rumah » Sepatu musim gugur » Bahan bakar nuklir bekas dari reaktor termal. Reaktor neutron cepat dan perannya dalam pengembangan energi nuklir “besar”.

Bahan bakar nuklir bekas dari reaktor termal. Reaktor neutron cepat dan perannya dalam pengembangan energi nuklir “besar”.

25 Desember 2013

Tahap permulaan fisik reaktor neutron cepat BN-800 dimulai hari ini di PLTN Beloyarsk, kata perwakilan Rosenergoatom kepada RIA Novosti.

Selama tahap ini, yang bisa berlangsung beberapa minggu, reaktor akan diisi dengan natrium cair dan kemudian bahan bakar nuklir akan dimasukkan ke dalamnya. Perwakilan Rosenergoatom menjelaskan bahwa setelah permulaan fisik selesai, unit daya akan diakui sebagai instalasi nuklir.

Unit pembangkit listrik No.4 dengan reaktor BN-800 dari Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir Beloyarsk (BNPP) akan mencapai kapasitas penuh pada akhir tahun 2014, kata Wakil Direktur Jenderal Pertama perusahaan negara Rosatom Alexander Lokshin kepada wartawan pada hari Rabu.

“Unit tersebut harus mencapai kapasitas penuh pada akhir tahun ini,” katanya sambil menambahkan bahwa yang sedang kita bicarakan sekitar akhir tahun 2014.

Menurutnya, saat ini waktu berjalan mengisi sirkuit dengan natrium; penyelesaian peluncuran fisik direncanakan pada pertengahan April. Menurutnya, unit daya sudah 99,8% siap untuk dinyalakan secara fisik. Sebagaimana dicatat oleh Direktur Jenderal OJSC Rosenergoatom Concern, Evgeny Romanov, fasilitas tersebut dijadwalkan mulai menyala pada akhir musim panas.

Unit daya dengan reaktor BN-800 merupakan pengembangan dari reaktor unik BN-600 di PLTN Beloyarsk yang telah beroperasi percontohan selama kurang lebih 30 tahun. Sangat sedikit negara di dunia yang memiliki teknologi reaktor neutron cepat, dan Rusia adalah pemimpin dunia dalam bidang ini.

Mari kita cari tahu lebih lanjut tentangnya...

Aula reaktor (tengah) BN-600

40 km dari Yekaterinburg, di tengah hutan Ural yang paling indah, adalah kota Zarechny. Pada tahun 1964, pembangkit listrik tenaga nuklir industri pertama Soviet, Beloyarskaya (dengan reaktor AMB-100 berkapasitas 100 MW), diluncurkan di sini. Sekarang PLTN Beloyarsk tetap menjadi satu-satunya di dunia yang mengoperasikan reaktor tenaga neutron cepat industri - BN-600

Bayangkan sebuah ketel uap yang menguapkan air, dan uap yang dihasilkan memutar generator turbo yang menghasilkan listrik. Sesuatu seperti ini di garis besar umum dan pembangkit listrik tenaga nuklir dibangun. Hanya “boiler” yang merupakan energi peluruhan atom. Desain reaktor daya bisa berbeda-beda, tetapi menurut prinsip operasinya, reaktor tersebut dapat dibagi menjadi dua kelompok - reaktor neutron termal dan reaktor neutron cepat.

Bahan bakar untuk reaktor termal biasanya berupa uranium yang diperkaya rendah, grafit, air ringan atau berat digunakan sebagai moderator, dan pendinginnya adalah air biasa. Sebagian besar pembangkit listrik tenaga nuklir yang beroperasi dibangun berdasarkan salah satu skema berikut.

Neutron cepat yang dihasilkan dari fisi nuklir paksa dapat digunakan tanpa moderasi apa pun. Skemanya adalah sebagai berikut: neutron cepat yang dihasilkan selama fisi inti uranium-235 atau plutonium-239 diserap oleh uranium-238 untuk membentuk (setelah dua peluruhan beta) plutonium-239. Selain itu, untuk setiap 100 inti uranium-235 atau plutonium-239 yang difisi, terbentuk 120–140 inti plutonium-239. Benar, karena kemungkinan fisi nuklir oleh neutron cepat lebih kecil dibandingkan dengan neutron termal, bahan bakar harus diperkaya lebih besar daripada reaktor termal. Selain itu, tidak mungkin menghilangkan panas menggunakan air di sini (air adalah moderator), jadi Anda harus menggunakan pendingin lain: biasanya ini logam cair dan paduannya, dari varian yang sangat eksotik seperti merkuri (pendingin seperti itu digunakan di reaktor eksperimental Amerika pertama Clementine) atau paduan timbal-bismut (digunakan di beberapa reaktor kapal selam - khususnya, perahu Soviet proyek 705) menjadi natrium cair (pilihan paling umum dalam reaktor tenaga industri). Reaktor yang beroperasi menurut skema ini disebut reaktor neutron cepat. Ide reaktor semacam itu dikemukakan pada tahun 1942 oleh Enrico Fermi. Tentu saja, militer menunjukkan minat yang paling besar terhadap skema ini: reaktor cepat selama operasi tidak hanya menghasilkan energi, tetapi juga plutonium untuk senjata nuklir. Oleh karena itu, reaktor neutron cepat disebut juga breeder (dari bahasa Inggris breeder – producer).

Zigzag sejarah

Menariknya, sejarah energi nuklir dunia justru dimulai dengan reaktor neutron cepat. Pada tanggal 20 Desember 1951, reaktor tenaga neutron cepat pertama di dunia, EBR-I (Experimental Breeder Reactor), dengan daya listrik hanya 0,2 MW, diluncurkan di Idaho. Kemudian, pada tahun 1963, pembangkit listrik tenaga nuklir dengan reaktor neutron cepat Fermi diluncurkan di dekat Detroit - sudah berkapasitas sekitar 100 MW (pada tahun 1966 terjadi kecelakaan serius dengan mencairnya sebagian inti, tetapi tanpa konsekuensi apa pun bagi lingkungan atau manusia).

Di Uni Soviet, sejak akhir 1940-an, Alexander Leypunsky telah mengerjakan topik ini, di bawah kepemimpinannya dasar-dasar teori reaktor cepat dikembangkan di Institut Fisika dan Energi Obninsk (FEI) dan beberapa tempat percobaan dibangun, yaitu memungkinkan untuk mempelajari fisika proses. Sebagai hasil penelitian, pada tahun 1972, pembangkit listrik tenaga nuklir neutron cepat Soviet pertama mulai beroperasi di kota Shevchenko (sekarang Aktau, Kazakhstan) dengan reaktor BN-350 (awalnya disebut BN-250). Ini tidak hanya menghasilkan listrik, tetapi juga menggunakan panas untuk desalinasi air. Segera pembangkit listrik tenaga nuklir Prancis dengan reaktor cepat Phenix (1973) dan pembangkit listrik Inggris dengan PFR (1974), keduanya berkapasitas 250 MW, diluncurkan.

Namun, pada tahun 1970an, reaktor neutron termal mulai mendominasi industri tenaga nuklir. Hal ini disebabkan oleh berbagai alasan. Misalnya saja reaktor cepat dapat menghasilkan plutonium yang berarti dapat mengakibatkan pelanggaran undang-undang non-proliferasi senjata nuklir. Namun, kemungkinan besar faktor utamanya adalah reaktor termal lebih sederhana dan murah, desainnya dikembangkan pada reaktor militer untuk kapal selam, dan harga uranium sendiri sangat murah. Reaktor tenaga neutron cepat industri yang mulai beroperasi di seluruh dunia setelah tahun 1980 dapat dihitung dengan jari satu tangan: ini adalah Superphenix (Prancis, 1985–1997), Monju (Jepang, 1994–1995) dan BN-600 (Beloyarsk NPP, 1980), yang saat ini merupakan satu-satunya reaktor tenaga industri yang beroperasi di dunia.

Konstruksi BN-800

Mereka kembali

Namun saat ini perhatian para ahli dan masyarakat kembali tertuju pada pembangkit listrik tenaga nuklir dengan reaktor neutron cepat. Menurut perkiraan yang dibuat oleh Badan Energi Atom Internasional (IAEA) pada tahun 2005, total cadangan terbukti uranium, yang biaya ekstraksinya tidak melebihi $130 per kilogram, adalah sekitar 4,7 juta ton. Menurut perkiraan IAEA, cadangan ini akan bertahan selama 85 tahun (berdasarkan permintaan uranium untuk produksi listrik pada tingkat tahun 2004). Kandungan isotop 235 yang “dibakar” di reaktor termal pada uranium alam hanya 0,72%, sisanya uranium-238, “tidak berguna” untuk reaktor termal. Namun, jika kita beralih menggunakan reaktor neutron cepat yang mampu “membakar” uranium-238, cadangan yang sama akan bertahan lebih dari 2500 tahun!

Selain itu, reaktor neutron cepat memungkinkan penerapan siklus bahan bakar tertutup (saat ini tidak diterapkan pada BN-600). Karena hanya uranium-238 yang “dibakar”, setelah pemrosesan (menghilangkan produk fisi dan menambahkan porsi baru uranium-238), bahan bakar dapat dimasukkan kembali ke dalam reaktor. Dan karena siklus uranium-plutonium menghasilkan lebih banyak plutonium daripada peluruhannya, kelebihan bahan bakar dapat digunakan untuk reaktor baru.

