О некоторых «узких» местах в формировании системы ЯЭ с замкнутым топливным циклом и потенциальная роль гибридных синтез-деление наработчиков топлива в системе ЯЭ

Во многом переход на замкнутый топливный цикл связан с ограниченностью экономически доступной топливной базы и низкой эффективностью использования природного урана (тепловые реакторы с коэффициентом конверсии существенно меньшим единицы и малой глубиной выгорания в открытом топливном цикле). Это несоответствие второму базовому принципу и является одним из «узких» мест, препятствующих дальнейшему развитию ядерной энергетики большого масштаба.

Однако даже с переводом ЯЭ на замкнутый топливный цикл могут возникнуть другие «узкие» места, способные затормозить наращивание мощностей ЯЭ. Одно из них будет связано с нарастанием потоков свежего и облученного топлива, циркулирующих в глобальном ядерном топливном цикле. Особенно это проявится при распространении этой технологии производства энергии для стран третьего мира, остро нуждающихся в энергии для своего развития [7.22].

Здесь «узким» местом может оказаться малая глубина выгорания топлива прежде всего в тепловых реакторах, разбросанных по всему миру. Как хорошо известно, масштаб потоков свежего и облученного топлива впрямую зависит от глубины выгорания. Поэтому перевод тепловых реакторов на топливо со стабилизированными размножающими свойствами и глубоким (а, может быть и сверхглубоким) выгоранием станет одним из важнейших факторов повышения эффективности глобального топливного цикла. Как показало предыдущее обсуждение, роль гибридных синтез-деление наработчиков топлива с ториевым бланкетом может оказаться ключевой.

Другим «узким» местом может стать сама структура мощностей крупномасштабной ЯЭ с замкнутым топливным циклом. Это может произойти, если она будет в основе своей двухкомпонентной (ТР + БР) и на быстрых реакторах будет полностью лежать необходимость обеспечения тепловых реакторов топливом.

Это «узкое» место будет заключаться в том, что мощности БР должны будут доминировать в такой системе, что приведет к потере гибкости в производстве различных видов энергии (электричество, высокотемпературное тепло, низкотемпературное тепло, производство водорода, большая химия, транспорт, опреснение и др.). А кроме этого, при доминирующей доле быстрых реакторов окажется менее гибкой способность системы реагировать на переменный график нагрузки потребителя. С помощью относительно небольшой доли мощностей ГТР синтез-деление этот перекос можно было бы не только поправить, но и гибко подстроить под текущие задачи народного хозяйства и развития новых технологий.

Третьим «узким» местом может стать неспособность быстрых реакторов обеспечить тепловые реакторы урановым топливом при доминирующей доле тепловых реакторов в системе ЯЭ. В настоящее время тепловые реакторы в основном используют урановое топливо низкого обогащения, что является важным элементом в проблеме нераспространения ядерного оружия. Подключение ГТР синтез-деление с ториевым бланкетом может не только сохранить это важное свойство системы ЯЭ на длительную перспективу, но и укрепить его при использовании многоизотопного уранового топлива в тепловых реакторах, разбросанных по всему миру.

Поэтому есть основания думать, что именно в перечисленном может оказаться главное преимущество введения гибридных наработчиков, а не в производстве энергии за счет интенсивного деления сырьевого и накапливаемых делящихся материалов в бланкете этих гибридных установок.

Что касается быстрых реакторов, то в рассматриваемой системе ЯЭ на основе совместного вовлечения регенерированного урана и тория в топливный цикл, им может быть отведена роль переработчиков плутония в уран-233 (а также сжигателей младших актинидов) для его последующего использования в тепловых реакторах с многоизотопным урановым топливом. Для этого в быстрых реакторах должно использоваться топливо на основе (Ри-ТЬ)-смеси. Важно при этом заметить, что даже при небольшой доле ГТР синтезделение в системе ЯЭ (-10−20%), требования к БР по темпу наработки урана-233 могут быть смягчены, а их доля в системе может соответствовать базовой части графика нагрузки.

Сейчас для улучшения воспроизводства в самой распространенной реакторной технологии — технологии легководных реакторов предложена и исследуется, по существу, её экстремальная концепция — реакторы с закритическими параметрами легководного теплоносителя. И это — ради повышения внутреннего воспроизводства (и одновременно, конечно, ради повышения КПД). В то же время, подключение ГТР синтез-деление открывает возможность, наряду с освоением уже накопленных запасов ОЯТ, после его переработки и выделения регенерированного урана, с включением ²³¹Ра перейти на более жесткий спектр нейтронов. А это, в свою очередь, позволит перейти на стальные оболочки и глубокое выгорание топлива, и все это даже без настоятельной необходимости форсированного перехода на экстремальные закритические параметры водного теплоносителя в реакторе (такое улучшенное топливо даст ГТР синтез-деление с Th-бланкетом).

Поэтому можно заключить, что подключение ГТР синтезделение в систему ЯЭ открывает возможность улучшить нейтронно-физические параметры легководных реакторов путем изменения нуклидного состава топлива даже без форсирования теплофизических параметров теплоносителя (хотя такое форсирование в определённой мере может и не исключаться).

Отметим, что данная концепция международных ядернотехнологических центров по утилизации плутония обсуждается в работе [7.28].