Советник директора института инновационных технологий Георгий Тошинский
Конец бегущей волны?
Георгий Ильич, в последнее время много говорится о реакторах малой мощности. В Соединённых Штатах продвигается в особенности много таких проектов. Большинство из них легководные, но есть и проекты, интересные для быстровиков - реакторы с бегущей волной, "Hyperion", 4S и некоторые другие.
Действительно, это очень интересные инновационные проекты, находящиеся на разных стадиях разработки. Общее у них то, что их развитию предшествовала мощная рекламная кампания в СМИ, причём создавалось впечатление, что правильно поставленные цели уже почти достигнуты или легко достижимы.
По многим из перечисленных вами проектов давать объективную оценку слишком рано из-за нехватки технической информации. Я постараюсь дать им свою личную оценку, опираясь на данные, которые известны на сегодняшний день. Начнём с реактора TWR, реактора с бегущей волной. Первый вопрос - правда ли, что проекта реактора TWR, о котором так много писала пресса, более не существует?
Не совсем так. Авторы этой трудно реализуемой на практике концепции перешли к более понятной концепции реактора со стоячей волной (ТР-1), которая в принципе позволяет решить те же задачи, которые ставились перед TWR. Давайте рассмотрим эти концепции подробнее.
Прежде всего, концепция реакторов с бегущей волной - это очень интересная концепция. Американцы признают, что её идеологами стали советские учёные С.М.Фейнберг и Е.П.Кунегин. В 1958 году они предложили реактор, который работал бы в режиме подпитки обеднённым ураном. Ему требовалась бы только первая загрузка обогащённым ураном или плутонием, после чего он "внутри себя" перерабатывал бы уран-238 в плутоний.
Это реакторы-самоеды.
Да, у нас такие реакторы получили общее название "самоеды". Их физическая суть понятна. Быстрый реактор может иметь очень высокий коэффициент конверсии урана-238 в плутоний. Конечно, структура активной зоны должна быть такой, чтобы критическая концентрация плутония была бы равна или меньше равновесной концентрации.
И чтобы перейти дальше, напомните, пожалуйста, о свече Секимото, лёгшей в основу TWR.
Это японский вариант самоеда, предлагаемый в Токийском технологическом институте группой Хироси Секимото. Имеется цилиндрическая активная зона со стартовой загрузкой из обогащённого урана или уран-плутониевого топлива, к которой с одного торца примыкает экран из урана-238. В экране постепенно происходит накопление плутония, и активная зона перемещается в сторону экрана, оставляя позади себя подкритическую область с выгоревшим топливом.
Японцы называют это свечой, но более понятным аналогом является образ горящей сигареты. У неё с одного торца пепел (отработавшая часть активной зоны), далее небольшой огонёк (зона цепной реакции), и далее табак (уран-238, который будет вовлекаться в процесс получения энергии).
Подтверждал ли кто-нибудь экспериментально возможность создания бегущей волны или свечи Секимото?
Нет, экспериментально никто и нигде.
То есть, это только расчёты?
Только расчёты. Но расчётные коды сегодня развиты достаточно хорошо, и можно надеяться, что расчётным результатам стоит доверять. Основные трудности здесь не в физике.
Хорошо, а что делать со смещениями на атом?
Поэтому и я сказал, что трудности не в физике. Чтобы бегущая волна бежала, нужны очень глубокие выгорания топлива. Топливо должно быть плотным. На оксидном топливе это не проходит. Самое малое, это нитридное, а ещё лучше - это металлическое топливо. Необходима также "тесная" решётка твэлов.
Но нитридное топливо сейчас в состоянии НИР, даже не НИОКР.
Безусловно. В опытном производстве оно делалось, и на реакторе БР-10 две активные зоны работали, но с ураном и со значительно меньшими выгораниями, чем необходимо.
Я сказал уже - нужно иметь очень глубокое выгорание, чтобы пошла бегущая волна. Минимум 20% по тяжёлым атомам в среднем. Ещё лучше, иметь для бегущей волны выгорание 40%, как это заявляется для TWR. Вот 20% - это не так много.
