Kết thúc chu trình hạt nhân: Lò phản ứng BREST-OD-300 thế hệ IV của Nga
Lò phản ứng BREST-OD-300. Nguồn: youtube.com
Lò phản ứng với "urani cạn kiệt"
Khối lượng nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng ngày càng tăng đang buộc các vùng lãnh thổ rộng lớn phải xa lánh để xử lý. Ít nhất 350 nghìn tấn chất phóng xạ đã tích tụ trên Trái đất vào lúc này. Các cường quốc có nhà máy điện hạt nhân đang cố gắng tìm cách sử dụng ít nhất một số chất nguy hiểm. Gần đây, người ta nói về các loại đạn dược nhồi uranium nghèo được sản xuất từ nhiên liệu đã qua sử dụng. Vỏ rất đẹp, nhưng chúng hiếm khi được sử dụng đúng mục đích. Do đó, chúng không phù hợp với tư cách là người sử dụng chính nhiên liệu hạt nhân.
Tại sao chúng ta cần một lò phản ứng neutron nhanh? Điều gì là sai với phương pháp truyền thống dựa trên neutron nhân tạo?
Trước hết là về nhiên liệu. Một nhà máy điện hạt nhân cổ điển, chẳng hạn như Akkuyu của Thổ Nhĩ Kỳ, mà Nga hiện đang xây dựng cho Thổ Nhĩ Kỳ, sử dụng đồng vị uranium-235 làm nhiên liệu. Không có nhiều trong quặng uranium, nó đắt tiền và trữ lượng sẽ cạn kiệt sau một trăm năm nữa.
Lò phản ứng neutron nhanh "ăn" đồng vị uranium-238 Có vẻ như sự khác biệt chỉ là ba đơn vị, nhưng có một vực thẳm thực sự giữa các đồng vị này. 99 phần trăm của tất cả uranium trong quặng là cùng một đồng vị thứ 238. Đó là, có rất nhiều, và nó tương đối rẻ. Và nó chỉ phù hợp cho các nhà máy điện hạt nhân sử dụng neutron nhanh.
Phần thưởng chính của tất cả những câu chuyện – uranium-238 được tạo ra dưới dạng nhiên liệu đã qua sử dụng trong các lò phản ứng neutron chậm cổ điển.
Trang web ở Seversk, nơi BREST-OD-300 đang được xây dựng. Nguồn: youtube.com
Hãy quay trở lại Akkuyu của Thổ Nhĩ Kỳ, vẫn chưa được hoàn thành, nhưng đã nhận được lô uranium đầu tiên từ Novosibirsk.
Ngay sau khi nhà máy điện hạt nhân được khởi động, và trong vài năm nữa, nhiên liệu đã qua sử dụng sẽ xuất hiện, nó sẽ được các nhà khoa học hạt nhân Nga lấy đi để sử dụng trong các lò phản ứng neutron nhanh. Đó là chu kỳ của uranium trong tự nhiên.
Nhưng đó không phải là tất cả.
Ngay khi phóng uranium-238 vào lò phản ứng neutron nhanh, nó không chỉ giải phóng nhiệt trong phản ứng hạt nhân mà còn tạo ra một đồng vị mới - plutonium-239. Hóa ra đã có một loại nhiên liệu hỗn hợp và phổ quát mới, được gọi là "nhiên liệu MOX". Đây là một sản phẩm tốt - người Nhật và người châu Âu mua nó cho các nhà máy điện hạt nhân chạy neutron chậm hoặc nhiệt của họ.
Để tóm tắt phần giới thiệu, các nhà máy điện hạt nhân cổ điển tạo ra rất nhiều chất thải với tỷ lệ uranium-235 cao, được sử dụng trong các lò phản ứng tái tạo nhanh. Ngược lại, các lò phản ứng "nhanh" để lại "nhiên liệu MOX" thực tế đã sẵn sàng sau khi vận hành. Những chất thải này có thể được gửi trở lại các nhà máy điện hạt nhân thông thường. Chu kỳ kết thúc và nhu cầu “xanh hóa” ngành năng lượng toàn cầu tự động biến mất.
