Китайские ученые-ядерщики начали монтаж установки сверхпроводящих ускорителей частиц в исследовательском ядерном центре в провинции Гуандун. Система ADS должна положить основу новой архитектуре ядерной энергетики.

Фото: https://rcnuclear.substack.com В Китае строят систему ADS

Елена Иванова

Что делать с отработавшим ядерным топливом и как повысить безопасность ядерных реакторов? Эти проблемы призваны решить не только реакторы четвертого поколения, но и система ADS, или ускорительно-управляемая подкритическая система. Установка включает в себя ядерный реактор субкритической конфигурации с мощным ускорителем частиц, который генерирует нейтроны для поддержания цепной реакции. В последние десятилетия исследования в области ADS активно ведутся в Европе, Китае и ряде других стран. Теперь один из лидеров направления, Институт современной физики при Китайской академии наук, что начались работы по монтажу установки сверхпроводящих ускорителей частиц в ядерном центре в провинции Гуандун.

Традиционные тепловые реакторы не способны эффективно перерабатывать долгоживущие актиниды, содержащиеся в отработавшем ядерном топливе. В результате такие элементы, как плутоний, нептуний и америций, остаются источником радиотоксичности на протяжении сотен тысяч лет.

Помимо Китая, наиболее известным европейским проектом в этой области является экспериментальный реактор MYRRHA, разрабатываемый в Бельгии.

Фото: https://rcnuclear.substack.com ADS для генерации энергии

Как работают ускорительно-управляемые реакторы

Классические ядерные реакторы функционируют в критическом режиме, при котором цепная реакция деления поддерживается за счёт нейтронов, возникающих при делении ядер топлива. В ускорительно-управляемых системах используется иной подход. Реакторная зона проектируется субкритической, то есть количество делящегося материала недостаточно для поддержания самопроизвольной цепной реакции.

Для компенсации этого используется внешний источник нейтронов. В качестве такого источника применяется линейный ускоритель протонов. Пучок протонов высокой энергии направляется на тяжёлую металлическую мишень (обычно свинец или вольфрам). В результате взаимодействия протонов с атомными ядрами происходит процесс спаллации, при котором из ядра выбивается большое количество нейтронов.

Эти нейтроны поступают в активную зону реактора и инициируют деление топлива. Важной особенностью системы является то, что реакция полностью зависит от работы ускорителя. При прекращении подачи протонного пучка поток нейтронов мгновенно исчезает, и реакция деления прекращается.

Такая схема обеспечивает принципиально новый уровень безопасности: остановка ускорителя автоматически приводит к остановке реактора.

Фото Института современной физики КНР. Центр ADS в провинции Гуандун

В чем ученые видят преимущества ADS

Ускорительно-управляемые реакторы рассматриваются как важный элемент будущего замкнутого ядерного топливного цикла. Их основное преимущество заключается в возможности эффективной трансмутации долгоживущих радиоактивных элементов.

В традиционных реакторах минорные актиниды практически не выгорают и накапливаются в составе отработавшего топлива. ADS-реакторы, напротив, могут использовать быстрый нейтронный спектр и специально подобранный состав топлива, что позволяет эффективно «сжигать» такие элементы.

По оценкам специалистов, применение технологии трансмутации может снизить радиотоксичность отходов примерно в сто раз и сократить время их изоляции с сотен тысяч лет до нескольких столетий.

Кроме того, ускорительно-управляемые системы предполагается использовать для разработки новых типов ядерного топлива, испытаний материалов для реакторов четвёртого поколения,
производства медицинских радиоизотопов, исследований в области ядерной физики.

Фото: China Science Foundation. Прототип линейного ускорителя

Китайская программа ADS ориентирована на создание закрытого ядерного цикла

Китай стал разрабатывать свою программу ADS значительно позднее других стран, только в 1990 годах, хотя первые теоретические основы были заложены на 10 лет раньше. Однако теоретические исследования интересуют китайских ученых меньше, чем их европейских коллег. Они рассматривают ускорительно-управляемые системы как важную часть стратегии развития ядерной энергетики. Уже построены первый прототип, которые способны достичь промышленных параментров.

Китайская концепция основана на сочетании линейного ускорителя, спаллационной мишени и субкритического реактора на быстрых нейтронах. В качестве теплоносителя рассматриваются жидкометаллические системы, прежде всего, свинец или свинец-висмут.

Особое внимание китайские исследовательские центры уделяют разработке высоконадёжных сверхпроводящих ускорителей, способных работать в непрерывном режиме. Надёжность ускорителя является критически важным параметром, поскольку частые остановки пучка могут приводить к термическим нагрузкам в реакторной зоне.

