Уральскую АЭС переводят на отработавшее топливо. Физик-ядерщик объяснил минусы такого подхода

В Росатоме заявляют о прорыве в ядерных технологиях: реактор БН-800 Белоярской АЭС под Екатеринбургом теперь работает на «горючем», содержащем элементы отработавшего ядерного топлива (ОЯТ), то есть постепенно переходит на замкнутый ядерный топливный цикл. В теории это решает одну из самых больших проблем атомной энергетики — утилизацию огромного количества крайне опасных и невероятно долгоживущих радионуклидов. Теперь их используют для выработки энергии, что звучит как идеальный сценарий: один реактор работает на отходах другого. На Белоярской АЭС еще прошлой осенью отчитались, что реактор БН-800 год отработал на МОКС-топливе (смеси оксидов урана и плутония), а теперь готовится его экспериментальный перевод на топливо с содержанием так называемых минорных актиноидов — наиболее опасных элементов отработавшего ядерного топлива.

Ниже приводим небольшой рассказ о том, какую именно проблему пытаются решить на Белоярской АЭС, а также мнение независимого физика-ядерщика Андрея Ожаровского по поводу реалистичности такой технологии и ответ самой Белоярской АЭС. Вопрос тем интереснее, что в Челябинской области снова заговорили о проекте Южно-Уральской атомной станции, и не исключено, что речь идет о тех же реакторах на быстрых нейтронах серии БН, которые в Росатоме позиционируют как новое слово в энергетике.

Топливо для АЭС делают на основе урана путем его обогащения: если природный уран содержит в основном изотоп уран-238 и лишь 0,7% урана-235, то для атомной энергетики долю последнего поднимают до 2–5% (это называется низкообогащенный уран). При работе реактора выгорает небольшая часть урана, то есть отработавшее ядерное топливо (ОЯТ) состоит в основном из того же природного урана-238. Но к его массе примешиваются крайне опасные продукты деления урана, их дочерние продукты распада и трансурановые элементы. Часть из них имеет небольшой период полураспада и нейтрализуется сравнительно быстро — для этого ОЯТ выдерживают в приреакторных бассейнах. Но есть изотопы, которые при нашей жизни не распадутся, например, ОЯТ реакторов типа ВВЭР содержит до 1% разных изотопов плутония. Период полураспада плутония-238 — около 88 лет, плутония-239 — 24 тысячи лет, плутония-240 — почти 6,6 тысячи лет.

Это создает огромную проблему с хранением таких отходов: надежного способа их захоронения не придумано, и не факт, что это в принципе возможно (как можно планировать что-то на тысячи лет?). Помимо плутония, есть еще одна группа изотопов-долгожителей, которые называют минорные актиноиды: нептуний, америций, кюрий. Например, период полураспада америция-243 близок к 7,4 тысячи лет, а у нептуния-247 он превышает 2 миллиона лет.

Еще с советских времен физики-атомщики предлагали дожигание этих элементов в реакторах (процесс называется трансмутация), чтобы превращать их в изотопы с меньшим сроком жизни. Для этого подходят реакторы на быстрых нейтронах — два таких блока, БН-600 и БН-800, используются на Белоярской АЭС. С конца 2022 года реактор БН-800 работает на МОКС-топливе, то есть смеси оксидов урана и плутония, «утилизируя» последний (в том числе технология подходит для переработки оружейного плутония). Сейчас же реактор БН-800 готовят к работе на экспериментальном топливе с содержанием упомянутых минорных актиноидов, что, по заявлениям Росатома, должно замкнуть ядерный топливный цикл. К тому же реакторы на быстрых нейтронах могут вовлекать в реакцию природный уран-238, что увеличивает общую долю топлива, которую можно «выжечь» в реакторе. Если эксперимент удастся, реактор БН-800 сможет питаться «отработкой» других реакторов, вторично используя ОЯТ и расширяя топливную базу для атомной энергетики. Звучит заманчиво, не так ли?

Теперь слово Андрею Ожаровскому, далее — его мнение от первого лица.

