Сегодня, особенно после Чернобыля и Фукусимы, мировая энергетика стоит перед выбором: куда идти? Запасы углеводородного топлива быстро истощаются, угля много, но он экологически опасен. Существующая атомная энергетика потенциально грозит тяжелыми авариями, альтернативная энергетика не способна заменить традиционную, термоядерная далека от практической реализации. Многие специалисты видят выход в использовании ториевых атомных реакторов. Свой взгляд на эту проблему в интервью нашему журналу высказывает ведущий научный сотрудник РФЯЦ-ВНИИЭФ, кандидат физико-математических наук Василий Маршалкин, Областью исследований которого уже много лет является ядерная физика, нейтронная физика и топливные циклы.

Редкие земли: Василий Ермолаевич, как вы оцениваете место тория в современной ядерной энергетике?
В ядерной энергетике наряду с большими достижениями выявились и серьезные трудности, ограничивающие ее использование. В современных реакторах в процессе эксплуатации для энерговыделения используется всего лишь 0,5% добытого урана, что ограничивает топливный ресурс. При этом 10% добытого урана идет в радиоактивные отходы, что осложняет экологическую обстановку. Сам реактор является ядерноопасной системой, так как работает с запасом реактивности. Кроме того, в процессе работы реактора в топливе в результате облучения накапливается примерно 1% плутония. Этот плутоний потенциально может быть использован для несанкционированного изготовления взрывных устройств.
По нашему убеждению, все эти и другие проблемы современной ядерной энергетики на самом деле являются проблемами уран-плутониевого топливного цикла и могут быть решены профилактически при ее переводе на замкнутый торий-уран-плутониевый топливный цикл и адаптации активной зоны тепловых реакторов к Th-U-Pu-оксидному топливу. Вдохновляющим примером целесообразности исследований в этом направлении являются создание, работа и результаты переработки отработавшего оксидного торий-уранового топлива водо-водяного реактора бридера (LWBR) в Шиппингпорте. Экспериментально показаны возможности: — достижения расширенного воспроизводства (kв ≈ 1,013) 233U в 232Th-233U оксидном топливе; — использования обычной воды в качестве теплоносителя; — радиохимической переработки облученного топлива с выделением урана, содержащего радиологически опасный изотоп 232U. Таким образом, экспериментально продемонстрирована возможность реализации замкнутого торий-уранового топливного цикла.
Наша последняя работа по расширенному воспроизводству урана-233 в торий-урановом цикле была спровоцирована этой шиппингпортовской работой. Здесь самое главное — обеспечить эффективное использование нейтронов. В современных реакторах берется запас реактивности, но в систему вводятся специальные поглотители нейтронов, чтобы система не переходила через критическое состояние (то есть находилась в стабильном состоянии). Американцы обеспечивали поддержание критического состояния с помощью подвижной активной зоны. Нам представляется целесообразным в реакторах типа ВВЭР (водо-водяной энергетический реактор) с торий-урановым оксидным топливом на старте в качестве теплоносителя использовать тяжелую воду или смесь тяжелой воды с легкой водой, а потом в процессе работы реактора поддерживать его в критическом состоянии путем разбавления тяжелой воды легкой водой. При этом подавляющая часть нейтронов, которые образуются в системе, будут рационально использоваться либо на деление ядер, либо на воспроизводство топлива. Если коротко, такая ядерная энергетика, на мой взгляд, выгодно отличается от существующей по топливоиспользованию. То есть практически весь торий может быть использован по своему прямому назначению — для энерговыделения. При этом наработанные изотопы нептуния, плутония также будут выгорать в активной зоне такого реактора. И в конечном счете продукты деления ядер будут отделены от актиноидов, и проблема обращения с радиоактивными отходами принципиально упростится. Есть еще один положительный момент — из тория вместе с ураном-233 нарабатывается некоторое количество урана-232, радиоактивный ряд которого характеризуется серьезной радиологической опасностью. И его наличие в уране-233 может служить технологическим барьером на пути несанкционированного использования такого урана для ядерных взрывных устройств. Таким образом, представляется возможным: — повысить на ~ 2 порядка топливный ресурс; — качественно упростить обращение с радиоактивными отходами; — понизить ядерную опасность реактора; — создать технологический барьер на пути распространения расщепляющихся материалов и ядерных технологий. Можно ожидать, что реализация этих резервов и приведет к ренессансу ядерной энергетики.