Selain itu, metode ini dapat digunakan untuk memproses kelebihan plutonium tingkat senjata, serta plutonium dan aktinida minor (neptunium, americium, curium) yang diekstraksi dari bahan bakar bekas reaktor termal konvensional (aktinida minor saat ini merupakan bagian yang sangat berbahaya. sampah radioaktif). Pada saat yang sama, jumlah limbah radioaktif dibandingkan dengan reaktor termal berkurang lebih dari dua puluh kali lipat.

Halus hanya di atas kertas

Mengapa, terlepas dari semua kelebihannya, reaktor neutron cepat tidak tersebar luas? Hal ini terutama disebabkan oleh kekhasan desain mereka. Seperti disebutkan di atas, air tidak dapat digunakan sebagai pendingin, karena merupakan moderator neutron. Oleh karena itu, reaktor cepat terutama menggunakan logam cair - dari paduan timbal-bismut eksotis hingga natrium cair (pilihan paling umum untuk pembangkit listrik tenaga nuklir).

“Dalam reaktor neutron cepat, beban termal dan radiasi jauh lebih tinggi dibandingkan reaktor termal,” jelas Mikhail Bakanov, chief engineer PLTN Beloyarsk, kepada PM. “Hal ini menyebabkan perlunya penggunaan material struktur khusus untuk bejana reaktor dan sistem dalam reaktor. Rumah batang bahan bakar dan rakitan bahan bakar tidak terbuat dari paduan zirkonium, seperti pada reaktor termal, namun dari baja paduan kromium khusus, yang kurang rentan terhadap 'pembengkakan' radiasi. Di sisi lain, misalnya, bejana reaktor tidak terkena beban yang terkait dengan tekanan internal – hanya sedikit lebih tinggi dari tekanan atmosfer.”

Menurut Mikhail Bakanov, pada tahun-tahun pertama pengoperasiannya, kesulitan utama terkait dengan pembengkakan radiasi dan keretakan bahan bakar. Namun masalah-masalah ini segera teratasi, material baru dikembangkan - baik untuk bahan bakar maupun untuk rumah batang bahan bakar. Namun hingga saat ini, kampanye tidak dibatasi oleh habisnya bahan bakar (yang pada BN-600 mencapai 11%), namun oleh masa pakai bahan yang digunakan untuk membuat bahan bakar, batang bahan bakar, dan rakitan bahan bakar. Masalah operasional lebih lanjut terutama terkait dengan kebocoran natrium di sirkuit sekunder, logam yang aktif secara kimia dan berbahaya bagi kebakaran yang bereaksi keras jika bersentuhan dengan udara dan air: “Hanya Rusia dan Prancis yang memiliki pengalaman jangka panjang dalam mengoperasikan reaktor tenaga neutron cepat industri . Baik kami maupun para spesialis Perancis menghadapi masalah yang sama sejak awal. Kami berhasil menyelesaikannya, setelah meramalkannya sejak awal sarana khusus memantau ketatnya sirkuit, melokalisasi dan menekan kebocoran natrium. Namun proyek Perancis ternyata kurang siap menghadapi masalah seperti itu; akibatnya, reaktor Phenix akhirnya ditutup pada tahun 2009.”

“Masalahnya sebenarnya sama,” tambah Nikolai Oshkanov, direktur PLTN Beloyarsk, “tetapi masalah tersebut diselesaikan di sini dan di Prancis. cara yang berbeda. Misalnya saja saat Phenix dibengkokkan bagian kepala Salah satu majelis, untuk menangkap dan membongkarnya, spesialis Perancis mengembangkan sistem 'penglihatan' yang rumit dan agak mahal melalui lapisan natrium. Dan ketika masalah yang sama muncul pada kami, salah satu teknisi kami menyarankan untuk menggunakan kamera video yang ditempatkan dalam struktur sederhana seperti bel selam - pipa terbuka di bagian bawah dengan argon yang ditiup dari atas. Setelah lelehan natrium dikeluarkan, operator melalui tautan video dapat memposisikan cengkeraman mekanisme dan rakitan yang bengkok berhasil dilepas.”

Masa depan yang cepat

“Tidak akan ada minat terhadap teknologi reaktor cepat di dunia jika bukan karena keberhasilan pengoperasian BN-600 kami dalam jangka panjang,” kata Nikolai Oshkanov. “Perkembangan energi nuklir, menurut pendapat saya, terutama terkait dengan dengan produksi serial dan pengoperasian reaktor cepat. Hanya mereka yang memungkinkan untuk melibatkan seluruh uranium alami dalam siklus bahan bakar dan dengan demikian meningkatkan efisiensi, serta mengurangi jumlah limbah radioaktif hingga puluhan kali lipat. Dalam hal ini, masa depan energi nuklir akan sangat cerah.”

Reaktor neutron cepat BN-800 (bagian vertikal)
Apa yang ada di dalam dirinya

Zona aktif reaktor neutron cepat tersusun seperti bawang, berlapis-lapis

370 unit bahan bakar membentuk tiga zona dengan pengayaan uranium-235 yang berbeda - 17, 21 dan 26% (awalnya hanya ada dua zona, tetapi untuk menyamakan pelepasan energi dibuat tiga zona). Mereka dikelilingi oleh layar samping (selimut), atau zona perkembangbiakan, di mana terdapat kumpulan yang mengandung uranium yang sudah habis atau alami, yang sebagian besar terdiri dari isotop 238. Di ujung batang bahan bakar di atas dan di bawah inti juga terdapat tablet yang sudah habis. uranium, yang membentuk layar akhir (zona reproduksi).

Rakitan bahan bakar (FA) adalah seperangkat elemen bahan bakar yang dirakit dalam satu wadah - tabung baja khusus yang diisi dengan pelet uranium oksida dengan berbagai pengayaan. Untuk memastikan bahwa elemen bahan bakar tidak bersentuhan satu sama lain, dan cairan pendingin dapat bersirkulasi di antara elemen tersebut, kawat tipis dililitkan pada tabung. Natrium memasuki unit bahan bakar melalui lubang pelambatan bawah dan keluar melalui jendela di bagian atas.

Di bagian bawah rakitan bahan bakar terdapat betis yang dimasukkan ke dalam soket komutator, di bagian atas terdapat bagian kepala, yang digunakan untuk mencengkeram rakitan saat kelebihan beban. Rakitan bahan bakar dengan pengayaan berbeda memiliki lokasi pemasangan yang berbeda, sehingga tidak mungkin memasang rakitan di tempat yang salah.

Untuk mengendalikan reaktor, digunakan 19 batang kompensasi yang mengandung boron (penyerap neutron) untuk mengkompensasi pembakaran bahan bakar, 2 batang kendali otomatis (untuk mempertahankan daya tertentu), dan 6 batang pelindung aktif. Karena latar belakang neutron uranium rendah, untuk menyalakan reaktor secara terkendali (dan mengendalikan pada tingkat daya rendah) digunakan “iluminasi” – sumber fotoneutron (pemancar gamma ditambah berilium).

Cara kerja reaktor BN-600

Reaktor mempunyai tata letak integral, yaitu bejana reaktor berisi zona aktif (1), serta tiga loop (2) dari sirkuit pendingin pertama, yang masing-masing memiliki saluran utama sendiri. pompa sirkulasi(3) dan dua penukar panas perantara (4). Pendinginnya adalah natrium cair, yang dipompa melalui inti dari bawah ke atas dan dipanaskan dari 370 hingga 550°C

Melewati penukar panas perantara, ia mentransfer panas ke natrium di sirkuit kedua (5), yang sudah memasuki generator uap (6), di mana ia menguapkan air dan memanaskan uap hingga suhu 520 ° C (pada tekanan 130 ATM). Uap dialirkan ke turbin secara bergantian ke dalam silinder bertekanan tinggi (7), sedang (8) dan rendah (9). Uap buangan dikondensasikan dengan cara didinginkan dengan air (10) dari kolam pendingin dan kembali masuk ke pembangkit uap. Tiga turbogenerator (11) PLTN Beloyarsk menghasilkan tenaga listrik 600 MW. Rongga gas reaktor diisi dengan argon pada tekanan berlebih yang sangat rendah (sekitar 0,3 atm).

Membebani secara membabi buta

Proses reload satu rakitan memakan waktu hingga satu jam, reload sepertiga inti (sekitar 120 rakitan bahan bakar) memakan waktu sekitar satu minggu (dalam tiga shift), prosedur ini dilakukan setiap kampanye mikro (160 hari efektif, dihitung penuh kekuatan). Benar, sekarang pembakaran bahan bakar telah meningkat, dan hanya seperempat inti yang kelebihan beban (sekitar 90 unit bahan bakar). Dalam hal ini, operator tidak memiliki umpan balik visual langsung dan hanya dipandu oleh indikator sensor sudut rotasi kolom dan gripper (akurasi posisi kurang dari 0,01 derajat), gaya ekstraksi dan pemasangan. Untuk alasan keamanan, pembatasan tertentu diberlakukan pada pengoperasian mekanisme: misalnya, dua sel yang berdekatan tidak dapat dilepaskan secara bersamaan; selain itu, ketika kelebihan beban, semua batang kendali dan pelindung harus berada di zona aktif.

