Snabba neutronreaktorer är en unik utveckling av ryska forskare och framtiden för hela kärnkraftsindustrin

Den fredliga atomen är en av pelarna i världsenergin, utan vilken det moderna samhället helt enkelt är omöjligt. Trots alla fördelar med befintliga kärnkraftverk har den största bristen varit och förblir bortskaffande av använt kärnbränsle.

Det verkar som att detta problem också kommer att lösas - tack vare den unika ryska utvecklingen av en sluten kärnbränslecykel, vars implementering är möjlig i kärnreaktorer som använder snabba neutroner.

Vad är problemet med modern kärnkraft

Så den fredliga atomen har tjänat mänskligheten för att generera elektricitet över hela världen i mer än ett dussin år. Men det finns ett mycket allvarligt problem. Inte allt naturligt uran är lämpligt som bränsle för kärnreaktorer.

Uran-238 är utbredd i naturen (92 protoner, 146 neutroner) och dess andel i världens reserver är 99,3% av det totala uranet på jorden. Men det är bara inte lämpligt för kärnreaktorer som bränsle.

Endast de återstående 0,7% av världens försörjning i form av uran-235 (92 protoner, 143 neutroner) kan fungera som bränsle. Men även denna kvarvarande del av uranet kan inte helt enkelt tas och laddas i reaktorn. Det måste förberikas och andelen uran-235 i den totala massan av uran-238 ökas med cirka 700 gånger.

Det visar sig att trots de enorma världsreserverna kommer uran som verkligen är lämpligt för bränsle att räcka, enligt genomsnittliga beräkningar, bara i 50 år.

Allt är inte så dyster som det verkar vid första anblicken. Uran-238 kan fortfarande anpassas för kärnreaktorer. Det är sant att det är nödvändigt att omvandla uran-238 till plutonium-239, och denna process är endast möjlig när den utsätts för snabba neutroner.

Som det visar sig är denna omvandling inte lätt. När allt kommer omkring arbetar de flesta moderna reaktorer på "långsamma" neutroner, som avsiktligt saktar ner, eftersom uran-235 "inte vill kommunicera" med snabba neutroner. Men uran-238 är tvärtom inte inblandad i transformationsprocessen på långsamma neutroner.

Det är inte ekonomiskt genomförbart att omvandla uran-238 till plutonium-239 separat. Det är mycket effektivare att använda så kallade extra neutroner som bildas under sönderfallsreaktionen. Därför avlägsnas de i moderna reaktorer speciellt med hjälp av absorberare.

Så vi måste kombinera "skräp" uran-238 och "korrigera" uran-235 på ett ställe - en atomreaktor. Och då är det möjligt att både generera el och specifikt omvandla "onödigt" uran-238 till nytt kärnbränsle för reaktorer. Men en förutsättning för detta är det faktum att den (reaktorn) måste fungera på snabba neutroner.

Men att skapa en så fungerande snabb neutronreaktor visade sig vara ett stort problem för många ingenjörer. Och bara ryska ingenjörsvetenskapare klarade uppgiften.

Snabba neutronreaktorer, vad är deras funktion?

Så vi behöver en reaktor som körs på uran-235, och samtidigt måste vi få den att fungera på snabba neutroner. För att detta ska vara möjligt är det nödvändigt att öka densiteten hos neutronflödet avsevärt (så att uran-235 blir mer villig att interagera med snabba neutroner).

Detta innebär att ett mer anrikat bränsle måste användas, medan temperaturregimen och neutronflödena kommer att bli mycket tuffare - mer stabila material kommer att behövas.

Dessutom bör material som saktar ner neutroner undvikas. Det vill säga den klassiska versionen - vatten - är inte lämplig i det här fallet, eftersom det perfekt saktar ner neutroner.

Det var därför kvicksilver användes som kylmedel i de tidiga stadierna av utvecklingen av snabba reaktorer, men detta alternativ övergavs snabbt på grund av metallens höga toxicitet.

I nästa steg av experimenten försökte de metaller som bly, vismut och natrium.

De mest lovande materialen visade sig vara natrium och bly. Och i första steget lyckades sovjetiska ingenjörer "tämja" natrium.

Den första kommersiella, fullt fungerande snabba neutronreaktorn var den sovjetiska BN-600-reaktorn. Och redan 2015 lanserade Rosatom reaktorn BN-800 (natrium). Detta är en unik reaktor i sitt slag, som redan är anpassad för att driva plutoniumbränsle med en helt sluten avelscykel.

Vad är fördelen med snabba reaktorer

Preliminära beräkningar visar att tack vare denna teknik ökar andelen kärnbränsle som är lämplig för reaktorer kraftigt från blygsamma 0,7% till 30%.

Följaktligen kommer de effektiva reserverna av bränsle att öka ungefär 43 gånger, vilket innebär att de borde vara tillräckliga inte under cirka 50 år utan i mer än två årtusenden. Jag tror att det är skillnad även med en mycket grov beräkning.

Dessutom kan sådana reaktorer fungera fullt ut på använt kärnbränsle från "långsam" reaktorer, som lovar en lösning på miljövärldens största huvudvärk - hur man avyttrar använt kärnkraft bränsle.

Sådana reaktorer är också mycket säkrare. När allt kommer omkring använder de natrium istället för uppvärmt vatten under högt tryck. Natrium blir flytande vid 100 grader Celsius och går till kokfasen endast vid 900 grader.

Låt oss komma ihåg hur kylsystemet fungerar på "konventionella" kärnreaktorer. Där fungerar vatten under enormt tryck som kylvätska. Uppenbarligen är högt tryck en hög risk för tryckavlastning och olycka.

Det finns inga sådana problem med natrium. Eftersom kokpunkten är hög kan den hållas vid normalt tryck, vilket innebär att det inte finns någon risk för utbrott och olycka.

Även i händelse av en onormal situation kommer reaktiviteten hos natrium också att gynna säkerheten. Vid interaktion med syre och fuktånga i atmosfären kommer natrium att bindas till beständig kemikalie föreningar som kommer att förbli på stationens territorium och inte sprids runt distriktet och sprider sig radioaktivt förorening.

Ryssland ligger före resten

Trots många försök från olika länder är det bara Ryssland och särskilt Rosatom som har en fullfjädrad kommersiell version av en snabb neutronreaktor.

Trots allt lyckades inte ens fransmännen (med sin lovande utveckling av "Phoenix-reaktorn") hantera problemet med periodisk drift av skyddssystem, och de stoppade projektet 2010.

Japanerna testade också sin egen version - Monju-reaktorn, men efter en serie olyckor bestämde de sig för att ta isär den.

Indianerna ville också skapa sin egen snabba neutronreaktor, men ingenting hände.

I Ryssland utvecklas tekniken smidigt och arbete pågår redan med snabbreaktorprojektet BN-1200, där smält bly används som kylvätska. Enligt planen kommer den att vara helt operativ 2030.

Det visar sig att Ryssland är det enda landet som verkligen kan producera kärnkraft effektivt och verkligt säkert tack vare en unik design - en snabb neutronreaktor.