Реактор на бегущей волне

Численное моделирование работы реактора на бегущей волне. Красный: уран-238, светло-зеленый: плутоний-239, чёрный: продукты деления. Интенсивность синего цвета между плитками указывает на плотность нейтронов

Реактор на бегущей волне (реактор-самоед, реактор Феоктистова) — теоретическая концепция ядерного реактора на быстрых нейтронах, работающего на уране-238 за счёт наработки из него плутония-239. Главное отличие идеи от других концепций реакторов-размножителей в том, что цепная реакция деления происходит не сразу во всей активной зоне реактора, а ограничена определённым участком, который с течением времени перемещается внутри этой зоны.

Краткая история концепции

Впервые идея «саморегулирующегося реактора», названная на западе концепцией «breed-and-burn», а в среде советских специалистов «реакторами-самоедами», была предложена в 1958 году сотрудниками Курчатовского института С. М. Фейнбергом и Е. П. Кунегиным^[1]. В дальнейшем такие реакторы исследовали Майкл Дрисколл (1979)^[2], Л. П. Феоктистов, который «реанимировал» идею саморегулирующегося реактора в качестве концепции «бегущей волны» (1988)^[3]^[4], Теллер, Исикава и Вуд (1995)^[5], Хьюго ван Дам (2000)^[6], Хироси Сэкимото (2001), обосновавший идею расчётами и многократно докладывавший о ней на международных семинарах и конференциях^[7]^[8].

Дальше теоретических исследований концепция не двинулась до настоящего времени^[9]. В 2006 году корпорация Intellectual Ventures^[англ.] создала венчурную компанию TerraPower (в число совладельцев компании входит Билл Гейтс) для создания промышленного образца реактора на бегущей волне^[10]. Разрабатываются модели различной мощности — 300 и 1000 МВт^[11].

Физические принципы работы реактора

Документация и презентационные материалы компании TerraPower^[12]^[13]^[14] описывают реактор на бегущей волне как реактор бассейнового типа, с охлаждением жидким натрием. В качестве ядерного топлива используется, в основном, обеднённый уран, однако требуется небольшое количество обогащённого урана для начала цепной реакции. Некоторые быстрые нейтроны, производимые обогащённым топливом, поглощаются прилегающим слоем обеднённого урана, который превращается в плутоний в результате реакции:

${}_{92}^{238}{\textrm {U}}+{}_{0}^{1}{\textrm {n}}{\xrightarrow {}}_{92}^{239}{\textrm {U}}{\xrightarrow[{23,5min}]{\beta ^{-}}}{}_{93}^{239}{\textrm {Np}}{\xrightarrow[{2,3days}]{\beta ^{-}}}{}_{94}^{239}{\textrm {Pu}}{\xrightarrow[{2,4\cdot 10^{4}years}]{\alpha }}$

Первоначально активная зона заполнена обеднённым ураном. Небольшое количество обогащённого топлива помещается с одной стороны зоны. В процессе работы активная зона реактора делится на 4 части, содержащих:

отработанное топливо;
обогащённое топливо, в которой происходит образование нейтронов;
обогащающееся топливо, в которой происходит поглощение нейтронов;
ещё не вступавший в реакцию материал;

Зона реакции перемещается внутри активной зоны с течением времени. Тепловыделение от ядерной реакции преобразуется в электрическую энергию с помощью паровых турбин.

Ядерное топливо

В отличие от реакторов на лёгкой воде, к которым относятся все водяные реакторы, эксплуатируемые в России, и двух промышленных реакторов на быстрых нейтронах, расположенных на Белоярской АЭС, реактор на бегущей волне может быть загружен обеднённым ураном для непрерывной работы в течение 60 лет^[13]. Реакторы на бегущей волне более экономичны, для них не требуются специальные процедуры обогащения ядерного топлива.

Обеднённый уран является достаточно доступным сырьём. Так, в США имеется более 700 000 метрических тонн обеднённого урана, который является побочным продуктом в процессе обогащения.