Pada tahun 1983, berdasarkan BN-600, perusahaan mengembangkan proyek peningkatan reaktor BN-800 untuk unit daya dengan kapasitas 880 MW(e). Pada tahun 1984, pekerjaan dimulai pada pembangunan dua reaktor BN-800 di pembangkit listrik tenaga nuklir Beloyarsk dan Ural Selatan yang baru. Penundaan berikutnya dalam pembangunan reaktor ini digunakan untuk menyempurnakan desain guna lebih meningkatkan keselamatannya dan meningkatkan indikator teknis dan ekonomi. Pekerjaan pembangunan BN-800 dilanjutkan pada tahun 2006 di PLTN Beloyarsk (unit daya ke-4) dan harus selesai pada tahun 2014.

Reaktor BN-800 yang sedang dibangun mempunyai tugas penting sebagai berikut:

Memastikan pengoperasian pada bahan bakar MOX.
Demonstrasi eksperimental komponen kunci tertutup siklus bahan bakar.
Pengujian dalam kondisi operasi nyata dari jenis peralatan baru dan ditingkatkan solusi teknis diperkenalkan untuk meningkatkan efisiensi, keandalan, dan keamanan.
Pengembangan teknologi inovatif untuk reaktor neutron cepat masa depan dengan pendingin logam cair:
- pengujian dan sertifikasi bahan bakar dan material struktural tingkat lanjut;
- demonstrasi teknologi pembakaran aktinida kecil dan transmutasi produk fisi berumur panjang, yang merupakan bagian paling berbahaya dari limbah radioaktif dari energi nuklir.

Pengembangan proyek peningkatan reaktor komersial BN-1200 dengan kapasitas 1220 MW sedang berlangsung.

Reaktor BN-1200 (bagian vertikal)

Program berikut untuk pelaksanaan proyek ini direncanakan:

2010...2016 – pengembangan desain teknis instalasi reaktor dan implementasi program penelitian dan pengembangan.
2020 – commissioning unit daya utama menggunakan bahan bakar MOX dan pengaturan produksi terpusat.
2023…2030 – commissioning serangkaian unit pembangkit listrik dengan total kapasitas sekitar 11 GW.

Energi nuklir selalu mendapat perhatian lebih karena potensinya. Di dunia, sekitar dua puluh persen listrik diperoleh dengan menggunakan reaktor nuklir, dan masuk negara maju Angka produksi energi nuklir ini bahkan lebih tinggi lagi - lebih dari sepertiga total listrik. Namun jenis reaktor utama tetaplah reaktor termal, seperti LWR dan VVER. Para ilmuwan percaya bahwa salah satu masalah utama reaktor ini dalam waktu dekat adalah kekurangan pasokan bahan bakar alami, uranium, isotopnya 238, diperlukan untuk reaksi berantai divisi. Berdasarkan kemungkinan menipisnya sumber daya bahan bakar alami untuk reaktor termal, pengembangan energi nuklir dibatasi. Penggunaan reaktor nuklir yang menggunakan neutron cepat, yang memungkinkan reproduksi bahan bakar, dianggap lebih menjanjikan.

Sejarah perkembangan

Berdasarkan program Kementerian Industri Atom Federasi Rusia pada awal abad ini, tugas ditetapkan untuk menciptakan dan memastikan pengoperasian kompleks energi nuklir yang aman, pembangkit listrik tenaga nuklir jenis baru yang dimodernisasi. Salah satu fasilitas tersebut adalah pembangkit listrik tenaga nuklir Beloyarsk yang terletak 50 kilometer dekat Sverdlovsk (Ekaterinburg), keputusan untuk membuatnya dibuat pada tahun 1957, dan pada tahun 1964 unit pertama dioperasikan.

Dua bloknya mengoperasikan reaktor nuklir termal, yang pada tahun 80-90an abad lalu telah kehabisan sumber dayanya. Pada blok ketiga, reaktor neutron cepat BN-600 diuji pertama kali di dunia. Selama pekerjaannya, hasil yang direncanakan oleh para pengembang diperoleh. Keamanan prosesnya juga sangat baik. Selama masa proyek yang berakhir pada tahun 2010, tidak terjadi pelanggaran atau penyimpangan yang serius. Masa jabatan terakhirnya akan berakhir pada tahun 2025. Dapat dikatakan bahwa reaktor nuklir neutron cepat, termasuk BN-600 dan penerusnya, BN-800, memiliki masa depan yang cerah.

Peluncuran BN-800 baru

Ilmuwan OKBM Afrikantov dari Gorky (saat ini Nizhny Novgorod) menyiapkan proyek untuk unit daya keempat PLTN Beloyarsk pada tahun 1983. Karena kecelakaan yang terjadi di Chernobyl pada tahun 1987 dan penerapan standar keselamatan baru pada tahun 1993, pekerjaan dihentikan dan peluncuran ditunda hingga waktu yang tidak terbatas. Baru pada tahun 1997, setelah mendapat izin pembangunan unit No. 4 dengan reaktor BN-800 berkapasitas 880 MW dari Gosatomnadzor, proses dilanjutkan kembali.

Pada tanggal 25 Desember 2013, pemanasan reaktor dimulai untuk masuknya cairan pendingin lebih lanjut. Pada bulan Juni tanggal empat belas, sesuai rencana, terjadi massa yang cukup untuk melakukan reaksi berantai minimal. Kemudian segalanya terhenti. Bahan bakar MOX, yang terdiri dari oksida fisil uranium dan plutonium, serupa dengan yang digunakan di Unit 3, belum siap. Inilah yang ingin digunakan para pengembang dalam reaktor baru. Saya harus menggabungkan dan mencari opsi baru. Akibatnya, agar tidak menunda peluncuran unit tenaga tersebut, mereka memutuskan untuk menggunakan bahan bakar uranium di sebagian perakitannya. Peluncuran reaktor nuklir BN-800 dan unit No. 4 berlangsung pada 10 Desember 2015.

Deskripsi proses

Selama pengoperasian reaktor dengan neutron cepat, unsur-unsur sekunder terbentuk sebagai hasil reaksi fisi, yang bila diserap oleh massa uranium, membentuk unsur-unsur baru yang tercipta. bahan nuklir plutonium-239, mampu melanjutkan proses fisi lebih lanjut. Keuntungan utama dari reaksi ini adalah produksi neutron dari plutonium, yang digunakan sebagai bahan bakar reaktor nuklir di pembangkit listrik tenaga nuklir. Kehadirannya memungkinkan penurunan produksi uranium yang cadangannya terbatas. Dari satu kilogram uranium-235 Anda bisa mendapatkan lebih dari satu kilogram plutonium-239, sehingga menjamin reproduksi bahan bakar.

Akibatnya, produksi energi di unit tenaga nuklir dengan konsumsi minimal uranium yang langka dan tidak ada pembatasan produksi akan meningkat ratusan kali lipat. Diperkirakan dalam hal ini, cadangan uranium akan mencukupi umat manusia selama beberapa puluh abad. Pilihan terbaik dalam energi nuklir untuk menjaga keseimbangan konsumsi uranium minimum adalah rasio 4 banding 1, di mana untuk setiap empat reaktor termal akan digunakan satu reaktor yang beroperasi dengan neutron cepat.

sasaran BN-800

Selama masa operasionalnya di unit daya No. 4 PLTN Beloyarsk, tugas-tugas tertentu diberikan kepada reaktor nuklir. Reaktor BN-800 harus beroperasi dengan bahan bakar MOX. Sebuah hambatan kecil yang terjadi di awal pengerjaan tidak mengubah rencana penciptanya. Menurut direktur PLTN Beloyarsk, Tuan Sidorov, transisi penuh ke bahan bakar MOX akan dilakukan pada tahun 2019. Jika hal ini menjadi kenyataan, reaktor nuklir neutron cepat lokal akan menjadi yang pertama di dunia yang beroperasi seluruhnya dengan bahan bakar tersebut. Ini harus menjadi prototipe reaktor cepat serupa di masa depan dengan pendingin logam cair, lebih produktif dan lebih aman. Berdasarkan hal ini, BN-800 sedang menguji peralatan inovatif dalam kondisi pengoperasian, memeriksa penerapan teknologi baru yang benar yang mempengaruhi keandalan dan efisiensi unit daya.

kelas="eliadunit">

Memeriksa pekerjaan sistem baru siklus bahan bakar.

Pengujian pembakaran limbah radioaktif dengan jangka panjang kehidupan.

Daur ulang terakumulasi di jumlah besar, plutonium tingkat senjata.

BN-800, seperti pendahulunya, BN-600, harus menjadi titik awal bagi pengembang Rusia untuk mengumpulkan pengalaman berharga dalam pembuatan dan pengoperasian reaktor cepat.

Keuntungan dari reaktor neutron cepat

Penggunaan BN-800 dan reaktor nuklir serupa dalam tenaga nuklir memungkinkan

Meningkatkan umur cadangan sumber daya uranium secara signifikan, yang secara signifikan meningkatkan jumlah energi yang diterima.

Kemampuan untuk mengurangi umur produk fisi radioaktif seminimal mungkin (dari beberapa ribu tahun menjadi tiga ratus).

Meningkatkan keselamatan pembangkit listrik tenaga nuklir. Penggunaan reaktor neutron cepat memungkinkan kemungkinan peleburan inti diminimalkan, dapat secara signifikan meningkatkan tingkat perlindungan diri fasilitas, dan menghilangkan pelepasan plutonium selama pemrosesan. Reaktor jenis ini dengan pendingin natrium memiliki tingkat keamanan yang lebih tinggi.

