БН-800

БН-800 — это энергетический ядерный реактор на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем, электрической мощностью 880 МВт (брутто) и тепловой мощностью 2100 МВт. Входит в состав четвёртого энергоблока Белоярской атомной электростанции (БАЭС) имени И. В. Курчатова, расположенной в городе Заречный Свердловской области, Россия. Реактор является головным образцом серии коммерческих быстрых натриевых реакторов и ключевым элементом российской программы по созданию замкнутого ядерного топливного цикла.

История создания

Решение о строительстве реактора БН-800 было принято в 1983 году в рамках программы развития атомной энергетики СССР. Проект разрабатывался в Опытном конструкторском бюро машиностроения имени И. И. Африкантова (ОКБМ, Нижний Новгород) под руководством главного конструктора Ф. М. Митенкова. Строительство энергоблока № 4 на Белоярской АЭС началось в 1987 году, однако в 1990-е годы, в условиях экономического кризиса, работы были приостановлены.

В 1997 году строительство возобновилось, но с корректировкой проекта. Первоначально планировалось, что реактор будет работать на смешанном уран-плутониевом оксидном топливе (MOX-топливо), однако из-за отсутствия на тот момент промышленного производства MOX-топлива в России была принята временная схема загрузки урановым оксидным топливом. В 2006 году строительство было включено в Федеральную целевую программу «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007—2010 годы и на перспективу до 2015 года».

Физический пуск реактора состоялся 27 июня 2014 года. 10 декабря 2015 года энергоблок был введён в промышленную эксплуатацию. В 2016 году реактор вышел на полную мощность.

Конструкция и принцип работы

БН-800 относится к реакторам-размножителям (бридерам) на быстрых нейтронах. В отличие от реакторов на тепловых нейтронах (например, ВВЭР), в активной зоне БН-800 нейтроны не замедляются до тепловых энергий, что позволяет эффективно использовать уран-238 и нарабатывать плутоний-239.

Активная зона и топливо

Активная зона реактора состоит из тепловыделяющих сборок (ТВС) с оксидным урановым топливом (UO₂). В перспективе планируется полный переход на MOX-топливо (смесь оксидов урана и плутония). Высота активной зоны — около 1 метра, диаметр — около 2,5 метров. Вокруг активной зоны расположены зоны воспроизводства (экраны) из обеднённого урана-238, где под действием быстрых нейтронов образуется плутоний-239.

Теплоноситель

В качестве теплоносителя используется жидкий натрий. Выбор натрия обусловлен его высокими теплофизическими свойствами: высокой теплопроводностью, низкой температурой плавления (97,8 °C) и высокой температурой кипения (882,9 °C). Натрий циркулирует по трём контурам:

1. Первый контур — радиоактивный натрий, проходящий через активную зону. Нагревается до температуры около 550 °C.
2. Промежуточный контур — нерадиоактивный натрий, передающий тепло от первого контура к парогенераторам.
3. Третий контур — водяной, где образуется пар, вращающий турбину.

Такая трёхконтурная схема исключает контакт радиоактивного натрия с водой, предотвращая возможные химические реакции.

Системы безопасности

Реактор оснащён пассивными и активными системами безопасности. К пассивным относятся: отрицательный температурный коэффициент реактивности (при повышении температуры реакция замедляется), система аварийного расхолаживания с использованием естественной циркуляции натрия, а также ловушка расплава (устройство для удержания расплавленного топлива в случае гипотетической аварии). Активные системы включают стержни аварийной защиты, автоматические регуляторы мощности и резервные дизель-генераторы.

Эксплуатация и переход на MOX-топливо

С момента ввода в эксплуатацию БН-800 работал на стандартном урановом оксидном топливе. Однако главной задачей реактора является отработка технологии использования MOX-топлива, произведённого из плутония, выделенного из отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) реакторов на тепловых нейтронах.

В 2020 году на реакторе началась загрузка опытных ТВС с MOX-топливом. В 2022 году была произведена первая полная перегрузка активной зоны с использованием серийного MOX-топлива, произведённого на Горно-химическом комбинате (ГХК, Железногорск, Красноярский край). В 2023 году реактор вышел на номинальную мощность с полностью загруженной активной зоной из MOX-топлива. Это событие считается важным шагом в реализации замкнутого ядерного топливного цикла в России.

Значение для атомной энергетики

БН-800 является крупнейшим действующим реактором на быстрых нейтронах в мире (по состоянию на 2024 год). Он выполняет несколько ключевых функций:

• Демонстрация технологии — подтверждение возможности безопасной и надёжной эксплуатации быстрых натриевых реакторов большой мощности.
• Замкнутый топливный цикл — наработка плутония-239 из урана-238 и использование плутония из ОЯТ позволяет многократно увеличить топливную базу ядерной энергетики.
• Утилизация плутония — сжигание оружейного и реакторного плутония в активной зоне реактора снижает риск его несанкционированного использования.
• Снижение радиоактивных отходов — в замкнутом цикле объём высокоактивных отходов сокращается, а их радиотоксичность снижается за счёт выжигания долгоживущих актинидов.

Перспективы развития

На основе опыта эксплуатации БН-800 разрабатывается проект реактора БН-1200 (БН-1200М) — коммерческого реактора на быстрых нейтронах мощностью 1200 МВт с улучшенными экономическими и безопасностными характеристиками. Сооружение головного энергоблока с БН-1200 планируется на Белоярской АЭС в 2030-х годах.

Кроме того, в России ведётся разработка реактора на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем (БРЕСТ-ОД-300) в рамках проекта «Прорыв», который также направлен на создание замкнутого ядерного топливного цикла.

Критика и проблемы

Несмотря на успешную эксплуатацию, БН-800 сталкивается с рядом проблем:

• Высокая стоимость — строительство и эксплуатация реактора обходятся дороже, чем реакторов на тепловых нейтронах.
• Сложность обращения с натрием — натрий химически активен, при контакте с водой или кислородом воздуха воспламеняется, что требует специальных мер безопасности.
• Коррозия — жидкий натрий при высоких температурах вызывает коррозию конструкционных материалов, что ограничивает ресурс оборудования.
• Неполная загрузка MOX-топливом — переход на MOX-топливо занял более 8 лет, что связано с задержками в создании промышленного производства MOX-топлива.

Интересные факты

• БН-800 является единственным в мире реактором на быстрых нейтронах, работающим на MOX-топливе в промышленных масштабах.
• В 2019 году реактор стал первым в мире, где была проведена полная перегрузка активной зоны без остановки энергоблока (режим «на ходу»).
• В 2021 году на БН-800 впервые в мире было проведено испытание системы аварийного расхолаживания с использованием только естественной циркуляции натрия, что подтвердило высокий уровень пассивной безопасности.

Источники

• Федеральная целевая программа «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007—2010 годы и на перспективу до 2015 года».
• Отчёты ОКБМ имени И. И. Африкантова по проекту БН-800.
• Материалы конференции «Быстрые реакторы и замкнутый ядерный топливный цикл» (2023).
• Публикации Росатома: «БН-800: первый в мире реактор с полной загрузкой MOX-топлива» (2023).
• Статья «БН-800 — опыт эксплуатации и перспективы» в журнале «Атомная энергия» (2022).