Это, очень много. Сегодня у нас среднее выгорание в быстрых реакторах на оксиде урана где-то 6%, максимальное - 11%. То есть, для TWR среднее выгорание необходимо увеличить в три, а лучше в шесть раз.
На БОР-60 получали 20% выгорания.
И даже больше, но на МОХ-вибротопливе. А вибротопливо менее плотное. Не забывайте, что это виброуплотнённое оксидное топливо, и плотность его невелика для целей и задач TWR.
Теперь смещения на атом, о которых вы спросили. В TWR повреждающая доза на материал оболочки твэла достигает 400-500 смещений на атом (сна). Для сравнения, у нас для БН-800 заявлены проектные параметры 93 сна. Разница огромная! В вашем издании публиковалась статья по тем исследованиям, которые проводятся в ВНИИНМ им. Бочвара, и там говорилось о задаче к 2020 году попробовать выйти на смещения от 133 до 164 сна, не более.
Подведём итог сказанному. Требуемые сверхглубокие выгорания и сверхбольшие смещения не позволяют на сегодняшний и даже на завтрашний день рассматривать концепцию реакторов с бегущей волной как реалистическую. Сначала надо доказать её осуществимость многолетними испытаниями, проводить длительные облучательные эксперименты, исследовать и так далее.
Другие проблемы бегущей волны. Для неё выгодно иметь длинную активную зону (включая экран из урана-238). Но длинную зону сделать нельзя, потому что резко возрастёт гидравлическое сопротивление, поскольку решётка размещения твэлов не может быть свободной. Иначе не удастся обеспечить высокий коэффициент конверсии. То есть, в концепции имеется внутреннее противоречие.
Проанализировав все нюансы, инициаторы TWR предложили следующий вариант - переочехловку твэлов. Что это такое? Имеется длинный твэл, у которого в начале кампании обогащённое топливо с нижней стороны, а в конце кампании активной станет верхняя часть, где был уран-238. После остановки из реактора выгружают топливо, снимают металлические оболочки, которые достигли своего предела, размещают верхнюю часть топливного столба, в которой шла цепная реакция, в нижнюю часть новой оболочки, добавляя сверху экран из урана-238, и вновь загружают переочехлованное топливо в реактор. При этом реактор переходит в режим подпитки обеднённым ураном.
А чем это, по сути, отличается от переработки ОЯТ? С точки зрения активностей, это такая же грязь.
Дело не только в грязи. Дело ещё и в том, что вы должны в этой переочехлованной зоне сохранить вектор обогащения плутония, тот, который был до переочехловки. Иначе реактор окажется неработоспособным. Иными словами, это опять прекраснодушная идея из серии бумажных проектов.
Чем всё дело кончилось в итоге? Специалисты "Terra Power" поняли, что реактор на бегущей волне сделать сегодня технически невозможно. Теперь они продвигают иную концепцию - реактор на стоячей волне. Поэтому можно сказать, что идее бегущей волны пришёл конец.
Чем отличается стоячая волна от бегущей в применении к самоедам?
Стоячая волна - это нормальный реактор с тепловыделяющими сборками, которые при достижении допустимых значений выгорания и повреждающей дозы на оболочки можно выгружать, переставлять, и туда добавлять свежие сборки с обеднённым ураном.
Вы один в один повторяете содержание отчётов, которые выпускались в России по тематике самоедов в 90-ые годы. Насколько мы помним, ФЭИ и Вы лично очень активно занимались этой тематикой.
Верно. Это именно та самая концепция, которую мы разрабатывали лет 15 назад. Называется этот проект у американцев TP-1, или "Terra Power-1". Реактор на стоячей волне с электрической мощностью 500 МВт и натриевым теплоносителем.
Но тогда это очень напоминает проект реактора СВБР-600 с точностью до теплоносителя.
Совершенно верно. TP-1 по многим параметрам очень похож на свинцово-висмутовый реактор СВБР-600. Эта концепция докладывалась впервые в 1994 году на конференции в Питтсбурге по реакторам с усовершенствованной безопасностью (ARS-94).
Реактор TP-1 технически реализуем, и в этом его главное отличие от TWR. Это нормальный реактор, с остановками на частичные перегрузки топлива. Однако проблемы с выгоранием и смещениями остаются, но будут менее острыми.