Pada 17 Agustus 2016, unit pembangkit No. 4 PLTN Beloyarsk mencapai operasi listrik 100%. Sejak Desember tahun lalu, sistem Ural terintegrasi telah menerima energi yang dihasilkan dari reaktor cepat.

kelas="eliadunit">

40 km dari Yekaterinburg, di tengah hutan Ural yang paling indah, adalah kota Zarechny. Pada tahun 1964, pembangkit listrik tenaga nuklir industri Soviet pertama, Beloyarskaya, diluncurkan di sini (dengan reaktor AMB-100 berkapasitas 100 MW). Kini PLTN Beloyarsk tetap menjadi satu-satunya di dunia yang mengoperasikan reaktor tenaga neutron cepat industri, BN-600.

Bayangkan sebuah ketel uap yang menguapkan air, dan uap yang dihasilkan memutar generator turbo yang menghasilkan listrik. Ini kira-kira cara kerja pembangkit listrik tenaga nuklir secara umum. Hanya “boiler” yang merupakan energi peluruhan atom. Desain reaktor daya bisa berbeda-beda, tetapi menurut prinsip operasinya, reaktor tersebut dapat dibagi menjadi dua kelompok - reaktor neutron termal dan reaktor neutron cepat.

Dasar dari setiap reaktor adalah fisi inti berat di bawah pengaruh neutron. Benar, terdapat perbedaan yang signifikan. Dalam reaktor termal, uranium-235 difisi oleh neutron termal berenergi rendah, menghasilkan fragmen fisi dan neutron baru berenergi tinggi (disebut neutron cepat). Kemungkinan neutron termal diserap oleh inti uranium-235 (dengan fisi berikutnya) jauh lebih tinggi daripada yang cepat, sehingga neutron perlu diperlambat. Hal ini dilakukan dengan bantuan moderator—zat yang, ketika bertabrakan dengan inti atom, neutron kehilangan energi. Bahan bakar untuk reaktor termal biasanya berupa uranium yang diperkaya rendah, grafit, air ringan atau berat digunakan sebagai moderator, dan air biasa digunakan sebagai pendingin. Sebagian besar pembangkit listrik tenaga nuklir yang beroperasi dibangun berdasarkan salah satu skema berikut.

Neutron cepat yang dihasilkan dari fisi nuklir paksa dapat digunakan tanpa moderasi apa pun. Skemanya adalah sebagai berikut: neutron cepat yang dihasilkan selama fisi inti uranium-235 atau plutonium-239 diserap oleh uranium-238 untuk membentuk (setelah dua peluruhan beta) plutonium-239. Selain itu, untuk setiap 100 inti uranium-235 atau plutonium-239 yang difisi, terbentuk 120−140 inti plutonium-239. Benar, karena kemungkinan fisi nuklir oleh neutron cepat lebih kecil dibandingkan dengan neutron termal, bahan bakar harus diperkaya lebih besar daripada reaktor termal. Selain itu, tidak mungkin menghilangkan panas menggunakan air di sini (air adalah moderator), jadi Anda harus menggunakan pendingin lain: biasanya logam cair dan paduannya, dari pilihan yang sangat eksotis seperti merkuri (pendingin seperti itu digunakan dalam reaktor eksperimental Amerika pertama Clementine) atau paduan timbal - bismut (digunakan di beberapa reaktor untuk kapal selam - khususnya, kapal selam Proyek 705 Soviet) menjadi natrium cair (pilihan paling umum dalam reaktor tenaga industri). Reaktor yang beroperasi menurut skema ini disebut reaktor neutron cepat. Ide reaktor semacam itu dikemukakan pada tahun 1942 oleh Enrico Fermi. Tentu saja, militer menunjukkan minat yang paling besar terhadap skema ini: reaktor cepat selama operasi tidak hanya menghasilkan energi, tetapi juga plutonium untuk senjata nuklir. Oleh karena itu, reaktor neutron cepat disebut juga breeder (dari bahasa Inggris breeder – producer).

Apa yang ada di dalam dirinya

Zona aktif reaktor neutron cepat memiliki struktur seperti bawang, berlapis-lapis. 370 unit bahan bakar membentuk tiga zona dengan pengayaan uranium-235 yang berbeda - 17, 21 dan 26% (awalnya hanya ada dua zona, tetapi untuk menyamakan pelepasan energi dibuat tiga zona). Mereka dikelilingi oleh layar samping (selimut), atau zona perkembangbiakan, di mana terdapat kumpulan yang mengandung uranium yang sudah habis atau alami, yang sebagian besar terdiri dari isotop 238. Di ujung batang bahan bakar di atas dan di bawah inti juga terdapat tablet yang sudah habis. uranium, yang membentuk layar akhir (zona reproduksi). Reaktor BN-600 merupakan pengganda (breeder), yaitu untuk 100 inti uranium-235 yang dibelah di inti, dihasilkan 120-140 inti plutonium di sekat samping dan ujung, sehingga memungkinkan perluasan reproduksi bahan bakar nuklir. . Rakitan bahan bakar (FA) adalah sekumpulan elemen bahan bakar (batang bahan bakar) yang dirangkai dalam satu wadah - tabung baja khusus yang diisi dengan pelet uranium oksida dengan berbagai pengayaan. Agar batang bahan bakar tidak saling bersentuhan dan cairan pendingin dapat bersirkulasi di antara keduanya, kawat tipis dililitkan pada tabung. Natrium memasuki unit bahan bakar melalui lubang pelambatan bawah dan keluar melalui jendela di bagian atas. Di bagian bawah rakitan bahan bakar terdapat betis yang dimasukkan ke dalam soket komutator, di bagian atas terdapat bagian kepala, yang digunakan untuk mencengkeram rakitan saat kelebihan beban. Rakitan bahan bakar dengan pengayaan berbeda memiliki lokasi pemasangan yang berbeda, sehingga tidak mungkin memasang rakitan di tempat yang salah. Untuk mengendalikan reaktor, digunakan 19 batang kompensasi yang mengandung boron (penyerap neutron) untuk mengkompensasi pembakaran bahan bakar, 2 batang kendali otomatis (untuk mempertahankan daya tertentu), dan 6 batang pelindung aktif. Karena latar belakang neutron uranium rendah, untuk menyalakan reaktor secara terkendali (dan mengendalikan pada tingkat daya rendah) digunakan “iluminasi” – sumber fotoneutron (pemancar gamma ditambah berilium).

Zigzag sejarah

Namun, pada tahun 1970an, reaktor neutron termal mulai mendominasi industri tenaga nuklir. Hal ini disebabkan oleh berbagai alasan. Misalnya saja reaktor cepat dapat menghasilkan plutonium yang berarti dapat mengakibatkan pelanggaran undang-undang non-proliferasi senjata nuklir. Namun, kemungkinan besar faktor utamanya adalah reaktor termal lebih sederhana dan murah, desainnya dikembangkan pada reaktor militer untuk kapal selam, dan harga uranium sendiri sangat murah. Reaktor tenaga neutron cepat industri yang mulai beroperasi di seluruh dunia setelah tahun 1980 dapat dihitung dengan jari satu tangan: ini adalah Superphenix (Prancis, 1985−1997), Monju (Jepang, 1994−1995) dan BN-600 (Beloyarsk NPP, 1980), yang saat ini merupakan satu-satunya reaktor tenaga industri yang beroperasi di dunia.

Mereka kembali

Bengkel perakitan reaktor, tempat bagian-bagian reaktor dirakit dari bagian-bagian individual menggunakan metode SKD

Selain itu, metode ini dapat digunakan untuk memproses kelebihan plutonium tingkat senjata, serta plutonium dan aktinida minor (neptunium, americium, curium) yang diekstraksi dari bahan bakar bekas reaktor termal konvensional (aktinida minor saat ini merupakan bagian yang sangat berbahaya dari limbah radioaktif) . Pada saat yang sama, jumlah limbah radioaktif dibandingkan dengan reaktor termal berkurang lebih dari dua puluh kali lipat.

