Быстрый трансформер времён GNEP

Уходящая администрация президента США не слишком жаловала перспективные нелегководные реакторы. Министр энергетики Эрнест Мониз заявлял прямо, что первые коммерческие блоки с такими реакторами появятся в США не ранее 2040 года. Изменит ли Вашингтон своё мнение после прихода к власти Дональда Трампа? С равным успехом можно ожидать любого сценария - активной поддержки, вялого топтания на месте или полного пренебрежения. Пока в команде Трампа определяются с мнением об атомной энергетике, есть смысл вспомнить, какими видели в США быстрые реакторы в период последнего по времени всплеска интересов к ним в этой стране. Воспользуемся для этого материалами прошедшего в 2007 году в Обнинске "Быстрого клуба". Реактор-выжигатель Американский быстрый реактор эпохи GNEP - это, прежде всего, реактор-выжигатель. Перед ним не стоит задача расширенного воспроизводства, он должен утилизировать часть трансурановых элементов, чтобы снизить нагрузку на геологическое хранилище ОЯТ "Гора Юкка". Юкка в описываемое время ещё жива, до прихода в Белый дом могильщика проекта Барака Обамы остаётся некоторое время. Хотя проект хранилища не вышел за пределы бумажной работы, в его способности принять всё облучённое топливо с АЭС США уже сомневаются, а тема быстрых выжигателей, сокращающих общий объём ОЯТ, приобретает актуальность. Актиниды в топливном цикле с выжигателями и геологическим хранилищем В Аргоннской национальной лаборатории в качестве выжигателя видели быстрый натриевый реактор-тысячник с оксидным или металлическим топливом, причём замена одного типа топлива на другой должна была происходить без больших сложностей. Поставленные ограничения по обогащению топлива равнялись 30% для металла и 33% для оксида, предельное максимальное выгорание - 15%, ограничение по флюенсу быстрых нейтронов - 4×10²³ н/см². В базовом варианте коэффициент конверсии для обоих типов топлива составлял 0,85 по делящимся изотопам и более 0,7 по всем трансурановым элементам. Правда, равенство КК для двух вариантов достигалось существенными изменениями в физике и геометрии активной зоны. Так, если для металла активная высота составляла 81 см, то для оксида уже 107 см. В оксидной зоне потребовалось резко увеличить объёмную долю топлива - в холодном состоянии, 37% против 29% у металлической. Удельное энерговыделение и средняя плотность потока нейтронов для оксида равнялись 230 Вт/см³ и 2,65×10¹⁵ н/(см²с), для металла - 300 Вт/см³ и 3,2×10¹⁵ н/(см²с). Значения β_эфф для обоих вариантов были практически равны (0,003). Также практически равным оказались и натриевые пустотные эффекты - порядка 6,5 долларов каждый. А вот Допплер и мощностной коэффициенты у оксидной зоны были в разы больше по модулю, чем у металлической, и оксидную зону в Аргонне критиковали с точки зрения обеспечения пассивной безопасности. Что касается основного предназначения выжигателя, то его показатели были таковы. В начале каждой равновесной кампании в активной зоне выжигателя находилось 2,9 тонн трансурановых элементов для металлического топлива и 3,6 тонн для оксидного топлива. Уменьшение массы трансурановых элементов за год составляло 81,6 кг для металлической активной зоны и 86,5 кг для оксидной зоны. Быстрый реактор-выжигатель Изменения КК Интересной особенностью реактора-выжигателя была его способность изменять КК в широких пределах, от 0,2 до 1,1. Достигается изменение КК исключительно за счёт изменения параметров топливных сборок и твэлов, а также за счёт изменения схем перегрузок. В то же время, конфигурация активной зоны и размеры ТВС сохраняются. Снижение КК до 0,2 достигается за счёт двух факторов - уменьшения объёмной доли топлива за счёт уменьшения диаметра твэла и сокращения кампании. При этом, правда, страдает запас реактивности на выгорание, его приходится увеличивать. Увеличение КК до 1,1 осуществляется путём увеличения объёмной доли топлива и введения внутренних зон воспроизводства (сырьевых кассет, стоящих внутри активной зоны). Выжигатель с КК=0,2, естественно, уничтожает трансурановые элементы повышенными темпами. Так, для случая металлического топлива в равновесной кампании такой реактор за год уничтожает более 240 кг трансурановых элементов против 81,6 кг в год в базовом варианте реактора. Следует заметить, однако, что КК=0,2 относится к трансурановым элементам. Для делящихся изотопов КК в таком реакторе получается уже 0,5. И очень неприятным оказывается значение обогащения по трансуранам - около 60%. Возможность создания надёжного топлива с таким обогащением американцы оценивали скептически. Другой крайний вариант реактора - вариант с КК=1,1 - фактически является уже не выжигателем, а бридером. Бридеры не вписывались в концепцию GNEP, и об этом варианте американские специалисты упоминали по- политкорректному вскользь. Но, тем не менее, в виду возможность превращения выжигателя в бридер имели.