Китайская программа также ориентирована на использование ADS в ториевом топливном цикле и создание реакторов, способных одновременно перерабатывать отходы и производить ядерное топливо нового поколения.

 Сверхпроводящие линейные ускорители открытвают новые возможности для ядерной энергетики. Разгоняя протонные пучки до 80 % практически до скорости света,  они направляют их на мишень из жидкого сплава свинца и висмута. При бомбардировке возникает мощный поток нейтронов, способный в промышленных масштабах преобразовывать уран‑238 в плутоний‑239. 

Фото: SCK-CEN. Ядерный центр в Бельгии

Европейский проект MYRRHA станет конкурентом китайского в 2038 году

Наиболее продвинутым европейским проектом ADS является реактор MYRRHA (Multi-purpose Hybrid Research Reactor for High-tech Applications), разрабатываемый в Бельгии исследовательским центром SCK CEN.

Проект предполагает использование линейного ускорителя с энергией протонов около 600 МэВ и током пучка до 4 мА. Активная зона реактора охлаждается жидким эвтектическим сплавом свинца и висмута, который одновременно выполняет функцию теплоносителя и материала мишени для спаллации. Тепловая мощность реактора составляет около 100 МВт, что позволяет использовать установку как исследовательский и демонстрационный объект.

Строительство комплекса реализуется поэтапно. Первый этап включает создание ускорителя до энергии 100 МэВ и исследовательских установок. Второй этап предусматривает увеличение энергии ускорителя до 600 МэВ. На заключительном этапе планируется сооружение субкритического реактора, ввод которого ожидается к середине 2030-х годов.

В отличие от китайского проекта, MYRRHA реализуется учеными и правительствами нескольких стран и ставит своей задачей исследование технологий будущих реакторов.

Фото: IAEA. Прототип реактора для ADS

Что отличает экономику ускорительно-управляемых ядерных систем (ADS) от традиционных ректоров

Развитие ускорительно-управляемых ядерных систем (Accelerator-Driven Systems, ADS) связано с формированием нового сегмента высокотехнологичного рынка на стыке атомной энергетики, ускорительной физики и материаловедения. С точки зрения экономики, ADS-реакторы не рассматриваются как классические энергетические объекты. Их финансовая модель обычно включает несколько источников дохода или компенсации затрат.

Те страны, которые первыми получат ADS-реакторы, способные перерабатывать сырье в промышленных масштабах, смогут перерабатывать ядерные отходы. Сейчас в мире накоплены значительные объёмы минорных актинидов, которые крайне сложно утилизировать в традиционных реакторах.

Еще один источник дохода — производство медицинских и промышленных изотопов. Высокий поток нейтронов делает такие установки эффективными для получения редких радиоизотопов.

Третий путь — испытание материалов для реакторов четвёртого поколения. Высокие нейтронные потоки позволяют моделировать условия работы быстрых реакторов и термоядерных установок.

В некоторых концепциях ADS также рассматривается возможность производства электроэнергии, однако в большинстве проектов это вторичная функция.

Сколько стоит ADS

Создание ускорительно-управляемой системы требует интеграции нескольких сложных технологических комплексов. Основные капитальные затраты приходятся на следующие элементы:

линейный ускоритель частиц высокой мощности,
реакторную установку субкритического типа,
систему спаллационной мишени,
жидкометаллическую систему охлаждения,
радиохимическую инфраструктуру переработки топлива.

Большая часть затрат приходится на ускоритель. В современных проектах используется сверхпроводящий линейный ускоритель протонов с энергией порядка 600–1000 МэВ и током пучка несколько миллиампер. Такие ускорители работают в непрерывном режиме и требуют сложных криогенных систем. По оценкам европейских исследовательских центров, ускорительный комплекс может составлять 30–40 % общей стоимости установки.

Например, бюджет европейского демонстрационного проекта MYRRHA оценивается примерно в 1,6 млрд евро, что сопоставимо со стоимостью среднего исследовательского реактора.

Потенциальный размер рынка

По оценкам международных исследовательских организаций, объём рынка технологий, связанных с трансмутацией ядерных отходов, может достигнуть десятков миллиардов долларов в течение ближайших десятилетий. Это связано с тем, что страны с развитой атомной энергетикой будут вынуждены инвестировать значительные средства в решение проблемы долгоживущих отходов. Кроме того, развитие ADS стимулирует смежные рынки:

сверхпроводящих ускорителей частиц,
высокотемпературных материалов,
жидкометаллических теплоносителей,
ядерного топлива нового поколения.

В совокупности эти направления формируют новый технологический кластер, который может оказать значительное влияние на развитие атомной энергетики.