Học cách sử dụng nguyên tử hòa bình một cách chính xác, và bạn sẽ không cần đến những chiếc cối xay gió, tấm pin mặt trời hay những thứ rườm rà khác. Trong tay của nền văn minh bây giờ là một cơ sở nhiên liệu vô tận sẽ tồn tại trong vài thiên niên kỷ. Trong kịch bản này, thậm chí phản ứng tổng hợp nhiệt hạch bán thần thoại dường như không cần thiết.
Mọi thứ đều ổn trong câu chuyện này, nhưng chỉ có Nga mới có các công nghệ ưu tiên trong lĩnh vực năng lượng hạt nhân không chất thải. Và các đối tác cũ của chúng tôi ở phương Tây không thích điều này lắm.
Đã có lúc, họ tích cực tham gia vào các công nghệ "neutron nhanh" ở nước ngoài, nhưng do chi phí cao và khả năng sinh lời rõ ràng nên tất cả các dự án đều bị đóng cửa. Ở Mỹ, lò phản ứng EBR-II đã ngừng hoạt động vào năm 1994, ở Anh, DFR đã ngừng hoạt động vào năm 1977 và Superphenix của Pháp đã ngừng hoạt động vào năm 1998.
Nga tiếp tục làm việc với các lò phản ứng neutron nhanh, lò phản ứng duy nhất trên thế giới. Điều này nên được ghi nhớ bởi tất cả những người không ngừng nói về kim dầu khí, thứ mà đất nước chúng ta được cho là cuối cùng đã ngồi xuống và không thể từ bỏ.
Dự án "Đột phá"
Về mặt lý thuyết, không khó để biến một lò phản ứng neutron chậm thông thường thành một lò phản ứng "nhanh" - đối với điều này, chỉ cần thay thế nước trong lõi bằng một chất khác là đủ. Thực tế là nước, hơi nước, một số chất hữu cơ và carbon dioxide cũng bẫy và làm chậm neutron, do đó ngăn chặn sự phát triển của phản ứng hạt nhân.
Nếu khách hàng muốn một thiết bị dựa trên neutron nhanh, thì kim loại nóng chảy thấp, chẳng hạn như natri, sẽ phải được nạp vào vùng nóng của lò phản ứng làm chất làm mát. Chính natri nóng chảy sẽ truyền nhiệt từ các thanh uranium đến bộ tạo hơi nước trong lò phản ứng neutron nhanh BN-800 của Nga. Nó được ra mắt vào năm 2015 tại Nhà máy điện hạt nhân Beloyarsk, và hiện tại nó là tổ máy duy nhất thuộc loại này trên thế giới - các lò phản ứng neutron chậm cổ điển thống trị thế giới.
Có lẽ nhược điểm chính của BN-800 là chất làm mát gây tranh cãi. Bất cứ ai đã quen thuộc với khóa học hóa học ở trường có thể biết rằng natri rất hoạt động và sẵn sàng bùng phát trong không khí, chưa kể khi tiếp xúc với nước. Có đủ sự phức tạp với áo khoác nhiệt natri. Ví dụ, cần nạp lại nhiên liệu từ lò phản ứng trong các buồng chân không.
Tuy nhiên, các vấn đề đều có thể giải quyết được, nếu không thì Rosatom đã không chế tạo được lò phản ứng nhanh thứ hai, thậm chí còn mạnh hơn BN-1200. Sự ra mắt của nó được lên kế hoạch vào những năm 2030 với thời gian phục vụ ước tính lên đến năm 2090.
Nhưng dòng BN không còn thuộc dòng công nghệ chủ đạo của Nga - công nghệ truyền nhiệt sử dụng chì lỏng hiện đã đi đầu. Xung quanh vấn đề này, dự án Proryv xoay quanh, yếu tố chính là lò phản ứng thử nghiệm BREST-OD-300 (Lò phản ứng nhanh làm mát bằng chì an toàn tự nhiên).
Ý tưởng xây dựng lò phản ứng neutron nhanh với chì trong mạch sơ cấp ra đời từ đầu những năm 80 nhưng đến năm 2021 mới đi vào thực tiễn. BREST đang được xây dựng tại thành phố Seversk thuộc vùng Tomsk và họ hứa sẽ đưa nó vào hoạt động thử nghiệm vào cuối thập kỷ này.
