Ториевые реакторы с замкнутым циклом: как Индия неожиданно стала лидером атомных технологий

В октябре на юге Индии будет запущен первый в мире коммерческий ядерный реактор на быстрых нейронах. Мощности будут производить не только электроэнергию, но еще и новое ядерное топливо из ториевого сырья.

Реактор расположен в г. Калпаккам на берегу Бенгальского залива, в самом южном индийском штате Тамил-Наду.

В Калпаккаме, действует Мадрасская АЭС, состоящая из двух энергоблоков электрической мощностью 220 МВт каждый. Они были введены в эксплуатацию в 1984 и 1986 гг. Это первые блоки, которые Индия спроектировала и построила полностью самостоятельно.

Строительство разработанного IGCAR (Центром атомных исследований им. Индиры Ганди) прототипа быстрого реактора-размножителя (PFBR) мощностью 500 МВт началось на Мадрасской АЭС в 2004 году. В феврале 2017 было объявлено о завершении строительных работ и о планах ввести PFBR в эксплуатацию в октябре 2017. Тогда же стало известно, что в Калпаккаме планируется строительство еще двух PFBR мощностью 600 МВт каждый.

Успешный запуск PFBR будет означать, что Индия стала технологическим лидером в атомной энергетике, пишет издание «Деловая столица». Как отметил генеральный директор Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) Юкия Амано, "быстрые реакторы-размножители позволяют извлечь на 70% больше энергии, чем традиционные реакторы, и являются более безопасными при одновременном сокращении долгоживущих радиоактивных отходов в несколько раз".

Зачем Индии быстрые реакторы

При этом главным стимулом для финасирования строительства технологий (весьма дорогостоящих) стало желание обеспечить энергетическую безопасность страны и независимость от внешних поставщиков ядерного топлива.

Запасов урана для развития независимой «классической» атомной энергетики в стране мало. Кроме того, Индия не является участником в Договоре о нераспространении ядерного оружия, поэтому никаких технологий по разделению изотопов урана (единственный изотоп, с которого можно начинать ядерный цикл, - это уран-235) ни одна страна ей передать не может и не хочет. Правда, Индии удалось несколько обойти запрет на атомную энергетику - они развивали технологию канадского тяжеловодного реактора под давлением CANDU (Canada Deuterium Uranium). Он использует в качестве топлива обычный природный уран - это уран-238, который ядерным топливом не является (при этом доля уран-235 в природном уране составляет лишь 0,72%, а остальные 99,28% - уран-238, который можно использовать как раз только в быстрых реакторах).

Урана в Индии, может, и недостаточно, но у нее есть крупнейшие промышленные запасы тория. Единственный природный изотоп тория, торий-232, как и уран-238, не является ядерным топливом, но может превращаться в него в быстрых реакторах-размножителях (бридерах).

В отличие от остальных реакторов бридеры производят не только энергию, но и новое ядерное топливо, и даже в больших объемах, чем имелось первоначально (вот почему размножители). Такие реакторы имеют две зоны: активную, где используется высококачественное ядерное топливо, и зону размножения, куда загружаются энергетически "бедные" изотопы, такие как уран-238 и торий-232, которые служат сырьем для производства нового топлива.

Реакторы-размножители называются быстрыми не потому, что они работают быстрее, а потому, что в их активной зоне нет замедлителей нейтронов, как в остальных реакторах. Функцию замедлителя выполняет зона размножения, при этом энергия нейтронов расходуется на превращение энергетически "бедных" изотопов в обогащенные, пригодные для использования в качестве ядерного топлива.

В настоящее время в мире действуют всего два таких реактора, вырабатывающих энергию в коммерчески выгодных масштабах. Оба они работают на Белоярской АЭС в Свердловской области РФ (на уране-238). Первый, мощностью 600 МВт, был запущен в 1980 г., второй, на 880 МВт, - в декабре 2016.

Топливные технологии для тория

Индийцы накопили необходимый опыт для ториевого ядерного цикла благодаря своим реакторам PHWR. В этих реакторах можно легко загружать и выгружать каждую индивидуальную тепловыделяющую сборку с ядерным топливом, не останавливая реактор (как, например, в ВВЭР). Именно эта особенность реакторов PHWR позволила индийским ядерщикам провести наибольшее количество испытаний ториевых сборок в мире, причем именно на серийных, а не экспериментальных реакторах. Начиная с 1980-х годов Индия загрузила в свои реакторы в общей сложности более 230 ториевых сборок. Благодаря этому индийские ядерщики получили знания о работе различных типов топлива (оксидное и нитридное) из разных "наборок" активной зоны реактора, включая и смешанные урано-плутониево-ториевые загрузки.

В Индии уже давно налажены не только добыча ториевого песка на побережье (на самом юге Индостана и на берегу Бенгальского залива) и извлечение из него тория, но и изготовление и переработка (репроцессинг) ториевых сборок на радиохимическом заводе в Тарапуре. Эти сборки планируют использовать в новых реакторах PHWR для выравнивания энерговыделения уже в первой загрузке (это позволит выводить такие блоки на номинальную мощность уже на начальных стадиях пусковой программы).

Но особенно интересными обещают быть результаты использования различных смесей в бридере PFBR. Из урана-238 в зоне размножения должен получаться плутоний-239, а из тория-232 - уран-233, и оба конечных продукта можно будет использовать в качестве ядерного топлива (и для производства ядерного оружия, кстати).

В его зону размножения нужно только будет периодически добавлять новые порции энергетически "бедных" изотопов: из того, что считается отходами, будет производиться полноценное ядерное топливо, которое можно будет загружать в активную зону того же самого бридера.

Ториевые перспективы

В индийском издании The Times of India подчеркивается, что технологию быстрых бридеров сейчас пытается освоить Китай, но он "более чем на десятилетие отстает от Индии". И этот фактор, нужно сказать, имеет очень большое значение для индийцев, которым не нравится все время ощущать себя "догоняющими китайцев".

Индия, создав PFBR, явилась "новатором ядерной технологии, которая потенциально может стать самым большим источником энергии в стране".

Эксперты оценивают это как "большой шаг, тем более что ядерное деление остается единственным видом ядерной реакции, который нам удалось покорить, тогда как освоение термоядерного синтеза все еще находится в работе".

Если у индийцев получится довести свою идею до успешной реализации, то они могут стать законодателями моды в данной сфере. А это, между прочим, тоже сулит немалые деньги, если на их реакторы возникнет спрос в мировом масштабе.