Ученые создали вечный двигатель ядерной энергетики
Лауреат Национальной научной премии «Вызов» Михаил Скупов рассказал о том, как его открытие изменит мир в ближайшем будущем.
— Михаил Владимирович, вы получили премию в номинации «Инженерное решение» за создание технологии промышленного производства нитридного ядерного топлива. Расскажите, что привело вас в ядерную энергетику и, в частности, в область топливных технологий?
— Меня всегда привлекала международная деятельность. В силу обстоятельств попал на стажировку во ВНИИНМ имени Бочвара — один из ведущих научно-исследовательских институтов по проблемам материаловедения и технологий ядерного топливного цикла для всех видов реакторов. Там реализовывался международный проект по утилизации оружейного плутония через использование в составе МОКС-топлива. И эта работа меня увлекла настолько, что я остался и продолжил заниматься топливными технологиями.
— Какой момент в многолетней работе над нитридным топливом оказался самым трудным?
— Самым трудным был начальный этап, когда нитридное топливо воспринималось нами как конкурирующее с оксидным. Тогда было много нетехнических факторов, вызывавших сомнение в правильности выбранного пути. Но мы продолжали работать, и в один прекрасный момент пришло внутреннее понимание, что разрабатываем топливо следующего поколения! Тогда никаких сомнений больше не осталось, и мы полностью погрузились в разработку.
Нитридное ядерное топливо или, как его еще называют, СНУП-топливо, — экспериментальный вид керамического ядерного топлива, в котором делящийся материал (смесь урана и плутония) представлен в форме мононитрида вместо стандартного диоксида урана.
— Есть у него аналоги за рубежом?
— Аналоги экспериментального топлива, конечно, были и есть, причем в некоторых случаях превосходящие наше по степени проработки. Но никто не ставил перед собой задачи разработки промышленной технологии для мощного энергетического реактора. Это потребовало многих лет целенаправленной работы по всем направлениям, включая материаловедческие исследования, получение зависимостей характеристик материалов от параметров работы, масштабные испытания. Промышленное производство нитридного смешанного топлива на основе этих разработок создано впервые в мире! Главные преимущества СНУП-топлива — высокая плотность и высокая теплопроводность. Эти свойства позволяют конструктору реакторной установки повысить характеристики безопасности активной зоны реактора. Плотность позволяет свести до минимума запас реактивности на выгорание топлива, а теплопроводность — снизить максимальную температуру топлива на сотни градусов.
— СНУП-топливо разрабатывается для реакторов будущего — например, БРЕСТ и БН-1200. Сколько у нас в стране таких реакторов, действующие ли они?
— Реактор БРЕСТ-ОД-300 строится прямо сейчас, поэтому производство топлива на Сибирском химическом комбинате для него начнется в ближайшее время. Реактор БР-1200 пока только проектируется, в Северске, рядом с БРЕСТ-ОД-300, планируется построить два таких блока в составе промышленного энергокомплекса. Для реактора БН-1200М недавно приняли МОКС-топливо в качестве основного, по аналогии с БН-800. СНУП-топливо было разработано для БН-1200М также, как опция. Реакторы БН-600 и БН-800 эксплуатируются на Белоярской станции. Сегодня быстрые энергетические реакторы работают штатно только в России, и мы очень гордимся этим. Но китайские коллеги «дышат нам в затылок» и уже создали конкуренцию в виде реакторов CFR-600, которые быстро развиваются.
— Энергетики считают, что реакторы четвертого поколения «снимут с повестки дня вопрос о том, откуда наши внуки через 100 лет будут брать энергию». Объясните, что это значит?
— Это относится в первую очередь к замыканию топливного цикла на базе реакторов на быстрых нейтронах. В этом случае в качестве сырья для топлива можно использовать обедненный уран, которого в России накопилось более миллиона тонн. Такая сырьевая база неисчерпаема на долгую-долгую перспективу.
Дело в том, что уран имеет два изотопа, но в качестве топлива годится только один — уран-235. А его содержание в природном уране очень мало — 0,7 процента. Поэтому, применяя природный уран в реакторах, мы используем его менее чем на один процент, остальное идет в отход. Но, если загружать отработавшее ядерное топливо в реактор на быстрых нейтронах, он также отработает, а из его остатков можно будет сделать новое плотное нитридное топливо, которое идеально подходит для замкнутого топливного цикла. Единственный строящийся блок четвертого поколения — БРЕСТ-ОД-300 — разработан как раз под нитридное топливо.
— С какими вызовами предстоит столкнуться при массовом переходе на новое топливо?
— Предстоит преодолеть многие факторы роста, прежде всего экономические. Ведь, в отличие от оксидного ядерного топлива, нитрид содержит дополнительную операцию синтеза нитрида из оксида. Мы над этим работаем, некоторые свойства нитрида, такие как электропроводность, позволяют применить новые технологические приемы формирования топливной таблетки. Эти технологии дешевле. И все же масштаб перехода на нитридное топливо будет определяться скоростью ввода в строй реакторов, которые на него рассчитаны. При этом большая часть комплектующих для сборок со СНУП-топливом уже поставлены на действующие производства, поэтому их экономика понятна.
— Насколько новое топливо сможет увеличить ресурсную базу атомной энергетики и снизить ее зависимость от добычи нового урана?
— В обозримом будущем отвального обедненного урана достаточно для развертывания быстрой энергетики любого разумного масштаба. А обогащенный уран или уран природного обогащения вовлекать в цикл не планируется.
— Как ваша технология поможет низкоуглеродной энергетике будущего?
— Выбросов углерода от атомной энергетики практически нет. В этом одно из ее глобальных преимуществ.
— Какие смежные научные области, вроде материаловедения, цифрового моделирования или робототехники, получили импульс благодаря вашей работе?
— Да все перечисленное! Но это, конечно, заслуга всего проектного направления «Прорыв»*, а не только топливной команды. А благодаря нам началось производство новых материалов. Например, «Прорыв» заказал стали с дисперсным упрочнением оксидами (ДУО). Это материалы нового поколения.
— Если представить, что через 50 лет замкнутый топливный цикл на базе быстрых реакторов и СНУП-топлива станет реальностью, решим ли мы проблемы радиоактивных отходов окончательно?
— Конечно, всех проблем СНУП-топливо и «Прорыв» в целом не решат. Но импульс это дает заметный, впереди много работы с совершенствованием технологий переработки и кондиционирования радиоактивных отходов. Я надеюсь, что через 50 лет эти проблемы будут находиться в стадии оптимизации, а не разработки, как это есть сегодня.
СПРАВКА
«Вызов» — национальная премия в области будущих технологий, учрежденная в 2023 году по поручению президента России. Премия вручается за наукоемкие разработки, способные изменить жизнь людей в горизонте до 10 лет. За три года она успела завоевать репутацию научного «Оскара». В 2025 году премиальный фонд составляет 60 миллионов рублей. Каждый из победителей в одной из пяти номинаций получает 12 миллионов рублей. В 2026 году на премию было подано 632 заявки из 58 регионов России и 39 зарубежных государств.
*«Прорыв» — проектное направление в атомной энергетике, которое реализуется в России госкорпорацией «Росатом». Цель проекта — создание новой технологической платформы на базе замкнутого ядерного топливного цикла (ЗЯТЦ) с использованием реакторов на быстрых нейтронах.