Теоретически в качестве топлива может использоваться отработанное топливо как обычных водяных реакторов, так и других реакторов на бегущей волне.

См. также

Примечания

↑ S.M.Feinberg. Discussion Content (англ.) // Record of Proceedings Session B-10, Int. Conf. on the Peaceful Uses for Atomic Energy. — Geneva, Switzerland: United Nations, 1958. — Vol. 9, no. 2. — P. 447.
↑ M.J. Driscoll, B. Atefi, D. D. Lanning, «An Evaluation of the Breed/Burn Fast Reactor Concept», MITNE-229 (Dec. 1979).
↑ Л. П. Феоктистов, Анализ одной концепции физически безопасного реактора, препринт ИАЭ-4605/4, Москва — ЦНИИатоминформ, 1988
↑ V.D.Rusov, D.A.Litvinov, S.Cht.Mavrodiev, E.P.Linnik, V.N.Vaschenko, T.N.Zelentsova, M.E.Beglaryan, V.A.Tarasov, S.A.Chernegenko, V.P.Smolyar, P.O.Molchinikolov, K.K.Merkotan. The KamLAND-experiment and Soliton-like Nuclear Georeactor. Part 1. Comparison of Theory with Experiment (англ.). Cornell University. Дата обращения: 24 ноября 2010.
↑ E. Teller, M. Ishikawa, and L. Wood, «Completely Automated Nuclear Power Reactors for Long-Term Operation», Proc. Of the Frontiers in Physics Symposium, American Physical Society and the American Association of Physics Teachers Texas Meeting, Lubbock, Texas, United States (1995).
↑ H. van Dam, «The Self-stabilizing Criticality Wave Reactor», Proc. Of the Tenth International Conference on Emerging Nuclear Energy Systems (ICENES 2000), p. 188, NRG, Petten, Netherlands (2000)
↑ H. Sekimoto, K. Ryu, and Y. Yoshimura, «CANDLE: The New Burnup Strategy», Nuclear Science and Engineering, 139, 1-12 (2001)
↑ Георгий Тошинский: реактор из Обн-Аламоса для СВБР не конкурент (неопр.). Интервью с Г. И. Тошинским. AtomInfo.Ru (4 февраля 2010). Дата обращения: 24 ноября 2010. Архивировано 24 апреля 2013 года.
↑ Филипп Бетке. Электричество из-под земли (неопр.). Перевод публикации Der Spiegel. PROatom.ru (19 апреля 2010). Дата обращения: 24 ноября 2010. Архивировано 22 августа 2017 года.
↑ Антон Благовещенский. Toshiba и Билл Гейтс обеспечат человечество энергией на столетия (неопр.). Российская газета (24 марта 2010). Дата обращения: 26 марта 2010. Архивировано 16 марта 2014 года.
↑ K. Weaver, C. Ahlfeld, J. Gilleland, C. Whitmer and G. Zimmerman, «Extending the Nuclear Fuel Cycle with Traveling-Wave Reactors», Paper 9294, Proceedings of Global 2009, Paris, France, September 6-11, (2009)
↑ R. Michal and E. M. Blake. «John Gilleland: On the traveling-wave reactor» (англ.) (pdf). Nuclear News, p. 30-32 (сентябрь 2009). Дата обращения: 26 марта 2010. Архивировано 21 апреля 2012 года.
↑ ¹ ² Wald, M. 10 Emerging Technologies of 2009: Traveling-Wave Reactor (англ.) : journal. — MIT Technology Review.
↑ Gilleland, John. TerraPower, LLC Nuclear Initiative (неопр.). University of California at Berkeley, Spring Colloquium (20 апреля 2009). Дата обращения: 26 марта 2010. Архивировано из оригинала 31 июля 2009 года.

