Мир на пике – Мир в пике

Вроде бы и к месту. Вроде бы и по делу. Но только никто не прочитает. А кто и попробует прочитать – все равно мало что поймет из этой «китайской грамоты».

Поэтому – постараемся быть попроще в объяснениях, хотя, конечно, кое-где весьма существенные детали нашего повествования останутся за кадром. Однако, при этом, большая часть умолчаний или неких упрощений, как я надеюсь, не очень повлияет на дальнейший рассказ о ЗЯТЦ.

Что это вообще такое – замкнутый ядерный цикл? Зачем он нужен? Что мы замыкаем в рамках этого цикла и что это за ядерная алхимия, которая помогает нам буквально «делать топливо из ничего»?

ЗЯТЦ, по своей сути, в его урановом варианте, это постоянный, многостадийный и многотрудный процесс превращения урана в плутоний.

И сжигание полученного плутония совместно с ураном, которое снова-таки дает нам дополнительные количества плутония, полученные, опять-таки, из урана.

В рамках механики изотопов я уже разбирал эту магию в главе 12.

В рамках же использования и переработки топлива этот «изотопный хоровод» выглядит и того интереснее.

Во-первых, сегодняшние конструкции реакторов подразумевают периодические погрузки и выгрузки ядерного топлива. В силу того, что плутоний у нас в «дикой природе» не водится, в реактор загружается либо природный, либо обогащенный уран.

На природном уране сегодня в мире работает только один тип промышленных реакторов – канадские реакторы CANDU и их клоны еще в нескольких странах (например, Индии):

Рис. 168. Реактор CANDU на канадской АЭС «Брюс».

Это, по сути дела, единственный на сегодняшний день тяжеловодный реактор – только реакторы CANDU могут работать на природном уране, не нуждаясь в каких-либо сложных процессах по разделению изотопов урана.

Кроме того, реакторы CANDU, в принципе, могут даже «подъедать» при небольшой доработке и доводке даже отработанное ядерное топливо (ОЯТ) за водо-водяными реакторами типа ВВЭР или PWR.

«Э? А как это – жечь заново то, что уже сгорело?» – спросит читатель. И будет безусловно прав – для случая нефти, газа или каменного угля. Эти химические топлива и в самом деле полностью сгорают в процессе получения энергии. А вот в случае ядерного топлива, как говорил товарищ Сталин: «нэ так все было, савсэм нэ так».

Все дело в том, что ни в одном из реакторов топливо не сгорает полностью. В какой-то момент времени содержание делящегося изотопа в активной зоне просто падает ниже неких критических уровней и самоподдерживающаяся цепная реакция просто становится невозможной – даже на полностью выдвинутых из активной зоны поглощающих стержнях, нейтроны от деления какого-нибудь ядра ²³⁵U просто не могут найти следующие ядра для продолжения цепной реакции.

Все дело в том, что, как я уже писал в главе о механике изотопов, часть нейтронов из цепной реакции деления урана неизбежно поглощается конструкциями реактора, часть задерживается замедлителем и теплоносителем, и еще немалая часть нейтронов потихоньку превращает содержащийся в ТВЭЛах ²³⁸U в тот самый ²³⁹Pu.

Какой же величиной характеризуется процент сгорания топлива? Как вы понимаете, взвешивать «сгоревший» ТВЭЛ практически бесполезно – в отличии от вагона качественного угля, который почти полностью переходит в форму углекислого газа (СО₂), оставляя нам только горстку несгораемой золы, ТВЭЛ практически не теряет своей исходной массы.

Вся его исходная масса, за исключением потерь нейтронов и небольшого выделения инертных газов, образующихся, как продукты реакции, остается внутри ТВЭЛа.

Поэтому для измерения процента сгорания исходного топлива атомщики придумали хитрый параметр: мегаватт в сутки на тонну топлива или, сокращенно – МВт·сутки/тонна.

Что остается после сгорания ядерного топлива, что скрывается за скромной аббревиатурой ОЯТ?

Различные экологические организации любят расшифровать это сокращение, как «отходы ядерного топлива», в то время как правильная его расшифровка звучит совсем иначе: «отработанное (или облученное) ядерное топливо».

Именно в различии этих двух расшифровок и заключена разность в подходах к ОЯТ: либо это отходы – и тогда им место на свалку, либо это – топливо, которое лишь потеряло часть своих свойств и может быть с затратой каких-либо усилий возвращено в ядерный цикл для того, чтобы продолжать служить людям.

Из чего же состоит ОЯТ? Скажу сразу, что он разный для разных видов реакторов, но, в целом, ОЯТ можно упрощенно представить в виде следующей простой составной схемы: в ОЯТ содержится 0,8–1,0 % ²³⁵U, 0,95–1,20 % плутония всех видов (в основном – изотопов ²³⁹Pu и ²⁴⁰Pu), 3–4 % продуктов деления урана и плутония и 94–95 % ²³⁸U.

Только недобросовестные политики-популисты и больные на голову экологи могут называть этот продукт отходом.

Рис. 169. Состав ОЯТ.

То, что весьма условно можно назвать «отходом» ядерного цикла заключено в тех самых 3–4 %, относящихся к продуктам деления урана и плутония. Именно эта доля ОЯТ и есть та «ядерная зола», которая уже непригодна для дальнейшей работы ядерного реактора.