Допустим, TP-1 будет построен. Но что он даёт? Хорошо, подпитка обеднённым ураном, но проблема ОЯТ останется. С его отработавшим топливом что-то придётся делать.
Что на сей счёт думают в "Terra Power"? Эта концепция позволяет резко увеличить, в десять и более раз, использование энергетического потенциала природного урана по сравнению с сегодняшним уровнем, и поэтому отработавшие сборки TP-1 предлагают направлять на окончательное геологическое захоронение. Накопленный в них плутоний, естественно, будет потерян.
Трудно представить, что ядерная (и не только) общественность согласилась бы с тем, чтобы под землю навечно уходили материалы с содержанием плутония до 10%. Это подземный склад плутония, который будет очень соблазнительной мишенью для всех потенциальных распространителей. Я уже не говорю о том, что это и потенциальная радиационная опасность.
Поэтому я думаю, что общественность с таким выбором не согласится. Надо захоранивать не ОЯТ, а отходы, осколки деления, выделяемые в замкнутом цикле при переработке ОЯТ. Остальное всё должно крутиться внутри цикла. И с этим может справиться нормальный быстрый реактор, работающий в замкнутом ЯТЦ ядерной энергетики. Вот всё, что я хотел сказать по поводу бегущей и стоячей волны.
Реальный аппарат в нереальные сроки
Следующий проект "Hyperion", о котором мы с Вами уже несколько раз разговаривали. Самый скандальный проект последних лет, если не считать TWR и Билла Гейтса.
"Hyperion", так же как и TWR, поддерживается частными компаниями. У TWR и TP-1 это Билл Гейтс, у "Hyperion" - это "Hyperion Power Generation".
Вопрос чуть в сторону. В США буквально за последние месяцы вот уже две малые частные компании, интересовавшиеся атомной энергетикой, столкнулись с финансовыми трудностями, а по одной из них ведётся расследование по обвинениям в махинациях. Насколько вообще правильно опираться при развитии массовой атомной энергетики на малый частный бизнес? Мы можем понять, когда за новые проекты берётся "Westinghouse", но мы не можем согласиться, когда это делают стартапы, т.е. начинающие, не имеющие опыта.
Я не могу утверждать категорически. Частный инвестор вкладывает в разработку деньги. Учёные, конструкторы, инженеры имеют возможность работать и создавать что-то новое. И это очень важно. Но контроль за безопасностью обязательно должен быть в государственных руках.
Но почему за TWR или "Hyperion" не берутся гранды - "Westinghouse", "General Electric"? Почему мы видим, что за этими проектами стоят люди со стороны, имеющие деньги, но не имеющие никакого опыта в атомной сфере?
Я не могу сказать почему. Это у них надо спросить. Но на самом деле все мы должны понимать, что атомная энергетика для частного бизнеса не очень выгодна. Длинные инвестиции, нет скорой отдачи. Это под силу только крупным компаниям, ставящим перед собой стратегические задачи. А если говорить о проектах малой мощности, то тут возникают дополнительные вопросы по их экономике.
Хорошо, давайте перейдём собственно к "Hyperion".
"Hyperion" претерпел кардинальные изменения концепции за последние два года. Совсем недавно это был футуристический реактор с уран-гидридным топливом, который якобы должен был саморегулироваться. Из него выходил и возвращался водород при изменении температуры, что влияло на спектр и позволяло за счёт законов природы удерживать реактор в критическом состоянии.
А вместе с водородом из активной зоны уходили радиоактивные газообразные осколки деления, которые возвращаться обратно не собирались. Да и сама идея выхода водорода после Фукусимы смотрится диковато.
Видимо, они это поняли и сами. Поскольку в последнее время много говорилось о свинце-висмуте, то они взялись за него. Теперь концепция "Hyperion" выглядит реальной. А вот заявленные его разработчиками сроки внедрения - нереальны.
Почему? Потому что для "Hyperion" нет топлива. Они пошли на новое топливо, которое не производится, не испытывается и не лицензируется. Как они собираются получить лицензию на эксплуатацию реактора с неиспытанным топливом?