Nyalakan ulang secara membabi buta

Berbeda dengan reaktor termal, dalam reaktor BN-600 rakitannya terletak di bawah lapisan natrium cair, sehingga pembuangan rakitan bekas dan pemasangan rakitan baru di tempatnya (proses ini disebut pemuatan ulang) terjadi dalam mode tertutup sepenuhnya. Di bagian atas reaktor terdapat sumbat putar besar dan kecil (eksentrik relatif satu sama lain, yaitu sumbu rotasinya tidak bertepatan). Kolom dengan sistem kontrol dan proteksi, serta mekanisme beban berlebih dengan gripper tipe collet, dipasang pada sumbat putar kecil. Mekanisme putar dilengkapi dengan "segel hidrolik" yang terbuat dari paduan khusus dengan titik leleh rendah. Dalam keadaan normal, ia berbentuk padat, tetapi untuk dinyalakan kembali, ia dipanaskan hingga titik lelehnya, sementara reaktornya tetap tertutup rapat, sehingga pelepasan gas radioaktif secara praktis dapat dihilangkan. Proses memuat ulang menghentikan banyak langkah. Pertama, gripper dibawa ke salah satu rakitan yang terletak di penyimpanan rakitan bekas di dalam reaktor, melepasnya dan memindahkannya ke lift pembongkaran. Kemudian diangkat ke dalam kotak transfer dan ditempatkan di drum rakitan bekas, kemudian setelah dibersihkan dengan uap (dari natrium), masuk ke kolam bahan bakar bekas. Pada tahap berikutnya, mekanisme tersebut menghilangkan salah satu rakitan inti dan memindahkannya ke fasilitas penyimpanan dalam reaktor. Setelah ini, bahan bakar yang diperlukan dikeluarkan dari drum rakitan baru (di mana rakitan bahan bakar yang berasal dari pabrik sudah dipasang sebelumnya) dan dipasang di elevator rakitan baru, yang memasoknya ke mekanisme pengisian ulang. Tahap terakhir adalah pemasangan rakitan bahan bakar ke dalam sel yang dikosongkan. Pada saat yang sama, pembatasan tertentu diberlakukan pada pengoperasian mekanisme karena alasan keamanan: misalnya, tidak mungkin melepaskan dua sel yang berdekatan secara bersamaan, selain itu, jika terjadi kelebihan beban, semua batang kendali dan pelindung harus berada di zona aktif. Proses reload satu rakitan memakan waktu hingga satu jam, reload sepertiga inti (sekitar 120 rakitan bahan bakar) memakan waktu sekitar satu minggu (dalam tiga shift), prosedur ini dilakukan setiap kampanye mikro (160 hari efektif, dihitung penuh kekuatan). Benar, sekarang pembakaran bahan bakar telah meningkat, dan hanya seperempat inti yang kelebihan beban (sekitar 90 unit bahan bakar). Dalam hal ini, operator tidak memiliki umpan balik visual langsung, dan hanya dipandu oleh indikator sensor sudut rotasi kolom dan gripper (akurasi posisi kurang dari 0,01 derajat), gaya ekstraksi dan pemasangan.

Proses reboot meliputi banyak tahapan, dilakukan dengan menggunakan mekanisme khusus dan menyerupai permainan “15”. Tujuan utamanya adalah untuk memasukkan rakitan baru dari drum yang sesuai ke dalam slot yang diinginkan, dan rakitan bekas ke dalam drumnya sendiri, dari mana, setelah dibersihkan dengan uap (dari natrium), rakitan tersebut akan jatuh ke kolam pendingin.

Halus hanya di atas kertas

“Dalam reaktor neutron cepat, beban termal dan radiasi jauh lebih tinggi dibandingkan reaktor termal,” jelas Mikhail Bakanov, chief engineer PLTN Beloyarsk, kepada PM. “Hal ini menyebabkan perlunya penggunaan material struktur khusus untuk bejana reaktor dan sistem dalam reaktor. Batang bahan bakar dan rakitan bahan bakar tidak terbuat dari paduan zirkonium, seperti pada reaktor termal, namun dari baja paduan kromium khusus, yang kurang rentan terhadap 'pembengkakan' radiasi. beban yang terkait dengan tekanan internal - hanya sedikit di atas atmosfer."

Menurut Mikhail Bakanov, pada tahun-tahun pertama pengoperasiannya, kesulitan utama terkait dengan pembengkakan radiasi dan keretakan bahan bakar. Namun masalah-masalah ini segera teratasi, material baru dikembangkan - baik untuk bahan bakar maupun untuk rumah batang bahan bakar. Namun hingga saat ini, kampanye tidak dibatasi oleh habisnya bahan bakar (yang pada BN-600 mencapai 11%), namun oleh masa pakai bahan yang digunakan untuk membuat bahan bakar, batang bahan bakar, dan rakitan bahan bakar. Masalah operasional lebih lanjut terutama terkait dengan kebocoran natrium di sirkuit sekunder, logam yang aktif secara kimia dan berbahaya bagi kebakaran yang bereaksi keras jika bersentuhan dengan udara dan air: “Hanya Rusia dan Prancis yang memiliki pengalaman jangka panjang dalam mengoperasikan reaktor tenaga neutron cepat industri . Baik kami maupun para spesialis Perancis menghadapi masalah yang sama sejak awal. Kami berhasil mengatasinya, sejak awal menyediakan sarana khusus untuk memantau ketatnya sirkuit, melokalisasi dan menekan kebocoran natrium. Namun proyek Perancis ternyata kurang siap menghadapi masalah seperti itu; akibatnya, reaktor Phenix akhirnya ditutup pada tahun 2009.”

“Permasalahannya sebenarnya sama,” tambah Nikolai Oshkanov, direktur PLTN Beloyarsk, “tetapi permasalahan tersebut diselesaikan di sini dan di Prancis dengan cara yang berbeda. Misalnya, ketika kepala salah satu majelis di Phenix membungkuk untuk mengambil dan membongkar muatannya, spesialis Perancis mengembangkan sistem yang rumit dan agak mahal untuk “melihat” menembus lapisan natrium. insinyur kami menyarankan penggunaan kamera video, "ditempatkan dalam struktur sederhana seperti bel selam - pipa terbuka di bagian bawah dengan argon yang ditiup dari atas. Ketika lelehan natrium dipindahkan, operator, dengan menggunakan komunikasi video, dapat melakukannya tangkap mekanismenya, dan rakitan yang bengkok berhasil dilepas."

Masa depan yang cepat

Dan prospek yang dibawa oleh kepemimpinan di bidang ini.

Teknologi nuklir di Rusia selalu menempati tempat khusus: mereka menjamin keamanan strategis, menjaga keseimbangan global pada tahap superioritas lawan di panggung dunia di bidang teknologi militer, dan memastikan keamanan energi. DI DALAM dunia modern perkembangan teknologi nuklir dan radiasi merupakan salah satu mesin pembangunan industri dan sosial (proyek teknologi besar mau tidak mau menjadi kutub pengaruh terhadap pendidikan, ekologi, ekonomi dan budaya).

Saat ini, dunia berhutang sekitar 13% dari seluruh produksi listrik ke teknologi nuklir, dengan biaya per kilowatt jam terendah dan tingkat pencemaran lingkungan terendah.

Ketika membangun pembangkit listrik tenaga nuklir, untuk mencapai setidaknya beberapa angka mengenai dampak lingkungan dan emisi CO2, bahkan emisi dari generator diesel pekerja konstruksi juga ikut diperhitungkan.

Dari sudut pandang teknologi murni, perlu dicatat bahwa kinerja energi nuklir yang patut ditiru telah dicapai dengan menggunakan reaktor yang beroperasi pada neutron “termal” atau “lambat” - neutron yang telah melewati moderator khusus (air, air berat atau grafit), membuang kelebihan energi dan meluncurkan reaksi berantai nuklir mandiri. Oleh karena itu, laju reaksi dan banyak masalah desain teknik yang perlu diselesaikan bergantung pada jumlah neutron bebas yang tersedia untuk reaksi nuklir dan kemampuan bahan bakar untuk menangkapnya. pekerjaan yang sukses reaktor nuklir. Menurut pengamatan para ilmuwan, dalam teknologi yang disebut reaktor cepat (alias “reaktor pemulia” atau “reaktor pemulia”) terdapat kelebihan neutron, fluks neutron terbentuk sebesar 2,3 neutron bebas versus 1 untuk reaktor termal. Potensi yang sangat besar ini, selain untuk penggunaan pembangkit energi secara langsung, dapat digunakan untuk reproduksi bahan bakar nuklir dan untuk memecahkan masalah lain: kogenerasi listrik dan panas, desalinasi air, produksi hidrogen dan lain-lain.

Industri tenaga nuklir yang beroperasi saat ini hampir secara eksklusif menggunakan uranium-235 sebagai bahan bakar, yang kandungan fosil uraniumnya hanya 0,7%. Persentase uranium-235 dalam sel bahan bakar dibawa ke jumlah operasional melalui prosedur pengayaan khusus. Reaktor cepat dapat menghasilkan plutonium, yang melibatkan pembentukan uranium-238, yang saat ini dibuang ke gudang/tempat pembuangan sampah, yang kandungan bijih yang ditambang adalah 99,3% sisanya; dan plutonium, sebaliknya, sangat baik sebagai bahan bakar untuk reaktor termal yang beroperasi saat ini, artinya, dalam reaktor cepat lebih banyak bahan bakar yang dihasilkan daripada yang dikonsumsi!

Menurut perkiraan IAEA, cadangan terbukti uranium-235 akan bertahan sekitar 85 tahun - ini jauh lebih kecil dibandingkan minyak atau gas. Energi nuklir seperti itu jelas tidak mempunyai masa depan jangka panjang. Namun gambaran tersebut berubah secara drastis ketika mempertimbangkan penerapan reaktor nuklir neutron cepat dalam skala besar dan penutupan siklus bahan bakar.

Versi pengembangan ini membuka segalanya untuk digunakan Sumber daya alam uranium (235 dan 238), serta thorium dan plutonium tingkat senjata yang diproduksi, dan cadangan terbukti akan bertahan (menurut berbagai perkiraan) sekitar 2500 tahun, dengan mempertimbangkan pertumbuhan konsumsi energi dan kekurangan sumber daya yang stabil menurut Malthus. Tidak mengherankan bahwa sejak awal pengembangan energi nuklir, para pemulia dianggap sebagai basis masa depan industri pembangkit nuklir global. Tingkat perkembangan teknologi bertindak sebagai “pembatas”: bekerja dengan reaktor cepat, yang berarti penutupan siklus bahan bakar, juga memerlukan kompleks yang mahal dan kompleks untuk pemrosesan ulang dan daur ulang bahan bakar nuklir iradiasi. Tapi, meski lebih tinggi biaya satuan untuk pemrosesan ulang bahan bakar bekas dari reaktor cepat, semakin kecil volume bahan yang diproses ulang yang dibutuhkan untuk mendapatkan satu unit plutonium membuat proses ini menguntungkan secara ekonomi - dibandingkan dengan pemrosesan ulang limbah dari reaktor termal saat ini.

