Как реакторы «Буревестника» и «Посейдона» могут послужить мирным целям

«Буревестник» — это ракета, а «Посейдон» — торпеда, которые приводятся в движение ядерными двигателями, что дает почти неограниченный запас хода. По словам президента России Владимира Путина, реактор на «Буревестнике» в 1000 раз меньше, чем на атомной подводной лодке, а на «Посейдоне» — в 100 раз меньше. Если обычный ядерный реактор запускается в течение дней и недель, то новые реакторы должны запускаться в течение минут и секунд.
Forbes подробно рассказывал о ядерных ракетных двигателях. Теперь мы расскажем о реакторах, которые, вероятнее всего, питают «Буревестник» и «Посейдон».

Неличное обогащение

Компактные ядерные реакторы — не новость. СССР запустил в космос целую серию спутников с ядерными реакторами. Однако мощность тех реакторов измерялась киловаттами, для маршевых двигателей этого мало.
Одна из возможностей увеличить мощность небольшого реактора — повысить концентрацию делящегося изотопа (обычно это уран-235). Основной компонент стандартного ядерного топлива — диоксид урана. Уран в его составе представлен несколькими изотопами. Около 99,3% массы природного урана приходится на уран-238, в то время как главный источник энергии в реакторе — деление ядер урана-235. Поэтому при производстве ядерного топлива уран обогащают. Содержание урана-235 называется степенью обогащения.
На атомных электростанциях (АЭС), как правило, используется уран со степенью обогащения 3-5%. Атомным подводным лодкам (АПЛ) требуется мощный и компактный реактор, так что степень обогащения варьируется от 21% до 90%. Неясно, с реактором какой именно субмарины президент сравнивал реактор «Буревестника». Но если длина ракеты действительно составляет всего 9 м, на ней, скорее всего, стоит наиболее компактная и инновационная разновидность ядерного реактора — реактор на быстрых нейтронах.

От воды до висмута

Основа ядерной энергетики — цепная реакция. Ядро делящегося изотопа делится, испуская несколько нейтронов. Эти нейтроны сталкиваются со следующими ядрами, вызывая их деление, и так далее. В атомной бомбе количество разделившихся ядер нарастает лавинообразно, так что запасенная в топливе огромная энергия выделяется за доли секунды. Это и есть ядерный взрыв. В реакторе цепную реакцию контролируют, не давая ей ни затухнуть, ни пойти вразнос. Эта сложная задача становится еще сложнее, когда реактор требуется сделать маленьким и мощным.
Вот одна из трудностей. Нейтроны, вылетающие из делящихся ядер — быстрые. Ядра урана-235 не слишком охотно делятся под ударами таких нейтронов. Поэтому в стандартных реакторах для АЭС с низкообогащенным ураном нейтроны замедляют, пропуская их сквозь толщу вещества-замедлителя. В качестве замедлителя используется вода и/или графит. Вода одновременно является и теплоносителем, уносящим тепловую энергию из активной зоны реактора. Теплоноситель циркулирует по герметичной системе труб — так называемому первому контуру. Герметичность необходима, потому что под ударами нейтронов часть атомов теплоносителя становится радиоактивной. Теплом, запасенным в первом контуре, нагревается второй контур, и уже он несет тепловую энергию к генератору.
Вода в качестве теплоносителя имеет неприятную особенность. Наиболее распространенный сегодня реактор ВВЭР нагревает воду более чем до 300 °С. Чтобы удерживать ее в жидком состоянии, нужно давление около 160 атмосфер. С таким давлением справляется только весьма громоздкая система теплопередачи. Это серьезно увеличивает  массу и габариты реактора.
В связи с этим на некоторых советских АПЛ использовались реакторы с промежуточными нейтронами: нейтроны замедлялись, но не так сильно, как в обычных реакторах. Поскольку вода — эффективный замедлитель нейтронов, в качестве теплоносителя использовался металл с низкой температурой плавления, в частности, сплав свинца с висмутом.