Но они сказали, что готовы перейти на оксид, если при лицензировании возникнут проблемы.
На оксиде не получатся требуемые для "Hyperion" характеристики. Реактор маленький, и чтобы он заработал на оксиде, надо повысить обогащение. Требование МАГАТЭ о максимальном обогащении 20% при этом нарушится.
Если обогащение превысит 20%, они не смогут продавать "Hyperion" на экспорт. Но они спокойно смогут использовать его внутри Соединённых Штатов, ведь Америка ядерная страна.
Смогут. Но зачем?
То есть, внутри страны рынка нет.
Я бы не был столь категоричен. Есть, и можно вспомнить об эпопее с реактором 4S, разработанным корпорацией "Toshiba". Это реактор мощностью 10 МВт(эл.), который предлагался для строительства на Аляске.
Есть индейский посёлок Галена, в котором проживает около 600 человек. Топливо там привозное, электроэнергия очень дорогая. Возникла идея построить рядом с ним блок с реактором 4S. Местные жители были за, но лицензии на этот блок до сих пор нет.
Галена не была в состоянии оплатить строительство блока. Шестьсот с небольшим человек выложить требуемую сумму не могут.
"Toshiba" готова была построить реактор за свои деньги. Именно что была готова. Сейчас они пошли на попятную.
Конечно, это корпорация, бизнесмены, и они просчитывают варианты - где-то дать бесплатно, чтобы потом вернуть вложенное сторицей. И объективно понятно, что чем меньше мощность, тем выше будет себестоимость электроэнергии, и тем меньше будет площадок, где атомная станция малой мощности сможет конкурировать со станциями на органическом топливе.
Поэтому в Штатах это остается Аляска.
Например, Аляска. Может быть, какие-то другие регионы страны. Это нужно просчитывать, анализировать. Но сразу понятно, что у реактора малой мощности обязательно требуется сохранять экспортную возможность, иначе рынок окажется узким. Следовательно, требование МАГАТЭ о 20% обогащения нужно соблюдать.
Итак, "Hyperion" в свинцово-висмутовом исполнении - установка в целом реальная.
Да. Она отличается от нашей (я имею в виду ОАО "ОКБ "ГИДРОПРЕСС" и ГНЦ РФ-ФЭИ) концепции СВБР-10 большей мощностью и нитридным топливом. Наши СВБР также могут использовать нитридное топливо, но они будут работоспособны и на оксиде урана с обогащением меньшим 20%. Мы ставим перед собой задачу создавать установки, которые можно строить хоть завтра, для которых выполнен или почти выполнен нужный объём НИР и НИОКР.
В отличие от наших проектов, создателям "Hyperion" придётся потрудиться над нитридным топливом. Они с этим должны справиться, там нет каких-то принципиальных сдерживающих моментов. Весь вопрос - когда, учитывая необходимость проведения испытаний для подтверждения ресурсных характеристик. Поэтому временной рубеж, когда "Hyperion" будет готов к выходу на рынок, непонятен.
И я повторю свои слова. Концепция "Hyperion" выглядит реальной, а вот заявленные его разработчиками сроки внедрения - нереальны.
На самом деле, к "Hyperion" есть ещё один вопрос. Циркуляция свинца-висмута там осуществляется за счёт естественной конвекции. Да, это проще, нет насосов. Но эффективность отвода тепла в несколько раз ниже, и экономические показатели установки снижаются.
Георгий Ильич, мы многим задаём такой вопрос, спросим и Вас. Не страшно ли делать реактор без насосов, в котором не предусмотрены возможности принудительной циркуляции теплоносителя?
А почему? На воде же кипящие реакторы работают на естественной циркуляции. Билибинская станция работает без насосов, там только питательный насос, который от турбины подаёт питательную воду. А в реакторе всё крутится на естественной циркуляции. Вспомните ещё наш корпусный кипящий реактор ВК-50, западные BWR. Кстати, были насосы на Фукусиме, и чем это им помогло?