Berbicara tentang akumulasi limbah radioaktif: reaktor cepat memungkinkan pemrosesan plutonium tingkat senjata dan aktinida kecil (neptunium, americium, curium) yang diekstraksi dari bahan bakar bekas reaktor termal konvensional (aktinida kecil saat ini merupakan bagian yang sangat berbahaya dari limbah radioaktif). Bahan bakar bekas dari reaktor lambat adalah bahan bakar baru untuk masa depan tenaga nuklir, dan masa depan tersebut sudah tiba. Dan dua perusahaan yang mampu memproses ulang bahan bakar nuklir iradiasi berlokasi di Rusia. Jumlah pabrik serupa di dunia tidak lebih banyak daripada dua pabrik di Rusia.

Perlombaan dunia untuk reaktor cepat

Reaktor nuklir pertama di dunia bersifat “lambat”: dibangun oleh Enrico Fermi di bawah tribun barat lapangan sepak bola Universitas Chicago dari blok grafit dan uranium, diluncurkan selama 28 menit dengan bantuan ini dan itu pada tahun 1942 dan sama sekali tidak memiliki reaktor nuklir. perlindungan dari radiasi dan sistem pendingin. Menurut deskripsi yang cukup akurat dari Pak Fermi, bangunan tersebut terlihat seperti "tumpukan batu bata hitam dan kayu gelondongan yang lembap", dan kenyataannya memang demikian. Tapi meski begitu, dia bermimpi membangun reaktor cepat.

Oleh karena itu, reaktor cepat pertama muncul di Amerika: di Los Alamos pada tahun 1946, pabrik Clementine mulai beroperasi, di mana merkuri bertindak sebagai pendingin yang agak eksotis; dan pada tahun 1951, reaktor daya pertama EBR-1 (Experimental Breeder Reactor) dengan kapasitas hanya 0,2 MW diluncurkan di Idaho, yang menunjukkan kemungkinan produksi listrik dan bahan bakar nuklir secara simultan dalam satu perangkat dan menandai dimulainya sejarah. energi nuklir. Kemudian, pada tahun 1963, reaktor neutron cepat percontohan Enrico Fermi dengan kapasitas sekitar 100 MW diluncurkan di Detroit, tetapi hanya tiga tahun kemudian terjadi kecelakaan serius dengan melelehnya sebagian inti - namun, tanpa konsekuensi terhadap lingkungan. atau orang.

Kemungkinan perluasan produksi plutonium, yang diperlukan untuk proyek nuklir Soviet, dibuktikan pada reaktor riset Soviet pertama dengan nama sederhana nomenklatur BR-1, yang diluncurkan di Obninsk pada tahun 1956. Data yang diperlukan untuk pengembangan reaktor energi cepat hanya dapat diperoleh pada versi lama BR-5, yang dibuat pada tahun 1959. Kemudian, pada tahun 1970, reaktor eksperimental BOR-60 diluncurkan di RIAR (Dimitrovgrad), yang masih memasok panas dan listrik ke kota tersebut. Lebih lanjut, teknologi ini juga diuji pada reaktor tenaga neutron cepat pertama di dunia, BN-350, yang diluncurkan pada tahun 1973 dan terlibat dalam pembangkitan energi dan desalinasi air di stepa hingga ditutup pada tahun 1990an. Namun, BN-350 dihentikan bukan karena kehabisan sumber daya teknis, namun karena kekhawatiran mengenai kualitas operasinya setelah runtuhnya Uni Soviet.

Pada tahun 1980, hingga saat ini, reaktor ini merupakan satu-satunya reaktor neutron cepat industri yang beroperasi di dunia. Saat ini, reaktor generasi baru BN-1200, yang dimaksudkan untuk konstruksi serial, sudah dalam tahap desain teknis, dijadwalkan untuk dioperasikan pada tahun 2025. Selain itu, pada tahun 2020, direncanakan untuk meluncurkan reaktor cepat berkapasitas 300 MW dengan timbal-bismut. pendingin di wilayah Pabrik Kimia Siberia di Seversk – teknologi ini telah diuji selama beberapa dekade di reaktor kapal selam dan pemecah es.

Pada akhir tahun 1950-an, Inggris dan Perancis bergabung dengan para pemimpin perlombaan nuklir dengan proyek mereka sendiri. Pada tahun 1986, konsorsium negara-negara Eropa menghubungkan reaktor Superphoenix ke jaringan, selama pembuatannya beberapa solusi yang sebelumnya terkandung dalam BN-600 Soviet dipinjam, tetapi pada tahun 1996 proyek tersebut ditutup tanpa hak untuk dihidupkan kembali. Faktanya adalah, melalui upaya media, histeria massal meningkat seputar “Superphoenix”: reaktor yang sedang dibangun terutama dikaitkan dengan produksi plutonium.

Kekacauan, yang meningkat di bidang media, mengakibatkan protes enam puluh ribu orang, berkembang menjadi kerusuhan jalanan, dan setahun setelah peluncuran fisik, gedung pembangkit listrik tenaga nuklir ditembaki dalam lima tembakan di seberang Rhone dari RPG-7 Soviet. peluncur granat anti-tank.

Untungnya, pembuat perayaan kehidupan ini tidak mampu menimbulkan kerusakan berarti pada stasiun tersebut. Namun proyek tersebut segera dibatalkan. Namun, pada tahun 2010, Prancis kembali membangun reaktor neutron cepat dengan pendingin natrium - proyek ini disebut "Astrid", kapasitas yang direncanakan adalah 600 MW. Meskipun Prancis mengandalkan pengembangannya sendiri dalam program reaktor cepatnya, Prancis masih banyak menggunakan fasilitas pengayaan Rusia.

Tiongkok berusaha mengejar dan menyalip semua negara di dunia, termasuk karena mereka telah dikalahkan oleh India, yang, setelah beberapa kali penundaan, berencana meluncurkan secara fisik reaktor cepat demonstrasi rancangannya sendiri, PFBR-500, pada tahun ini. Setelah diresmikan, India ingin memulai pembangunan serangkaian enam unit pembangkit listrik komersial masing-masing berkapasitas 500 MW dan di wilayah yang sama untuk membangun pabrik pemrosesan ulang bahan bakar nuklir, menggunakan bahan bakar nuklir thorium, yang banyak mereka miliki.

Jepang, sebaliknya, bertentangan dengan reaksi yang diharapkan setelah kecelakaan Fukushima, terus menghidupkan kembali reaktor cepat Monzu, yang beroperasi dari tahun 1994 hingga 1995. Ngomong-ngomong, kita tidak boleh tertipu tentang tragedi Fukushima: energi nuklir umumnya ditandai dengan perkembangan yang bersiklus. Setelah setiap kecelakaan (Pulau Three Mile, Chernobyl, Fukushima), minat terhadap pembangkit listrik tenaga nuklir sedikit melemah, tetapi kemudian kebutuhan listrik kembali menentukan keharusan kategorisnya - dan kemudian reaktor generasi berikutnya dioperasikan, dengan jenis pelindung baru. mekanisme.

Secara total, sekitar 30 konsep reaktor cepat telah dikembangkan di seluruh dunia, beberapa di antaranya telah diuji secara eksperimental pada perangkat keras. Namun saat ini hanya satu negara yang dapat membanggakan teknologi yang telah terbukti dan pengoperasian reaktor cepat industri yang bebas masalah dalam portofolio nasionalnya – yaitu Rusia.

Rekayasa Kompleks

Keuntungan reaktor cepat sudah jelas, begitu pula kompleksitas teknis pembuatannya. Ketiadaan teknologi yang diperlukan- Ini adalah salah satu alasan utama mengapa reaktor cepat tidak tersebar luas saat ini. Seperti disebutkan sebelumnya, air, yang merupakan moderator neutron, tidak dapat digunakan dalam reaktor cepat, sehingga logam cair digunakan: dari natrium yang paling umum hingga paduan timbal-bismut. Penggunaan pendingin logam cair dalam kondisi pelepasan energi yang jauh lebih intens dibandingkan reaktor tradisional menimbulkan masalah serius lainnya - ilmu material. Semua komponen bejana reaktor dan sistem intra-reaktor harus terbuat dari bahan khusus tahan korosi yang mampu menahan karakteristik natrium cair 550°C dalam reaktor cepat.

Masalah pemilihan material yang tepat telah menciptakan banyak tantangan bagi kecerdikan insinyur dalam negeri yang tiada habisnya. Ketika salah satu bahan bakar di inti reaktor yang sedang beroperasi menjadi bengkok, untuk mengeluarkannya, para ilmuwan nuklir Perancis menemukan cara yang rumit dan mahal untuk “melihat” menembus lapisan natrium cair. Ketika pihak Rusia mengalami masalah yang sama, teknisi kami memutuskan untuk secara elegan menggunakan kamera video sederhana yang ditempatkan dalam semacam bel selam—tabung dengan argon yang dihembuskan dari atas—memungkinkan operator mengambil sel bahan bakar yang rusak dengan cepat dan efisien.