РЗ: Каким образом предполагается перерабатывать радиоактивные отходы?
В настоящее время ядерная энергетика работает в открытом топливном цикле, и отработавшее ядерное топливо является высокоактивным радиоактивным отходом. Оно содержит стартовые и нарабатываемые актиноиды, продукты их распада, а также продукты деления актиноидов. Основная масса продуктов деления, которые по своей природе являются радиоактивными, как правило, сравнительно быстро распадается до очень долгоживущих, или стабильных, ядер. Лишь некоторая доля сравнительно долгоживущих осколков деления может представлять долговременную радиологическую опасность. Актиноиды и члены их радиоактивных рядов, как правило, являются долгоживущими. И вот эта долгоживущая компонента радиоактивных отходов качественно осложняет проблему обращения с отходами. Как выше отмечено, в замкнутом торий-уран-плутониевом топливном цикле подавляющая масса актиноидов будет возвращаться в реактор. Таким образом, проблема обращения с радиоактивными отходами сведется к обращению с продуктами деления и принципиально упростится.

РЗ: А как обстоят дела сейчас?
К сожалению, в существующей ядерной энергетике перерабатывается очень малая доля облученного топлива. Основная его масса находится в хранилищах. Эта масса постоянно накапливается и потенциально представляет собой серьезную экологическую опасность.

РЗ: В 2005 году вместе с Юрием Трутневым и Вячеславом Соловьевым вы посещали Индию. Насколько серьезно там занимаются проблемой использования тория в ядерной энергетике?
В Индии мало энергоресурсов, запасы урана малозначительны, но зато у них много монацитового песка, содержащего торий. Они возлагают большие надежды на использование тория в ядерной энергетике. Национальная программа у индийцев довольно сложная и состоит из нескольких этапов. Первый этап предполагает наработку плутония на существующих реакторах, в том числе реакторах, которые им недавно построил «Росатом». Затем, на втором этапе, этот плутоний нужно будет размножить в быстрых реакторах и таким образом увеличить имеющийся резерв активных материалов. И уже используя этот плутоний, запустить реакторы на тории. Они тоже предполагают, что эти реакторы будут работать в режиме самообеспечения топливом.

РЗ: То есть им не нужно будет топливо, они сами его будут вырабатывать?
Индия по сути «обречена» на ториевую ядерную энергетику в связи с большими запасами тория, и индийские специалисты системно ею занимаются. В реакторе только некоторые изотопы делятся нейтронами любой энергии, в частности, уран-233, уран-235, плутоний-239. Торий-232 и уран-238 делятся только очень жесткими (быстрыми) нейтронами, то есть с малой вероятностью. Но зато торий-232 и уран-238, захватывая медленные нейтроны, переходят в активные материалы. Торий-232, захватывая нейтрон, превращается в торий-233, потом торий-233 распадается бета-распадом в протактиний-233, тот еще раз распадается бета-распадом в уран-233. А уран-233 уже делится нейтронами всего спектра нейтронов деления. Аналогично получается с ураном-238. Он тоже поглощает нейтрон, получается уран-239, который распадается бета-распадом на нептуний-239, тот еще раз распадается бета-распадом на плутоний-239. А плутоний-239 тоже делится нейтронами всего спектра нейтронов деления. Вот индийцы и хотят наработать плутоний-239 в достаточном количестве, на этом плутонии вместе с торием запустить реакторы с наработкой урана-233 на тории-232 и потом уже выйти на самообеспечение изотопом урана-233.

РЗ: Есть информация, что индийцы хотят уже к 2025 году получить первую энергию!
Пока Индия обладает малыми мощностями ядерной энергетики в открытом уран-плутониевом топливном цикле, и запустить ториевую ядерную энергетику по полной программе и в большом объеме им будет очень трудно. Однако они успешно продвигаются в решении научных, технических, технологических проблем и разработок инфраструктуры параллельно по всем трем этапам своей программы. В порядке пилотных экспериментов, я думаю, им удастся осуществить задуманное.