Реакторы типа БН, быстрые натриевые — это довольно старая история. Первая причина, почему использование таких реакторов — это тупиковый путь: потому что это дорого. Полгода назад я ездил на слушанья в Заречный (город, где расположена Белоярская АЭС. — Прим. ред.), и прямо там подтвердили: да, наши реакторы дают электроэнергию, которая стоит дороже, чем любая другая. То есть они сами же признают, что мы экономически убыточны, и дальше начинается свистопляска про то, что всё это хорошо, прогрессивно и ново. Но чтобы понять, насколько это ново, скажу так: во Франции реакторы с натриевым теплоносителем на быстрых нейтронах под названием «Феникс» и «Суперфеникс» работали, причем второй имел мощность 1200 МВт, то есть был абсолютно нормальным промышленным энергоблоком. И реакторы такого типа были отключены французами, потому что приносили убытки. Там не случилось катастроф, но такие реакторы сложно поддерживать в стабильном состоянии, поэтому они отключались, чтобы спасти Францию и мир от нового Чернобыля. И эти отключения еще больше убивали экономику процесса. Возвращаясь к белоярскому реактору БН-800, достаточно посмотреть отчеты МАГАТЭ по коэффициенту использования установленной мощности, который у хорошего реактора должен быть 90–95%, а здесь с 2015 по 2022 год показывал 43–82% со средним показателем 66,9%. То есть почти треть времени энергоблок простаивал, электроэнергию не производил...

Что касается тезиса, что реактор работает на радиоактивных отходах — это, знаете, пересказ ядерной физики для третьеклассников. Главная проблема в том, что вы не можете взять ОЯТ из одного реактора и загрузить в другой так, чтобы это было безопасно. Грубо скажу: нельзя дерьмом одного человека накормить другого. То есть можно, если сделать сначала компост, а потом вырастить на нём кабачки. И вот об этой стадии компоста атомщики умалчивают: плутоний и минорные актиноиды нужно сначала выделить из ОЯТ на очень сложном радиохимическом производстве. А где у нас такое делают? Например, на ПО «Маяк», то есть нужно или новое предприятие такого типа, или новый завод на самом «Маяке», что и опасно, и недешево.

Если говорить про использование в реакторе БН-800 оксидного уран-плутониевого топлива (МОКС, от английского mixed oxides), то основная проблема — в его дороговизне и экологической опасности. По словам директора Белоярской АЭС Ивана Сидорова, использование МОКС-топлива позволит «сократить образование радиоактивных отходов». Но на практике это не так: при выделения из отработавшего ядерного топлива плутония, который должен пойти на производство МОКС-топлива, на комбинате «Маяк» образуются огромные объемы вторичных радиоактивных отходов. По некоторым данным, при «переработке» из тонны ОЯТ образуется 4,5 тонны высокоактивных отходов, 150 тонн жидких среднеактивных отходов и более 1000 тонн жидких низкоактивных отходов. Мы помним, что радиационная катастрофа в 1957 году произошла именно на хранилище этих опасных отходов, а жидкие радиоактивные отходы комбинат выливал в речку Теча и различные озёра (в конце 40-х и начале 50-х годов. — Прим. ред)... Так что с экологической точки зрения «переработка» ОЯТ и производство МОКС-топлива — сомнительная затея.

Вообще среди адского коктейля под названием отработавшее ядерное топливо, среди 198 радиоактивных элементов, есть несколько под названием минорные актиноиды. Они в основном долгоживущие и в таблице Менделеева расположены рядом с ураном. И была древняя мечта атомщиков каким-то образом от них избавиться, уменьшить их срок жизни, чтобы строить хранилища РАО не более чем на 300 лет. Цезий-стронций за это время распадется, и всё, проблема вроде как решена. Идея называется словом трансмутация, и всё это очень красиво на бумаге, но есть вещи, о которых принято умалчивать.

Сейчас речь идет только об эксперименте с работой реактора на топливе с примесью минорных актиноидов, а суть любого эксперимента в том, что ты не знаешь ответа — получится или нет. Результат может быть положительный или отрицательный, то есть пока Росатом выдает желаемое за действительное. Они говорят: мы сжигаем радиоактивные отходы. Нет, на самом деле они готовятся проводить эксперимент на работающем промышленном реакторе, хотя такие исследования нужно проводить на экспериментальных реакторах.