Tentu saja, kompleksitas teknik reaktor cepat mempengaruhi biayanya, yang saat ini – ketika reaktor cepat lebih berada dalam bidang konseptual – jauh lebih tinggi dibandingkan reaktor termal. Semua proses penutupan siklus bahan bakar nuklir juga cukup mahal: teknologinya sudah tersedia, telah diuji, diuji, dan dikembangkan, namun belum dibawa ke tingkat komersial streaming. Untungnya, bagi Rusia, hal ini adalah masalah dua atau tiga dekade mendatang.

Kekuatan lunak neutron cepat

Keunggulan teknologi Rusia yang tak terbantahkan dalam menutup siklus bahan bakar nuklir jelas harus dicapai implementasi strategis di pentas dunia. Rusia dapat memikul beban kepemimpinan dalam menciptakan infrastruktur global yang akan menjamin akses yang sama terhadap energi nuklir bagi semua negara yang berkepentingan, sekaligus menjamin kepatuhan terhadap persyaratan rezim nonproliferasi. Rencana implementasi inisiatif ini mencakup bidang-bidang berikut:

Penciptaan pusat-pusat internasional untuk pengayaan uranium (IUEC), yang pertama berlokasi di Angarsk;

Pembentukan pusat internasional untuk pemrosesan ulang dan penyimpanan bahan bakar nuklir bekas (tidak semua orang menjilat bibir kita di ruang terbuka);

Pembentukan pusat-pusat internasional untuk melatih personel yang memenuhi syarat untuk pembangkit listrik tenaga nuklir dan melakukan penelitian bersama di bidang teknologi nuklir yang dilindungi dari proliferasi yang tidak sah.

Saat ini, bagian yang paling berkembang dari program yang diusulkan adalah pembentukan IUEC: pusat-pusat tersebut berfungsi sebagai usaha komersial patungan yang tidak mendapat dukungan pemerintah. Dewan direksi perusahaan-perusahaan tersebut harus terdiri dari perwakilan pemerintah, karyawan perusahaan siklus bahan bakar nuklir dan para ahli IAEA, dan para ahli tersebut akan menjadi konsultan tanpa hak suara, yang tujuannya adalah untuk memverifikasi pekerjaan pusat tersebut dan mengesahkan tindakan individualnya. Oleh karena itu, untuk pengayaan teknologi negara-negara non-nuklir tidak akan diizinkan, dan ini merupakan masalah yang cukup serius.

Sayangnya, ketentuan lain dari inisiatif penciptaan infrastruktur energi nuklir global belum mendapat isi yang berarti. Dalam hubungan ini, timbul pertanyaan yang wajar: adakah jaminan bahwa versi eksploitasi politik atas potensi teknis ini tidak akan menjadi khayalan yang terlupakan di atas kertas?

Untuk keluar dari situasi ini, untuk menarik banyak negara berkembang yang tertarik pada penggunaan energi nuklir untuk tujuan damai, untuk memulai program pusat siklus bahan bakar nuklir internasional, proposal ini perlu diisi dengan peramalan, penelitian dan ilmiah dan teknis. isi.

Tertarik pada yang besar proyek Penelitian di bidang ekonomi energi nuklir, kecil dan negara berkembang dapat melihat manfaat spesifik dari partisipasi mereka dalam implementasi inisiatif-inisiatif ini dan memahami perubahan apa yang diperlukan dalam program nasional mereka.

Teknologi reaktor cepat tingkat maju yang diakui di Rusia, satu-satunya negara yang mengoperasikan reaktor industri jenis ini, dikombinasikan dengan pengalaman dalam pemrosesan ulang bahan bakar nuklir, akan memungkinkan Rusia untuk mengklaim peran salah satu pemimpin energi nuklir dunia dalam jangka panjang. ketentuan.

Keberhasilan implementasi proposal Rusia untuk menciptakan infrastruktur nuklir global adalah faktor penting untuk pengembangan energi global di masa depan, belum lagi tempat Rusia dalam perkembangan ini. Penerapan proposal Rusia, seiring waktu, tidak hanya dapat menjamin keamanan energi nuklir global dan swasembada bahan bakar yang hampir tiada habisnya, namun juga membentuk kembali lanskap pasar listrik secara keseluruhan: ancaman kekurangan semua jenis energi. bahan bakar fosil, termasuk uranium, pada tahap tertentu akan menjadi lebih nyata dan nyata dibandingkan apa yang terlihat.

Menanggapi kenaikan harga hidrokarbon di dunia, selama dua puluh tahun terakhir telah terjadi peningkatan minat terhadap energi alternatif. Namun, ada sejumlah alasan untuk meyakini bahwa satu-satunya alternatif yang layak untuk pembangkit listrik tenaga panas tradisional hanyalah energi nuklir. Buku-buku yang sangat serius dan tebal telah ditulis tentang membandingkan prospek energi nuklir dan generasi terbarukan, yang, singkatnya, mengatakan bahwa di masa depan, reaktor cepat - dan kepemimpinan teknologi Rusia - akan menyinari kita dalam beberapa dekade mendatang.

Reaktor termal air-air dan mendidih adalah yang paling banyak digunakan saat ini. Komposisi bahan bakar bekas dari berbagai reaktor agak bervariasi. Hal ini tergantung, khususnya, pada kelelahan, tetapi tidak hanya. Dalam reaktor VVER tipikal dengan daya listrik 1000 MW, menggunakan bahan bakar uranium, 21 ton bahan bakar nuklir bekas (SNF) dengan volume 11 m 3 (1/3 dari total beban bahan bakar) dihasilkan setiap tahunnya. 1 ton bahan bakar bekas, yang baru diekstraksi dari reaktor VVER, mengandung 950-980 kg uranium-235 dan 238, 5 - 10 kg plutonium, produk fisi (1,2 - 1,5 kg cesium-137, 770 g teknesium-90 , 500 g strontium -90, 200 g yodium-129, 12 - 15 g samarium-151), aktinida minor (500 g neptunium-237, 120 - 350 g americium-241 dan 243, 60 g curium -242 dan 244), dan juga dalam jumlah lebih sedikit radioisotop selenium, zirkonium, paladium, timah dan unsur lainnya. Bila menggunakan bahan bakar MOX, bahan bakar bekas akan lebih banyak mengandung amerisium dan curium.

Produk fisi

Selama sepuluh tahun pertama, pelepasan panas bahan bakar bekas setelah pembongkaran turun sekitar dua kali lipat dan terutama ditentukan oleh produk fisi. Kontribusi terbesar Aktivitas bahan bakar bekas dengan lama perendaman selama tiga tahun meliputi: 137 Cs + 137m Ba (24%), 144 Ce + 144 Pr (21%), 90 Sr + 90 Y (18%), 106 Ru + 106 Rh ( 16%), 147 Pm (10%), 134 Cs (7%), kontribusi relatif dari 85 Kr, 154 Eu, 155 Eu adalah sekitar 1% dari setiap isotop.

Produk fisi berumur pendek

Nuklida	T 1/2	Nuklida	T 1/2
85 Kr	10,8 tahun	137 Cs	26,6 tahun
90 Sr	29 tahun	137m Ba	156 hari
90 tahun	2,6 hari	144 M	284,91 hari
106 Ru	371,8 hari	144 hal	17,28 m
106 Rh	30,07 detik	147 sore	2,6 tahun
134 Cs	2,3 tahun	154 Uni Eropa	8,8 tahun
		155 UE	4.753 tahun

Selama beberapa tahun setelah dibuang, sementara bahan bakar bekas disimpan di kolam berisi air, risiko utamanya adalah hilangnya air pendingin dapat menyebabkan bahan bakar memanas hingga suhu yang cukup tinggi untuk memicu paduan zirkonium yang menjadi bahan bakar. dibuat, menyebabkan pelepasan produk fisi radioaktif yang mudah menguap.

Produk fisi berumur panjang

Dalam jangka panjang (10 4 -10 6 tahun), produk ini dapat menimbulkan bahaya karena mobilitasnya yang lebih besar dibandingkan aktinida.

Aktinida

Aktinida minor termasuk isotop neptunium (Np-237), amerisium (Am-241, Am-243) dan curium (Cm-242, Cm-244, Cm-245) yang berumur panjang dan relatif panjang.

Neptunium

Neptunium, yang sebagian besar diwakili oleh satu-satunya isotop Np-237, dihasilkan dari isotop uranium U-235 menurut rantai berikut:

Skema peluruhannya menjadi inti anak terdekat yang berumur panjang memiliki bentuk

Np-237 (T 1/2 = 2,14 10 6 tahun; α) → Pa-233 (T 1/2 = 27 hari; β) → U-233 (T 1/2 = 1,59 10 5 tahun; α)

Menganalisis dinamika perubahan aktivitas inti dalam rantai peluruhan, kita dapat mengatakan bahwa Np-237 dan Pa-233 akan berada dalam keseimbangan sekuler dan aktivitasnya akan setara, dan aktivitas Pa-233 akan sangat kecil dan dapat diabaikan.

Karakteristik radiasi Np-237 dan Ra-233

C 0 – aktivitas spesifik bahan per 1 kg Np-237 (Ci/kg); Q – energi peluruhan (MeV);
E α – energi partikel α (MeV); E – energi rata-rata partikel β (MeV);
E γ – energi total γ kuanta (keV); W – pelepasan panas (W/kg).

