Новые тепловыделяющие элементы, предназначенные для использования в атомных реакторах, обеспечивают возможность эксплуатации без необходимости частой замены топлива на протяжении длительного времени. Это особенно важно для атомных электростанций малой мощности, расположенных в отдаленных районах, таких как Крайний Север или тропические острова, где отсутствует доступ к централизованным энергосетям.
На Земле существует значительное число изолированных энергосистем, где основным источником электроэнергии выступают дизель-генераторы. Даже в тропических регионах стоимость электроэнергии, вырабатываемой ими, достигает десятков рублей за киловатт-час. На российском Крайнем Севере, где доставка дизельного топлива затруднена и возможна лишь в определенные периоды года, положение дел еще более критичное. Из-за своей изолированности малые энергосистемы, использующие ветровые и солнечные электростанции, не способны полностью удовлетворить свои потребности: в безветренное время суток, в частности, в продолжительную полярную ночь, все равно приходится использовать дорогостоящие дизель-генераторы, которые выделяют большое количество опасных микрочастиц.
Для решения этой задачи «Росатом» уже некоторое время ведет разработку реакторов, основанных на ледокольных установках. Это маломощные, но компактные устройства, подходящие для небольших энергосистем, где невозможно эффективно использовать избыточную энергию. В качестве топлива они используют материал с повышенным содержанием урана-235 (до 18,6%), что значительно превышает показатели, используемые на обычных атомных электростанциях (менее 5%),
Однако даже такие системы имеют свои ограничения. К примеру, на плавучей атомной электростанции «Академик Ломоносов», оснащенной реактором КЛТ-40С, требуется периодическая перегрузка топлива каждые 3-4 года. Для замены отработанного ядерного топлива требуется сложная и объемная установка, а также место для временного хранения извлеченных топливных стержней. Для малых реакторов это сопряжено со значительными затратами. В период проведения перегрузок возникает необходимость в резервной теплоэлектростанции, которая должна компенсировать простой атомной электростанции.
Решение проблемы представлялось возможным путем замены на «резервную» плавучую станцию, однако для этого желательно было бы продлить срок службы малой АЭС до перегрузки. Это позволило бы сократить количество «заменяемых» плавучих станций и, соответственно, уменьшить затраты. Однако добиться этого достаточно сложно в случае реактора на медленных нейтронах: характеристики обычного топлива на основе оксида урана не позволяют использовать топливные стержни с таким топливом в течение длительного периода.
Физики из Томского политеха предложили новаторское решение проблемы. Они попытались оценить возможность замены традиционного ядерного топлива — смеси оксида урана-238 и оксида урана-235 — на смесь оксида тория-232 и урана-233. Соответствующую статью опубликовали в Annals of Nuclear Energy.
Запасы тория на нашей планете значительно превышают запасы урана, однако, подобно урану-238, он сам по себе не подвержен делению (как и все изотопы с четным числом). Для использования тория в атомных электростанциях необходимо предварительно облучать торий-232 нейтронами. В результате этой процедуры часть атомов поглощает нейтроны и трансформируется в уран-233 (через последовательность превращений: торий-232+нейтрон — торий-233 — протоактиний-233 — уран-233), который уже способен к энергичному делению. Тем не менее, ториевый цикл оказывает заметное влияние на теплофизические характеристики реактора. Кроме того, полная модернизация небольших реакторов представляет собой достаточно дорогостоящий проект.
Томские ученые провели расчеты, направленные на определение необходимых изменений в реакторе КЛТ-40С для его адаптации под ториевый цикл в плавучей АЭС. В результате исследований было установлено, что потребуется незначительное увеличение диаметра ТВЭЛ (тепловыделяющих элементов). Это позволит избежать повышения тепловой нагрузки на поверхность ТВЭЛ. В свою очередь, это даст возможность перейти на ториевое топливо без ущерба для безопасности и при использовании тех же материалов для ТВЭЛ и реактора. Кроме того, интервал между перегрузками увеличится на 75%.
По словам Владимира Нестерова, одного из авторов работы, она посвящена:
«Увеличение диаметра ТВЭЛ обеспечивает приемлемые теплофизические характеристики, поскольку это приводит к уменьшению теплового потока на поверхности тепловыделяющего элемента».
Работа демонстрирует потенциал создания компактных водо-водяных реакторов для эксплуатации в условиях Крайнего Севера, обеспечивающих более длительный срок службы по сравнению с традиционными решениями. Однако, реализация предложенного авторами подхода представляется не вполне ясной, поскольку она предполагает использование ториевого цикла. В настоящее время реакторы на ториевом цикле отсутствуют как в России, так и в мировой ядерной энергетике.
Неясно, стоит ли рассматривать этот вариант. Да, запасы тория в четыре раза превышают запасы урана, однако, по мнению Naked Science, использование реакторов на быстрых нейтронах исключает возможность дефицита урана говорить не приходится.
В настоящее время малые реакторы для Крайнего Севера все чаще переходят с плавучих платформ на сухопутные площадки: так, в Якутии реализуется строительство сухопутного РИТМ, который является модификацией КЛТ-40С. Поскольку сухопутный реактор невозможно транспортировать на завод, на его территории будет создана система для перегрузки и хранения отработавшего топлива в бассейне.
В принципе, для предотвращения подобных трудностей можно было бы применять проекты типа БН-ГТ-50, такие реакторы, генерирующие 50 мегаватт электроэнергии, способны функционировать в течение 40 лет без необходимости перегрузки. Это обеспечивается использованием быстрых нейтронов, которые позволяют производить энергетический плутоний из урана-238, что значительно снижает потребность в добавлении нового топлива.
Руководство «Росатома» склоняется к наиболее осторожным, насколько это возможно, решениям, и столь нетипичный для современных реакторов проект, как БН-ГТ, вряд ли получит поддержку. Кроме того, у госкорпорации недостаточно влиятельных сторонников внутри отрасли, что практически сводит к нулю шансы на реализацию этого проекта, несмотря на его значительные технико-экономические преимущества.