Дело не в страхе. Дело в том, что на жидком металле, где разница плотностей для горячего и холодного теплоносителя не такая большая, как для кипящей воды, нельзя получить хороший движущий напор и эффективный отвод тепла. Поэтому с того же объёма, при той же металлоёмкости, можно снять меньшую мощность. А раз меньшая мощность - выше удельные капитальные затраты и меньше конкурентоспособность. Вот и всё. Естественная циркуляция очень хороша и совершенно необходима для расхолаживания, когда нет электроэнергии.
Поэтому "Hyperion" не может выйти на 100 МВт, как может выйти СВБР?
Конечно. Это предел у него для его размеров. А если делать на естественной циркуляции тяжёлометаллический реактор мощностью 100 МВт(эл.), то его металлоёмкость и стоимость возрастут в разы.
Отдельно упомяну о насосах. За рубежом может существовать боязнь использовать насосы для прокачки свинца-висмута. У нас на подводных лодках такой опыт был набран. Всего около полусотни насосов было испытано в деле. Случилась пара поломок без каких-либо серьёзных последствий, но со временем удалось устранить все замечания.
Стоит ли объединяться?
Снова о заказчиках для "Hyperion". У этого реактора рекламная кампания выглядит мощнее, чем у Билла Гейтса. Его предлагают даже Марианским островам.
Компания, продвигающая "Hyperion", подписала более ста протоколов о намерениях. Как Вы считаете, когда "Hyperion" будет доведен до состояния готовности к массовому внедрению?
Коммерциализовать его реально, но только не в 2013 году, как они говорят, а не ранее 2020 года. Я так думаю.
А если объединить усилия России и Америки по этому направлению? У нас СВБР, у них "Hyperion". Пойдёт ли это на пользу?
Объединение усилий - политический вопрос отношений двух стран. Понятно, что американцы хотят получить у нас максимум информации, потому что весь опыт по свинцу-висмуту, в основном, в России. А что мы от них получим? Не понятно.
Под документами, определяющими условия создания и коммерциализации технологии СВБР, стоят подписи С.В.Кириенко и О.В.Дерипаски. Создано СП - ОАО "АКМЭ-инжиниринг", определены задачи, развёрнуты работы, проект нормально финансируется.По большому счёту, вопрос участия новых игроков в этом проекте находится в компетенции акционеров этого СП.
В любом случае, я полагаю, ядерную часть надо делать в России. Хотя не исключено и, может быть, правильно, что какие-то комплектующие можно закупать на Западе, если у них они дешевле и качественнее. Но интегрировать всё должны мы. Поэтому встречный вопрос - а зачем нам тогда некое "объединение усилий"?
Хорошо, по "Hyperion" понятно, есть пути для сотрудничества с США, будь то бизнес-сделка или закупка комплектующих. А вот по проектам "Terra Power" какое-либо сотрудничество возможно?
Я думаю так. Если Билл Гейтс готов вкладывать в эту технологию средства, то Россия должна быть в этом проекте, но не беря на себя ответственность за реализацию и окончательные результаты.
Не исключаю, что по ходу разработки TWR, а теперь TP-1, будут получены важные результаты теоретического и практического плана, прежде всего, связанные с глубоким выгоранием топлива и большими повреждающими дозами. Эти результаты могут быть полезны и для разработчиков традиционных, "нормальных" быстрых реакторов.
Билл Гейтс и его команда делают упор на выгорание и повреждающую дозу. А нам более интересна температура для материалов. Не приведёт ли сотрудничество с "Terra Power" к распылению усилий отечественных специалистов? Если бы у нас были сотни высококвалифицированных экспертов, то мы могли бы безболезненно выделить нескольких из них для работы с американцами. Но такой роскошью мы не обладаем.
Такая опасность есть, хотя можно распределить усилия правильно. И здесь я вижу интересный вариант - превратить в международный проект наш новый исследовательский реактор МБИР, который предполагается построить в Димитровграде. Если бы удалось убедить господина Гейтса присоединиться к МБИРу, то это было бы очень важно для всей мировой атомной энергетики в целом.
Мы рады, что МБИР будет построен. Но то, что мы видим, то, что предполагается сделать в МБИР, слабо отличается от возможностей БОР-60. Насколько реально заинтересовать зарубежных партнёров присоединиться к такому проекту?
