Один из безусловных советских, а позже российских приоритетов — создание атомных реакторов на быстрых нейтронах. Конструкция реакторов традиционного устройства подразумевает использование замедлителя — воды или графита. Образующиеся при распаде ядер урана-235 нейтроны, которым предстоит поддерживать цепную реакцию, поглощаясь другими ядрами урана-235, теряют в столкновениях с ядрами замедлителя энергию. В результате чего превращаются в «медленные нейтроны», которым значительно проще найти с ураном общий язык. Преимуществом использования замедлителя является возможность заправки реактора низкообогащённым горючим, или даже природным ураном с естественной смесью 238 и 235 изотопов. К недостаткам же относится поглощение части нейтронов самим замедлителем или содержащимися в нём примесями.
Реакторы на медленных нейтронах составляют около 100% всех энергетических реакторов. Потому что для поддержания цепной реакции нейтронов хватает. Потери сказываются только на воспроизводстве ядерного горючего. Часть ядер урана-238, захватывая нейтроны, превращается в плутоний-239, который также способен поддерживать цепную реакцию, как и уран-235. Но если замедлитель используется, на килограмм израсходованного 235 изотопа, нарабатывается только 0.5-0.8 килограмма плутония.
В прошлом, полвека назад, считалось, что урана на планете мало, стоил он даже без учёта затрат на обогащение очень дорого, и расширенное воспроизводство горючего представлялось необходимым условием развития ядерной энергетики. Что привело к разработке реакторов на быстрых нейтронах, то есть, работающих без замедлителя и способных осуществлять воспроизводство с коэффициентом 1.2-1.4. Тепловыделяющие элементы, представляющие собой пучки содержащих ядерное горючее трубок, в таком реакторе охлаждаются потоком жидкого металла. Обычно, натрия. Высокая теплоёмкость теплоносителя позволяла обойтись минимальном его количеством. Пытающиеся покинуть зону реакции нейтроны отражались внутрь «зеркалами» из обеднённого урана. Но не все. Плутоний нарабатывается преимущественно в зеркалах. Кроме того, зеркала были подвижны и использовались для управления реактором, фокусируя нейтроны в активной зоне или, напротив, рассеивая их.
Именно в управлении работой реактора с помощью зеркал, а не поглотителя, заключалась проблема. Не меньшую сложность представляло изготовление ТВЭЛов годных для заправки ураном обогащённым до 20-30%. Высокое обогащение означало на порядок больше тепловые, химические и механические нагрузки. Вещества образующиеся при распаде урана имеют меньшую плотность и занимают больший объём, чем уран.
К тому времени, когда сложности удалось преодолеть, цены на уран упали, а с ними упал и интерес к плутонию, переработка которого оказалась, к тому же, самым страшным кошмаром ядерщиков. Как следствие, не считая экспериментальные образцы, энергетических реакторов на быстрых нейтронах за пределами России было построено всего четыре: один в Японии, один в Англии и два во Франции. Но японский так и не заработал. Причём, способ, которым японцы сумели сломать неломаемое, столь эпичен (хотя, справедливости ради, с эпичностью способа, избранного операторами нашей ЧАЭС, и рядом не стоял), что заслуживает отдельного рассказа. Маломощный английский благополучно, но бесславно вырабатывал энергию до 1994 года. Весьма амбициозный французский «Суперфеникс», долженствующий придти на смену работавшему с 1974 года «Фениксу», после двух недель работы начинал себя так странно, что наука пыталась искать в нём новые законы физики. Оказалось, впрочем, что французские амбиции просто не гармонируют с тепловой стойкостью французских же ТВЭЛ, и в 1998 году реактор был остановлен. В 2009 году закрылся и «Феникс» — последний иностранный реактор на быстрых нейтронах. Новые — в Индии и Китае — строятся с российским участием.
...В СССР с реакторами на быстрых нейтронах, безотносительно к проблеме производства плутония, связывали куда больше надежды. Так как у нас-то задача сравнительно дешёвого обогащения урана была решена. Реактор с жидкометаллическим теплоносителем очень хорошо подходил для транспортных нужд, а особенно для установки на подводные лодки, поскольку отличался компактностью и «приёмистостью», — поворот зеркал выводил его на максимальную мощность мгновенно. С водо-водяными реакторами, мощность которых регулировалась концентрацией поглотителя — бороной кислоты — в совмещающей функции замедлителя и теплоносителя воде, так не получалось. Пока ещё бор удастся отфильтровать… Тогда как, оборудованная РЖМТ подводная лодка проект 705 «Лира» в любой момент могла рвануть с места, уходя и от преследующих её торпед.
Первый советский энергетический реактор на быстрых нейтронах — БН-350 — вступил в строй на год раньше британского и французского — в 1973. И работал о 1999 года, обеспечивая энергией и пресной водой город Шевченко, ныне Актау, Казахстан. Если б не это «ныне» он бы и сейчас работал. В настоящий же момент «быстрых» реакторов в мире два — БН-600 и БН-800 в составе Белоярской АЭС.
К настоящему времени, не только работающий с 1980 года БН-600, но и запущенный в 2014 БН-800 — устарели. Что не мешает им оставаться наиболее прогрессивными и совершенными в мире, но… Будущее за реакторами со свинцовым теплоносителем.
Тем не менее, БН-800 остаётся площадкой для отработки принципиально новых и прорывных технологий. Именно для него созданы и на нём испытаны ТВЭЛы с синтетическим, содержащим плутоний, а не уран горючим. И это значит, что задача создания ядерной энергетики, работающей по замкнутому циклу, наконец, решена. На практике. Никому до сих пор не удавалось получить плутониевое горючее по приемлемой цене.
Также, на БН-800 отрабатывается технология дожигания ядерных отходов. Что означает шаг, хотя и ещё не последний, в решении проблемы создания безотходной ядерной энергетики. Ещё одним шагом в этом направлении являются испытания на БН-800 промышленной партии ТВЭЛ в которых плутоний содержится в форме нитрида, а не карбида. Поглощая нейтроны, углерод-13 превращается в радиоактивный углерод-14, что переработку отходов крайне осложняет. Радиоугерод всё время норовит превратиться в углекислый газ и сбежать. Замена его азотом, в соединении с которым плутоний начинает думать, что из него сделали удобрение, впадает в ступор и ведёт себя почти прилично, исправляет ситуацию в основном, но не до конца. Поскольку в характером для активной зоны реакторов на быстрых нейтронах треше и угаре азот-14 также, хоть и с малой вероятностью, может превратиться в радиоуглерод.
Окончательным решением станет замена его радиостойким изотопом азот-15. Технологию разделения изотопов азота ещё предстоит отработать. Но по сравнению с уже решёнными задачами данная серёзной не кажется.
