Редкомонопольный элемент
Этой осенью в ядерном наукограде России в Северске изготовили и собрали первые экспериментальные сборки на нитридном, или уран-плутониевом, топливе ТВС-4 и ТВС-5. Сибирским учёным остался шаг до прорыва.
Большую часть истории этого города не было на картах страны – он носил название Томск-7 и был засекречен. Главная местная достопримечательность – памятник Ленину, самый большой в Сибири и один из крупнейших в стране, но увидеть его воочию могут не все, Северск попрежнему закрыт. Градообразующее предприятие Северска – Сибирский химический комбинат, более 60 лет СХК работает на благо обороны страны и атомной энергетики. На территории комбината в 1958 году была запущена первая в стране промышленная атомная электростанция – Сибирская АЭС.
С 2011 года именно на СХК Росатом реализует один из своих самых амбициозных проектов «Прорыв». До 2020 года на него планируется направить 100 млрд рублей. Основные его цели – разработка реакторов четвёртого поколения большой мощности на быстрых нейтронах, создание технологии замкнутого ядерного цикла, новые виды ядерного топлива.
…это топливо осуществляет мечту человечества в замкнутом топливном цикле
Нынешнее поколение реакторов 3 и 3+ не работает замкнутым циклом, то есть топливо отрабатывается, а затем оно хранится. Существует частично замкнутый цикл, когда после выгрузки топливо перерабатывают, но не полностью – значительная часть поступает в хранилище радиоактивных отходов. «Прорыв» должен открыть технологию будущего – замкнутый цикл: изготовление топлива, получение энергии, переработка и снова загрузка в реактор.
Замкнутый цикл, что важно, будет пристанционным, то есть для переработки топлива его не нужно будет перевозить. В целом, «Прорыв» должен решить несколько важнейших для атомной отрасли задач.
По словам доктора технических наук, профессора, председателя технического комитета проекта «Прорыв» Евгения Адамова, «это безопасность, которая не приводит к таким авариям, которые требуют эвакуации и тем более отселения населения, это использование всего потенциала сырья, а не только урана-235, это окончательное неотложное решение проблем ОЯТ.
Какой радиоактивной земля была, такой она и должна остаться, мы будем возвращать в неё столько же радиоактивности, сколько забрали».
Нитридное топливо и реакторы четвёртого поколения
Согласно «Прорыву» в Северске планируется построить целый ряд объектов атомной энергетики. Первым опытно-демонстрационным реактором нового поколения станет «Брест» (быстрый реактор естественной безопасности) мощностью 300 МВт. Его естественная безопасность отражает свойства реактора заглушать себя при отклонении любых параметров.
На Сибирском химкомбинате уже запущена технологическая цепочка по созданию новейшего нитридного топлива, первые сборки предназначены для загрузки в реактор БН-600 на Белоярской атомной станции. Учёные и энергетики посмотрят, как они проявят себя в действии, исходя из этого, будет принято решение о целесообразности использования нитридного топлива в реакторах 4-го поколения.
Дмитрий Зозуля, руководитель проекта по созданию промышленного производства плотного топлива: «Две полноценные сборки, наполнение нитридным топливом: ТВС-4 прототип топливной сборки реактора БН-1200 и ТВС-5 – это прототип реактора «Брест». Это топливо осуществляет мечту человечества о замкнутом топливном цикле при переработке отработавшего топлива, есть необходимость добавки только 238 урана, количество плутония в нём остаётся практически тем же по отношению к первичной загрузке.»
По сути, нитридное, или уранплутониевое, топливо очень похоже на оксидное топливо для тепловых реакторов. Таблетки плотно уложены в твэлы, твэлы собраны в сборке, но на этом, пожалуй, сходство заканчивается. Производство нитридного топлива технологически сложнее – процесс происходит при более высоких температурах. С точки зрения физики нитридное топливо лучше оксидного: оксидное жёсткое, но хрупкое, трескается, распухает под действием нейтронов, а нитридное – более крепкое, поэтому и называется плотным, оно более устойчиво к механическим дефектам, не распухает, не лопается, не давит на оболочку твэла. За счёт лучшей теплопроводности нитридное топливо легче переносит температурные режимы, это даёт возможность повысить ресурс эксплуатации таких сборок, а значит, делает их более выгодными с точки зрения экономики.
