Ученые Инженерной школы ядерных технологий Томского политехнического университета разрабатывают технологию, на основе которой можно будет создавать высокотемпературные газоохлаждаемые ториевые реакторные установки малой мощности. На таких установках политехники предлагают сжигать оружейный плутоний, перерабатывая его в электрическую и тепловую энергию. Получаемую на ториевом реакторе тепловую энергию дальше можно применить для производства водорода в промышленных масштабах. А еще на таких установках можно будет опреснять воду.

Результаты исследования опубликованы в журнале Annals of Nuclear Energy (IF 1,312; Q2).

Ториевые реакторные установки можно будет использовать в тех районах, где нет больших водоемов и рек, наличие которых является обязательным условием для строительства классического реактора. Например, их можно будет применять в засушливых местностях, а также на севере — в отдаленных районах Сибири и в Арктике.

«Любая станция, как правило, строится на берегу реки. Озеро для этих целей не подходит, так как вода обязательно должна быть проточной, чтобы в ней не накапливалось никаких вредных элементов. Из реки вода забирается для нужд атомной станции. В частности, она используется в активной зоне реактора для его охлаждения. В ториевых реакторных установках вместо воды используется гелий, также могут подойти углекислый газ (CO2) или водород. Таким образом, воду использовать уже не потребуется», — рассказывает один из авторов статьи Сергей Беденко, доцент Инженерной школы ядерных технологий ТПУ.

Топливом для нового типа реакторов послужат смесь тория и оружейного плутония.

«Оружейный плутоний был наработан в больших количествах в мире еще в советские годы. Затраты на хранение этого топлива очень большие, и его нужно утилизировать. В США его обезвреживают при помощи химических методов и захоранивают, а в России — сжигают в реакторах. Однако при этом какой-то процент плутония все равно остается, и его требуется захоранивать на полигонах радиоактивных отходов. Наша технология позволит снизить этот процент. С ее помощью можно будет сжечь 97% оружейного плутония, — продолжает Сергей Беденко. — А когда весь оружейный плутоний будет утилизирован, на ториевых установках вместо него можно будет использовать уран-235 или уран-233».

Примечательно, что установка способна работать на невысоких мощностях (от 60МВт), для активной зоны ториевого реактора потребуется совсем немного топлива, а процент его выгорания при этом будет выше, чем на существующих сегодня реакторах. После переработки 3% оставшегося оружейного плутония уже не будут представлять ядерной опасности. На выходе образуется смесь из графита, плутония и продуктов распада, которую будет очень трудно использовать для каких-либо других целей. Эти остатки можно будет только захоронить.

«Пожалуй, главным преимуществом таких установок станет то, что они многоцелевые. Во-первых, мы эффективно утилизируем с помощью ториевого реактора один из самых опасных видов радиоактивного топлива, во-вторых — получаем энергию и тепло, а в-третьих — с его помощью можно будет наладить промышленное производство водорода», — резюмирует Сергей Беденко.

Получать водород ученые предлагают за счет гелия, который, как уже говорилось выше, заменит в ториевом реакторе воду. В активной зоне реактора гелий будет нагреваться до температуры в 1250 C°, а затем поступать на установку по производству водорода. По словам политехников, масштабы производства водорода на такой атомной станции будут гораздо выше, чем на существующих химических производствах. Еще одним важным преимуществом ториевой установки станет то, что, в зависимости от нужд производства, можно будет менять мощность реактора, повышая или понижая объемы производимого водорода.

Фото: Сергей Беденко

Да и вообще, по словам ученых, сама установка в разы безопаснее и экономичнее по сравнению с традиционными реакторами.

Авторы научной статьи сообщают, что к достоинствам таких реакторов относится более высокая безопасность в сравнении с традиционными конструкциями, повышенный КПД (до 40–50%), отсутствие фазовых переходов теплоносителя, уменьшение проблем с коррозией рабочих поверхностей, возможность использования разного по составу топлива и его перегруза в процессе работы реактора, упрощенное обращение с отработавшим ядерным топливом.

«Во-первых, сэкономить позволяет использование в реакторе тория. В существующих реакторах используется уран, который требуется обогащать. Эта процедура является, пожалуй, одной из самых дорогих в атомной отрасли. Торий обогащать не требуется, а оружейный плутоний уже содержит в себе требуемую концентрацию делящегося материала. Их остается только смешать и изготовить топливные таблетки, — поясняет Сергей Беденко. — Кстати, такое топливо можно будет использовать не только в ториевых установках, но и на распространенных реакторах ВВЭР-1000».

Кроме этого, сама конструкция ториевых реакторных установок содержит гораздо меньше элементов, чем в классических реакторах, что сделает их строительство в разы дешевле. Ученые рассчитывают, что проработать такие установки в перспективе смогут не менее 10 – 20 лет, а после того, как топливо будет отработано, активную зону ториевого реактора можно будет либо перезагрузить, либо утилизировать.

«Изначальные затраты на строительство таких установок окажутся довольно-таки существенными, однако они окупятся за счет массового производства торий-плутониевого топлива, а также за счет экспорта этой технологии в те страны, где необходимы такие установки. Например, в такие небольшие страны, как Вьетнам или Корея, где построить полноценную АЭС дорого», — говорит Сергей Беденко.

Кроме производства водорода, на ториевых установках также можно будет опреснять воду, что важно для тех районов, где существуют проблемы с наличием пресной воды.

«В своей статье мы постарались, прежде всего, обратить внимание общественности на то, что эту технологию необходимо начинать развивать в России. Сейчас похожие проекты уже появляются в США, Китае, Индии, Корее. И нет никаких сомнений, что внешний рынок по производству таких установок появится уже через несколько лет. В Китае уже сейчас производят похожие топливные элементы, запущена производственная линия, в этом году планируется запуск первого маломощного реактора. Его концепция отличается от той, которую предлагаем мы, по ряду параметров, но он тоже высокотемпературный и может служить для производства энергии и водорода. Однако в этих установках планируют использовать не торий, а уран. Метод, предлагаемый нами, еще более эффективен в связи с тем, что торий не потребуется обогащать. И в перспективе наша технология сможет составить достойную конкуренцию зарубежным производителям», — заключает Сергей Беденко.

Справка:

ТПУ — участник Проекта 5–100, ключевым результатом которого должно стать появление в России к 2020-му году современных университетов-лидеров с эффективной структурой управления и международной академической репутацией, способных задавать тенденции развития мирового высшего образования.