Но даже если эксперимент получится, речь идет об одном малом компоненте радиоактивных отходов, которые производит атомная энергетика. И это самое важное. Да, они планируют снизить опасность одних элементов, но они не уничтожат их, не превратят в абсолютно нерадиоактивную вещь, просто переведут в другое состояние. Трансмутация — это тупиковый путь. На данный момент нет доказательств того, что минорные актиноиды вообще следует извлекать из РАО и ОЯТ. Ведь менее опасным является их нахождение в составе ОЯТ, где основной радиационный фон создается гамма-активными продуктами деления, и они сильно разбавлены в большой массе менее радиоактивного материала.

Кроме минорных актиноидов в РАО и ОЯТ содержатся сотни других изотопов, а такие долгоживущие радионуклиды, как технеций-99 и йод-129 (с периодом полураспада 211 тыс. лет и 15,7 млн лет соответственно), даже при многократной трансмутации не могут быть на 100% переведены в короткоживущие или стабильные изотопы.

Таким образом, технология «выжигания» в реакторах или «трансмутации», если она будет разработана, даже в теории не сможет перевести все радиоактивные отходы в менее опасные формы. Конечно, научные исследования в этой области могут быть продолжены. Но следует понимать, что эксперименты на «быстрых» реакторах сами по себе увеличивают их опасность и приводят к наработке, например, нептуния-237, который, по идее, должен был «выжигаться». Возможно для трансмутации придётся строить совершенно новые ядерные реакторы или существенно модернизировать действующие БН. Например, один из проектов предполагает прокладку через активную зону реактора трубы, по которой могли бы прокачиваться подлежащие трансмутации радионуклиды. Это может привести к изменению — не в лучшую сторону — и ядерно-физических, и тепломеханических характеристик реактора.

К тому же для осуществления трансмутации в промышленных масштабах потребуется создание новых весьма дорогих и опасных радиохимических производств. Если они заработают, это приведет к многократному увеличению объемов радиоактивных отходов. Наверное, права была французская Национальная комиссия по оценке (Commission Nationale D’Evaluation), в 2005 году решившая отказаться от дальнейшего рассмотрения этой сомнительной технологии.

В сухом остатке получаем, что весь этот замкнутый ядерный топливный цикл не ведет к улучшению экономических или экологических параметров. Все финансовые вложения сейчас выносятся за скобочки. Росатом хочет, чтобы федеральная программа профинансировала строительство химического производства, и потом бы в отчетах говорилось, что мы сделали то, чего никто в мире не умеет. А никто в мире просто не хочет эксплуатировать натриевые реакторы — и в этом всё дело.

Обновлено 04.04.2024 в 16.15: публикацию прокомментировало управление коммуникаций Белоярской АЭС. В ответе, который поступил в адрес редакции 74.RU, сообщается: «Все реакторы БН до настоящего момента являлись единственными в мире, и как любое уникальное производство — дорогостоящими. Как раз следующий БН-1200М призван стать образцом для серийного строительства быстрых реакторов, по стоимости он будет сопоставим с ВВЭР. На БН-600 и БН-800 КИУМ не может достигать 90-95%, поскольку энергоблоки останавливаются на перегрузку топлива 2 раза в год. БН-1200 будет останавливаться на перегрузку 1 раз, и его КИУМ также будет сопоставим с ВВЭР. Эксперименты на работающем реакторе с минорными актинидами никто не ставит. Происходит нормальный процесс внедрения нового вида топлива с наличием актинидов в рамках получения разрешения Ростехнадзора. Трансмутация минорных актинидов не говорит о «сжигании» ОЯТ — речь идет о дожигании отработанного ядерного топлива и обеспечении его более безопасного хранения. С точки зрения воздействия на экологию это несомненный плюс. Нужно понимать, что сегодня без поступательного развития атомной энергетики невозможна энергетическая безопасность России, социально-экономическое развитие страны, снабжение промышленности и граждан».

Мы адресовали специалистам Белоярской АЭС еще ряд вопросов и опубликуем ответы отдельным материалом после получения.

Кстати, на Белоярской АЭС был крупный инцидент в новогоднюю ночь 1979 года: он едва не стал уральским Чернобылем.

Почитайте также репортаж из закрытого Озёрска, где работает крупное радиохимическое производство — ПО «Маяк». Почитайте наш отчет о вылазке с дозиметром на берега скандальной реки Теча. А вот как там живут люди.