии Опытно­-демонстрационного центра, ОДЦ, который строится на Горно-химическом комбинате, ГХК. ОДЦ будет перерабатывать топливо реакторов ВВЭР, выделять актинидную фракцию и проводить ее трансмутацию в жидкосолевом реакторе. Канадцы провели только первую серию экспериментов, в то время как российская разработка уже готовится к выходу на промышленную мощность. Обо всем, что касается вопросов трансмутации актинидной фракции, мы можем судить только по информации на сайте. Мы не знаем ни состава топливной соли, ни параметров реактора, в котором они собираются проводить трансмутацию. Возможно, эти данные появятся в июле, на семинаре Международного агентства по атомной энергии в Вене».

Специалисты Института им. Бочвара следят еще за минимум девятью компаниями и стартапами, которые реализуют собственные подходы к замыканию ядерного топливного цикла. «Большинство разработок в сфере жидкосолевых реакторов направлены либо на создание энергетических установок, либо на переработку тория в уран‑233, это так называемые бридеры, реакторы-размножители», — ​поясняет Алексей Ананьев.

Пример первого подхода — ​датский стартап Seaborg Technologies: серия небольших энергетических реакторов для размещения на баржах. По сути, это уменьшенный аналог нашей ПАТЭС. Предполагается, что топливом будет смесь фторидов натрия и лития с высоким содержанием кислорода.

Пример второго подхода — ​американские разработки, в первую очередь реактор Hermes компании Kairos Power. Его отличительные черты — ​жидкий солевой хладагент flibe (смесь фторидов лития и бериллия), высокий уровень безопасности и низкое рабочее давление. На Hermes протестируют конструкцию, цепочку поставок и методы строительства, чтобы подготовить почву для коммерческого реактора KP-FHR мощностью 140 МВт.

Китайский экспериментальный реактор TMSR-LF1 мощностью 2 МВт в городе Увэй провинции Ганьсу будет работать на тории. Расплав солей используется в качестве теплоносителя, что упрощает конструкцию реактора и позволяет более эффективно управлять тепловым потоком. Уже продемонстрирована возможность перезагрузки топлива без остановки реактора.

Российский дожигатель

Принципиально иной подход реализован в нашем ЖСР. Его цель — ​не получать коммерческую энергию, а решить проблему минорных актинидов. Делящийся материал в форме трифторида плутония с добавками фторидов минорных актинидов растворяют в расплаве солей на основе фторидов бериллия и лития. В Институте им. Бочвара созданы исследовательские установки для получения фторидов трансурановых элементов и отработки технологии переработки ОЯТ. Технологию получения трифторида плутония и трифторида нептуния ученые уже проверили, на очереди трифторид америция.

«Главное преимущество нашего проекта в том, что мы впервые поставили во главу угла задачу замыкания ядерного топливного цикла по минорным актинидам, — ​отмечает Алексей Ананьев. — ​Цель — ​приблизиться к так называемой радиационной эквивалентности обращения с радиоактивными отходами. Если мы удалим минорные актиниды с периодом полураспада от 415 лет для америция до почти миллиона лет для нептуния, уже не нужно будет заботиться об их дорогостоящем подземном захоронении. Они пройдут процесс трансмутации в ЖСР и превратятся в радионуклиды с периодом полураспада от 30 до 50 лет — ​главным образом стронций, цезий и элементы семейства лантанидов. Обеспечить их контролируемое приповерхностное хранение уже не составит большого труда».

К 2030 году в Институте им. Бочвара планируют подготовить первую партию ядерного топлива для ЖСР. Изготавливать его будут на ГХК, там для этого создается комплекс подготовки исходного топлива. Физический пуск ЖСР намечен на 2031 год.

«В стратегической перспективе мы хотим построить ЖСР большой мощности, который будет дожигать минорные актиниды из топлива всех российских реакторов ВВЭР. Установка будет на площадке ГХК, где уже пустят завод РТ‑2 по переработке ОЯТ реакторов ВВЭР с выделением актинидов, которые затем будут направляться в ЖСР», — ​говорит Алексей Ананьев.