Ссылки

Реакторы "бегущей волны" смогут работать сотни лет на ядерных отходах (рус.). Российское атомное сообщество. Дата обращения: 2 апреля 2013. Архивировано из оригинала 5 апреля 2013 года.
Видео: описание принципа работы (англ.). Дата обращения: 30 марта 2011. Архивировано из оригинала 21 апреля 2012 года.
Презентация, с описанием подробностей работы реактора (англ.) (pdf). Дата обращения: 26 марта 2010. Архивировано из оригинала 31 марта 2010 года.

[1] S.M.Feinberg. Discussion Content (англ.) // Record of Proceedings Session B-10, Int. Conf. on the Peaceful Uses for Atomic Energy. — Geneva, Switzerland: United Nations, 1958. — Vol. 9, no. 2. — P. 447.

[2] M.J. Driscoll, B. Atefi, D. D. Lanning, «An Evaluation of the Breed/Burn Fast Reactor Concept», MITNE-229 (Dec. 1979).

[3] Л. П. Феоктистов, Анализ одной концепции физически безопасного реактора, препринт ИАЭ-4605/4, Москва — ЦНИИатоминформ, 1988

[4] V.D.Rusov, D.A.Litvinov, S.Cht.Mavrodiev, E.P.Linnik, V.N.Vaschenko, T.N.Zelentsova, M.E.Beglaryan, V.A.Tarasov, S.A.Chernegenko, V.P.Smolyar, P.O.Molchinikolov, K.K.Merkotan. The KamLAND-experiment and Soliton-like Nuclear Georeactor. Part 1. Comparison of Theory with Experiment (англ.). Cornell University. Дата обращения: 24 ноября 2010.

[5] E. Teller, M. Ishikawa, and L. Wood, «Completely Automated Nuclear Power Reactors for Long-Term Operation», Proc. Of the Frontiers in Physics Symposium, American Physical Society and the American Association of Physics Teachers Texas Meeting, Lubbock, Texas, United States (1995).

[6] H. van Dam, «The Self-stabilizing Criticality Wave Reactor», Proc. Of the Tenth International Conference on Emerging Nuclear Energy Systems (ICENES 2000), p. 188, NRG, Petten, Netherlands (2000)

[7] H. Sekimoto, K. Ryu, and Y. Yoshimura, «CANDLE: The New Burnup Strategy», Nuclear Science and Engineering, 139, 1-12 (2001)

[8] Георгий Тошинский: реактор из Обн-Аламоса для СВБР не конкурент (неопр.). Интервью с Г. И. Тошинским. AtomInfo.Ru (4 февраля 2010). Дата обращения: 24 ноября 2010. Архивировано 24 апреля 2013 года.

[9] Филипп Бетке. Электричество из-под земли (неопр.). Перевод публикации Der Spiegel. PROatom.ru (19 апреля 2010). Дата обращения: 24 ноября 2010. Архивировано 22 августа 2017 года.

[10] Антон Благовещенский. Toshiba и Билл Гейтс обеспечат человечество энергией на столетия (неопр.). Российская газета (24 марта 2010). Дата обращения: 26 марта 2010. Архивировано 16 марта 2014 года.

[11] K. Weaver, C. Ahlfeld, J. Gilleland, C. Whitmer and G. Zimmerman, «Extending the Nuclear Fuel Cycle with Traveling-Wave Reactors», Paper 9294, Proceedings of Global 2009, Paris, France, September 6-11, (2009)

[12] R. Michal and E. M. Blake. «John Gilleland: On the traveling-wave reactor» (англ.) (pdf). Nuclear News, p. 30-32 (сентябрь 2009). Дата обращения: 26 марта 2010. Архивировано 21 апреля 2012 года.

[Wald-13] ¹ ² Wald, M. 10 Emerging Technologies of 2009: Traveling-Wave Reactor (англ.) : journal. — MIT Technology Review.

[Gilleland-14] Gilleland, John. TerraPower, LLC Nuclear Initiative (неопр.). University of California at Berkeley, Spring Colloquium (20 апреля 2009). Дата обращения: 26 марта 2010. Архивировано из оригинала 31 июля 2009 года.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]