Neptunium, yang sebagian besar diwakili oleh isotop tunggal Np-237, merupakan kontributor signifikan terhadap radiotoksisitas jangka panjang karena waktu paruhnya yang panjang. Namun Np-237 tidak memberikan kontribusi yang signifikan terhadap pelepasan panas. Np-237 dapat ditransmutasikan baik dalam reaktor termal maupun cepat.

Amerika

Isotop amerisium berumur panjang yang diproduksi dalam jumlah besar di reaktor neutron termal termasuk isotop Am-241 dan Am-243. Isotop Am-242m diproduksi dalam jumlah yang jauh lebih kecil, namun kandungannya dalam amerisium yang dilepaskan dari bahan bakar bekas dapat berdampak signifikan pada karakteristik radiasi neutron material tersebut.
Isotop amerisium Am-241, Am-243 dan isotop curium Cm-242, Cm-244 dan Cm-245 dihasilkan dari isotop uranium U-238 menurut rantai berikut:

Saya-241
Dalam bahan bakar nuklir bekas, Am-241 merupakan isotop amerisium yang dominan, meskipun ada juga Am-242, Am-242m dan Am-243.
Skema peluruhan Am-241 ke inti anak terdekat yang berumur panjang memiliki bentuk

Am-241 (T 1/2 = 4,32 10 2 tahun; α) → Np-237 (T 1/2 = 2,14 10 6 tahun; α)

Sejak T 1/2 (Am-241)<< T 1/2 (Np-237), то радиационные характеристики процесса определяются исключительно параметрами распада собственно Аm-241

Saya-243
Skema peluruhan Am-243 ke inti anak terdekat yang berumur panjang memiliki bentuk

Am-243 (T 1/2 = 7,38 10 3 tahun; α) → Np-239 (T 1/2 = 2,35 hari; β) → Pu-239 (T 1/2 = 2,42 10 4 tahun; α)

Am-243 dan Np-239 berada dalam kesetimbangan radiasi dan aktivitasnya setara.

Saya-242m
Reaktor neutron termal juga menghasilkan isomer Am-242m yang berumur panjang

Am-242m (T 1/2 = 1,52 10 2 tahun; γ) → Am-242 (T 1/2 = 16 jam; 82% β; 18% EZ*) →
→ Pu-242 (T 1/2 = 3,76 10 5 tahun; α) → Cm-242 (T 1/2 = 1,63 10 2 hari; α) → Pu-238 (T 1/2 = 88 tahun; α )

Radionuklida berikut berkontribusi terhadap radioaktivitas bahan yang mengandung Am-242m:
Am-242m, Am-242, Cm-242

Karakteristik Radiasi Am-241, Am-243, Np-239, Am-242m, Am-242 dan Cm-242

Isotop	T 1/2	C 0	Jenis kehancuran	Q	E α	E β	E γ	W
Saya-241	4.32·10 2 tahun	3,44 10 3	α	5.64	5.48		29	1.11 10 2
Saya-243	7.38·10 3 tahun	200	α	5.44	5.27	0	48	6.6
Np-239	2,35 hari	200	β	0.72	0	0.118	175	6.6
Saya-242m	1,52·10 2 tahun	9,75 10 3	γ	0.072	0	0	49	310
Saya-242	16 jam	1,75 10 3 8 10 3	EZ β	0.75, 17.3% 0.66, 82.7%	0 0	0 0.16	18
Cm-242	1,63·10 2 hari	8 10 3	α	6.2	6.1	0	1.8

Americium merupakan kontributor utama aktivitas gamma dan radiotoksisitas bahan bakar bekas sekitar 500 tahun setelah pembongkaran, ketika kontribusi produk fisi menurun beberapa kali lipat. Semua amerisium dapat diubah dalam fluks neutron yang intens menggunakan reaksi penangkapan dan fisi.

rasa ingin tahu

Cm-242
Skema peluruhan Cm-242 terlihat seperti ini:

Sm-242 (T 1/2 = 163 hari; α) → Pu-238 (T 1/2 = 87,7 tahun; α) → U-234 (T 1/2 = 2,46 10 5 tahun; α)

Aktivitas Cm-242 menurun dengan cepat, sedangkan aktivitas Pu-238 meningkat dan cukup cepat, dalam ≈ 3,4 tahun, aktivitas Pu-238 dan Cm-242 dibandingkan, sedangkan aktivitas Cm-242 menurun sekitar 200 kali lipat dibandingkan dengan level awal.

Karakteristik radiasi Cm-242 dan Pu-238

cm-244
Skema peluruhan Cm-244 terlihat seperti ini:

Cm-244 (T 1/2 = 18,1 tahun; α) → Pu-240 (T 1/2 = 6,56 10 3 tahun; α).

Karakteristik radiasi Cm-244

cm-245
Skema peluruhan Cm-245 terlihat seperti ini:

Cm-245 (T 1/2 = 8,5 10 3 tahun; α) → Pu-241 (T 1/2 = 14,4 tahun; β) → Am-241 (T 1/2 = 4,33 10 2 tahun; α) .

Pada t >> T 1/2 (Pu-241), aktivitas Pu-241 berada dalam keadaan setimbang dengan aktivitas Cm-245.

Karakteristik radiasi Cm-245 dan Pu-241

Curium merupakan kontributor signifikan terhadap aktivitas gamma, emisi neutron, dan radiotoksisitas. Curium kurang cocok untuk transmutasi karena penampang fisi dan penangkapan isotop utama (Cm-242 dan Cm-244) cukup kecil. Meskipun Cm-242 memiliki waktu paruh yang sangat singkat (163 hari), ia terus-menerus dihasilkan dalam bahan bakar yang diiradiasi melalui peluruhan.
Am-242m (waktu paruh 141 tahun).

Pelepasan panas dan radiotoksisitas bahan bakar nuklir bekas

Beras. 3. Pelepasan panas bahan bakar bekas dari reaktor air ringan dengan pembakaran 50 GWd/tm

Pada Gambar. Gambar 3 menunjukkan pelepasan panas bahan bakar bekas dari reaktor air ringan dengan pembakaran 50 GWd/tm. Pembakaran didefinisikan sebagai rasio energi panas yang dihasilkan selama pengoperasian reaktor terhadap massa bahan bakar yang dimuat. Setelah penyimpanan selama kurang lebih 40 tahun, hanya beberapa persen radioaktivitas asli yang tersisa pada bahan bakar bekas. Produksi panas menurun dengan cepat selama 200 tahun pertama setelah pendaratan. Selain itu, selama 60 tahun pertama, kontribusi utama pelepasan panas berasal dari peluruhan produk fisi. Kontribusi terbesar diberikan oleh 137 Cs + 137 Ba dan 90 Sr + 90 Y. Meskipun terdapat fakta bahwa aktinida minor diproduksi dalam jumlah yang relatif kecil di dalam reaktor, aktinida minor tersebut memberikan kontribusi yang signifikan terhadap pelepasan panas, hasil neutron, dan radiotoksisitas bahan bakar bekas. . Setelah 60 tahun, aktinida mendominasi jumlah pelepasan panas. Setelah 200 tahun, pembangkitan panas hampir seluruhnya disebabkan oleh aktinida - plutonium dan amerisium. Lambatnya penurunan pelepasan panas ini disebabkan oleh waktu paruh 241 Am, 238 Pu, 239 Pu, dan 240 Pu yang relatif lama.
Pada Gambar. Gambar 4 menunjukkan bagaimana laju dosis radiasi eksternal dari bahan bakar nuklir bekas berubah seiring waktu.

Beras. 4. Ketergantungan waktu laju dosis radiasi dari satu ton bahan bakar nuklir bekas setelah diturunkan dari reaktor dengan pembakaran 38 GW/t pada jarak 1 meter.

Sekitar satu tahun setelah pemuatan bahan bakar, ketika bahan bakar bekas dikeluarkan dari reaktor, laju dosis dari 1 ton adalah sekitar 1000 Sv/jam. Artinya dosis mematikan, sekitar 5 Sv, diterima dalam waktu sekitar 20 detik. Dosisnya bergantung sepenuhnya pada kontribusi radiasi gamma. Radiasinya berkurang seiring berjalannya waktu, namun laju dosis setelah 40 tahun, ketika bahan bakar bekas harus disimpan di tempat penyimpanan dalam, masih tinggi yaitu 65 Sv/jam. Oleh karena itu, ketika menangani bahan bakar nuklir bekas, diperlukan tindakan perlindungan terhadap radiasi eksternal, mulai dari pembongkaran dari reaktor hingga pembuangan akhir. Dari Gambar. 4 terlihat bahwa dosis radiasi neutron selalu jauh lebih kecil dibandingkan radiasi gamma, namun radiasi neutron berkurang lebih lambat.
Selama beberapa dekade pertama, radiotoksisitas terutama ditentukan oleh produk fisi seperti 90 Sn dan 137 Cs serta produk peluruhannya. Setelah penyimpanan sementara selama kurang lebih 40 tahun, hanya beberapa persen radioaktivitas asli yang tersisa pada bahan bakar bekas. Selama beberapa ratus tahun, sebagian besar radionuklida meluruh dan kontribusi utama terhadap radiotoksisitas dibuat oleh aktinida berumur panjang (plutonium dan amerisium). Radiotoksisitas bahan bakar bekas akan menurun hingga mencapai tingkat radiotoksisitas bijih uranium dalam waktu sekitar 100.000 tahun.

Beras. 5. Ketergantungan pada waktu radiotoksisitas bahan bakar bekas pada pembakaran 60 GW: hari/t.

Tampilan