Россия возрождает производство бериллия
Сохранить радиационное равновесие Земли, сделать ядерную энергетику фактически безотходной, а значит «зелёной», – решение таких амбициозных, глобальных задач за «Прорывом», уверены российские атомщики. «Прорыв», как и планировалось, заметно активизировал деятельность научных институтов, некоторые направления идут параллельно с этим масштабным проектом на Сибирском химическом комбинате, например, сейчас плотно занимаются технологией промышленного производства бериллия. Этот редкоземельный металл используется в реакторах ВВЭР, он будет полезен и для реакторов четвёртого поколения, например БН-1200, c точки зрения безопасности. Сейчас бериллий закупается за рубежом, основные продавцы – США, Китай и Казахстан, в России производство этого редкоземельного металла отсутствует, зато есть уникальное Ермаковское бериллиевое месторождение в Бурятии.
Илья Охтырский, генеральный директор ООО «Корпорация «Металлы Восточной Сибири»: «По сравнению со средним мировым содержанием 0,4% в рудах Ермаковского месторождения оксида бериллия 1,2–1,3%. Запасы уникального Ермаковского месторождения покроют мировые потребности атомной энергетики в бериллии на 10–15-летний период.
На сегодняшний день запас этого редкого металла в России в 27 разведанных месторождениях составляет порядка 20% мировых запасов. Руда Ермаковского месторождения сильно отличается от всех других, она близка по своему содержанию бериллия к концентратам, то есть продуктам переработки.
Стоимость бериллия варьируется в зависимости от его чистоты от одной до нескольких тысяч долларов за килограмм. Бериллий вдвое дороже серебра, но уступает золоту.
Без бериллия никуда, зачем нужен этот редкий металл?
В Периодической системе Менделеева бериллий занимает главную подгруппу второй группы второго периода и имеет атомное число 4. Одним из самых примечательных свойств этого металла является его лёгкость. Именно благодаря своей лёгкости бериллий активно используется в авиастроении, а также в конструкциях космических кораблей – это позволяет экономить дорогостоящее топливо для ракет и снижать стоимость космических запусков.
Но есть и другие особые механические и физические свойства бериллия. Бериллий применяется для изготовления окон рентгеновской аппаратуры, поскольку его поглощение излучения фактически ничтожно.
В высокотехнологическом научно-исследовательском институте неорганических материалов имени Бочвара для этих целей освоили производство нанокристаллического бериллия и нанофольги. Подобной продукции в мире не существует.
К тому же этот металл – прекрасный отражатель и замедлитель нейтронов, это его свойство активно используют в ядерной физике. Например, внутренняя оболочка международного экспе-
риментального термоядерного реактора ИТЭР состоит из бериллиевых и вольфрамовых пластин, они сохраняют свои свойства при высоких температурах и обладают значительной радиационной стойкостью.
Но это ещё не всё, добавление бериллия в другие металлы даже в небольших количествах значительно повышает их прочность и износостойкость. Бериллий – стратегический металл, именно поэтому зависимость в бериллии от других стран крайне нежелательна.
«Всё производство бериллия держат Соединённые Штаты либо Китай, – поясняет Валентин Иванов, генеральный директор ОАО «ВНИИНМ» имени А. А. Бочвара. – С Китаем у нас особые отношения, но это не означает, что они по нашему запросу выложат необходимое количество и качество бериллия. А что касается Соединённых Штатов – так они попросту прекратят поставки, если захотят».
Кстати, именно в Сибирском химическом комбинате планируется развернуть производство бериллия по новой технологии, разработанной в Томском политехническом университете. Лаборатории вуза опробовали способ, который позволяет извлекать бериллий по упрощенной схеме, в одном из помещений был оборудован небольшой цех, который доказал успешность данного изобретения.
Александр Дьяченко, проректор по научной работе и инновациям Томского политехнического университета, рассказал, что российские учёные планируют как минимум в два раза снизить себестоимость производства бериллия. Это возможно только с помощью современных наукоемких технологий. Сейчас в мире весь бериллий производится по технологиям, разработанным в 50-е годы, экономика тогда была другая, стоимость используемых реагентов и электричества совершенно не коррелирует с сегодняшними ценами.
Специалисты Сибирского химического комбината провели необходимые исследования и подтвердили эффективность технологии томских учёных, их разработки были признаны перспективными и пригодными для промышленного производства бериллия.
«В данной технологии используются дешёвые реагенты, которые есть в отечественной промышленности, – пояснил Павел Смолкин, начальник технологической лаборатории Сибирского химического комбината. – Отходов образуется очень мало. А самое главное – простота технологического процесса по сравнению с действующими технологиями, которые существуют в мировой промышленности.»
Специалисты подсчитали, что вскоре после запуска промышленного производства бериллия наша страна сможет не только освободиться от необходимости закупать его за рубежом, но в перспективе сможет потеснить позиции иностранных монополистов на рынке редких и стратегически важных металлов.