Полет на быстрых нейтронах

Хотя об этом никто официально не заявлял, не исключено, что «Буревестник» и «Посейдон» запитаны от реакторов на быстрых нейтронах. В таких реакторах вообще нет замедлителя, так что нейтроны движутся с той скоростью, с которой вылетают из ядер. Чтобы такой реактор работал, топливо должно быть высокообогащенным. Точные цифры зависят от конструкции реактора и состава топлива: помимо урана-235, может использоваться плутоний-239. Теплоносителем может быть жидкий натрий — по крайней мере, именно он используется в промышленных реакторах на быстрых нейтронах БН-600 и БН-800, о которых мы поговорим ниже. Натрий не замедляет нейтроны, остается жидким в огромном диапазоне температур при атмосферном давлении и не вызывает коррозии металла. У натрия есть и недостатки: он вступает в бурную реакцию с водой, вплоть до взрыва. Но это не так страшно, потому что первый контур теплоносителя в любом случае обязан быть герметичным.
Не исключено, что «Буревестник» использует первый или второй контур для нагревания забортного воздуха, протекающего через двигатель. Горячий воздух создает мощную реактивную струю. Примерно то же происходит в двигателях реактивного самолета, только там воздух смешивается с раскаленными продуктами сгорания топлива. Высокая концентрация делящегося изотопа, отсутствие замедлителя и легкая система теплопередачи делают установку достаточно легкой и компактной. Огромная калорийность ядерного «горючего» и неограниченный запас забортного воздуха обеспечивают ракете колоссальный запас хода. То же касается и «Посейдона», хотя там двигатель наверняка не реактивный: энергия реактора используется для вращения винтов, как на подводной лодке. 
Существенное отличие состоит в том, что при заглушке реактора торпеда ляжет на грунт медленно и, скорее всего, безопасно. Ракета же упадет, и ее реактор наверняка разрушится. Впрочем, возможно, конструкторы предусмотрели систему катапультирования и мягкой посадки реактора. Во всяком случае, после испытаний «Буревестника» МАГАТЭ не сообщало о загрязнении атмосферы радионуклидами.

Топливо будущего

Реакторы на быстрых нейтронах имеют не только военное, но и сугубо мирное применение. В мире около 20 действующих реакторов этого типа. Почти все они исследовательские, но есть и два промышленных: БН-600 и БН-800. Оба работают на Белоярской АЭС в России.
Реакторы на быстрых нейтронах устроены сложнее классических, а потому и стоят дороже. Например, у БН-800 не два, а три теплонесущих контура. В первых двух циркулирует натрий, а в третьем — вода, которая, превращаясь в пар, вращает турбину. Однако эти реакторы незаменимы для переработки отработанного ядерного топлива (ОЯТ) — продукта деятельности обычных «медленных» реакторов. ОЯТ весьма радиоактивно и потому опасно. Эту радиоактивность ему придают продукты деления урана. В реакторах на быстрых нейтронах почти все эти радионуклиды можно «дожечь» до нерадиоактивных изотопов. Остается лишь небольшое количество радионуклидов, к тому же куда менее долгоживущих, чем в обычном ОЯТ.
Еще одна сфера применения реакторов на быстрых нейтронах — производство плутония. Так, активная зона реактора БН-800 окружена зоной воспроизведения. Здесь располагается обедненный диоксид урана. Он почти на 100% состоит из диоксида урана-238, не вступающего в цепную реакцию. Нейтроны, вылетающие из активной зоны, врезаются в ядра урана-238 и запускают цепочку реакций, превращающих этот изотоп в плутоний-239. Диоксид плутония-239 можно выделить из получившейся смеси и смешать с диоксидом урана. Так получается MOX-топливо, где на долю диоксида плутония приходится от 1,5% до 30% массы. MOX-топливо можно использовать как в обычных реакторах, так и в реакторах на быстрых нейтронах, где оно «горит» лучше. Использование MOX-топлива уменьшает потребность в добыче урана-235. В перспективе уже добытого урана-238 может хватить, чтобы надолго обеспечить человечество атомной энергией. Однако произведенный плутоний можно использовать и в ядерном оружии, в связи с чем реакторы на быстрых нейтронах требуют даже более строгого контроля, чем обычные.
Мнение редакции может не совпадать с точкой зрения автора