Không dễ để đến và xem quá trình xây dựng một lò phản ứng độc đáo: Seversk là một thành phố khép kín, hoàn toàn dành cho việc sản xuất và nghiên cứu hạt nhân. Địa điểm được chọn bởi Tổ hợp hóa học Siberia, một trong những nhà sản xuất nhiên liệu chính của Rosatom.
Chì chưa bao giờ được sử dụng làm chất làm mát trong các lò phản ứng hạt nhân. Nguồn: youtube.com
Chì cho các nhà khoa học hạt nhân là một chất làm mát độc đáo. Trong không khí và khi tiếp xúc với nước, nó không bốc cháy mà chỉ đông đặc lại. Hấp thụ yếu và không làm chậm neutron, còn bức xạ ion hóa thì ngược lại, làm chậm rất tốt. Kết quả là, BREST và những loại khác tương tự sẽ phát ra bức xạ ít hơn một chiếc tủ lạnh gia dụng.
Một câu hỏi tự nhiên là tại sao BREST-OD-300 được phân loại là lò phản ứng thế hệ IV? Khác với chì, về cơ bản nó không khác gì thế hệ lò phản ứng neutron nhanh trước đây?
Thế hệ IV của lò phản ứng hạt nhân ngụ ý một loạt các tham số, trong đó an toàn, thân thiện với môi trường và chi phí điện ở đầu ra được đặt lên hàng đầu.
BREST-OD-300. Nguồn: ippe.ru
BREST nổi tiếng với một số giải pháp không tầm thường.
Trước hết, việc sản xuất nhiên liệu hạt nhân rất tốn kém và khó khăn. Tên chính thức của nó là nhiên liệu nitride uranium-plutonium hỗn hợp hoặc nhiên liệu MNUP, được sản xuất gần lò phản ứng đứng trong các cửa hàng của Tổ hợp Hóa học Siberia. Một sự thật nói lên một cách hùng hồn về sự phức tạp của sản phẩm mới - nó được tạo ra trong môi trường khí trơ.
Nhiên liệu SNP rất an toàn do phản ứng tối thiểu. Nếu nó khá đơn giản, thì không thể phân tán nó đến giới hạn thảm khốc, như đã xảy ra ở Chernobyl. Theo Rosatom, dự án Đột phá ở Seversk sẽ trở thành
“một cụm công nghệ hạt nhân của tương lai, bao gồm ba cơ sở được kết nối với nhau không có cơ sở tương tự nào trên thế giới: một mô-đun để sản xuất (chế tạo/tái chế) nhiên liệu hạt nhân uranium-plutonium; bộ nguồn BREST-OD-300; cũng như một mô-đun để tái xử lý nhiên liệu đã chiếu xạ.”
Về lý thuyết, BREST sẽ tự cung cấp plutonium-239 làm thành phần nhiên liệu chính, chỉ đơn giản bằng cách đốt cháy "khai thác" từ các lò phản ứng khác, bao gồm uranium-238.
Các yếu tố của dự án "Đột phá". Nguồn: youtube.com
Giờ đây, triển vọng của dự án Proryv nói chung và lò phản ứng BREST nói riêng bị hạn chế bởi một số lượng lớn “nhưng”.
Trước hết, cho đến khi tổ hợp đắt tiền và phức tạp này được đưa vào hoạt động, sẽ không thể nói về sự phục hưng toàn cầu của năng lượng hạt nhân Nga.
Bây giờ mọi người đều sợ hãi trước khả năng lặp lại của Fukushima và Chernobyl, buộc chúng ta phải làm việc với các lò phản ứng nước điều áp cổ điển trên neutron chậm. Nhân tiện, cái nào được xây dựng tốt nhất bởi người Nga. Nhưng điều này dẫn đến sự gia tăng không thể tránh khỏi chất thải hạt nhân và sự cạn kiệt dần các quặng uranium.
Sẽ mất 10–15 năm, thậm chí vài thập kỷ trước khi thiết bị lớp BREST-OD-300 có vị trí trên đỉnh Olympus năng lượng thế giới. Không thể làm gì được - đó là thuật ngữ của các cuộc cách mạng công nghệ trong nguyên tử dân sự.
tin tức