Первые активные зоны МБИР по плотности потока быстрых нейтронов, может быть, будут слабо отличаться от зон БОР-60. Но в нашей стране есть хороший опыт модернизации быстрых исследовательских реакторов. Вспомните, как у нас из БР-5 сделали БР-10. Я думаю, что по ходу эксплуатации МБИР его возможности будут расширены.
Реактор утопического класса
Реактор 4S, о котором мы вспомнили только что. Ваше мнение по этой установке?
Это также модульный реактор со всеми его плюсами. В чём слабость 4S? Эта реакторная установка совершенно неремонтопригодна. Она интегрального типа, внутри там и насосы электромагнитные, и теплообменники промежуточные натрий-натрий, и теплообменники расхолаживания. Но всё сделано в расчёте на абсолютную надёжность. Модуль с 4S должен длительно надёжно работать без замены и ремонта оборудования, находящегося в реакторном моноблоке. Это возможно только тогда, если всё его оборудование надёжно абсолютно.
Доступа к оборудованию нет?
Нет. И добраться до оборудования в процессе эксплуатации будет очень трудно, почти невозможно.
И он ещё подземного размещения.
Я бы сказал, полуподземного. Срок службы компания заявляет 30 лет без перегрузки топлива. По физике это вполне достижимо.
То есть, японцы надеются на свое качество?
Да. И мне кажется, они делают ошибку.
Не будем пока затрагивать Фукусиму. Но их качество буквально недавно подвело их на "Монджу".
Я считаю, что Япония - это страна очень высокой технической культуры, но нужен ещё и опыт.
Мы публиковали данные по отказам на их центрифугах, и у нас возникли вопросы к их технологической культуре.
Я понимаю. Но я говорю конкретно о реакторах с натриевым теплоносителем. В декабре 1995 года на их реакторе "Монджу" был пожар, остановивший всю быструю программу в Японии на 15 лет. Реактор в прошлом году пустили, но практически сразу вынуждены были остановить, так как уронили в корпус реактора стальную колонну блока перегрузочного оборудования.
И до сих пор не знают, как её вынуть.
Совершенно верно. Теперь исследовательский натриевый быстрый реактор JOYO. Он стоит, так как на нём тоже была авария. То есть, японцы столкнулись с техническими трудностями.
И нужно сказать, что освоение натриевой технологии шло с трудом у всех стран. Я считаю огромным достижением России, что у нас работает БН-600, и я вижу в этом величайшую заслугу учёных, конструкторов, инженеров, эксплуатационников. Конечно, и тут были течи, были проблемы с парогенераторами, но, тем не менее, технология на ходу, она работает и не зря сегодня строится БН-800 и разрабатывается БН-1200.
Здесь очень важен опыт людей. Это тот опыт, о котором в книжках не прочтёшь. Опыт, который передаётся из рук в руки, и должна быть преемственность поколений, разработчиков, эксплуатационников. В Японии этого нет.
Сколько лет проекту 4S?
Я впервые о нем услышал в 1995 году. Мне эта концепция очень понравилась как она модульная. Но, кроме неремонтопригодности, там совершенно нетрадиционная новая схема управления реактивностью. Там отражатель медленно движется, активная зона длинная, а цепная реакция идёт только в короткой части, там, где есть отражатель.
То есть, тоже какая-то свечка?
Есть что-то общее. Отражатель перемещается со скоростью, если не ошибаюсь, порядка 1 мм в неделю.
А что будет, если эта система откажет?
Я же сказал - там ничего заменить на месте нельзя. У японских конструкторов совершенно другой менталитет, они считают, что отказов быть не должно. Российские конструкторы думают по-другому, и я больше склонен доверять отечественным специалистам.
У нас конструкторы закладывают сразу, что всё может сломаться, и нужно подумать, что сделать в этом случае. А там подход другой - нужно добиться, чтобы не ломалось ничего. Конечно, цель прекрасная, но достичь её нереально. Это реактор утопического класса.
Африка не сделала сама
Реактор PBMR, проект, закрытый в прошлом году. Высокотемпературный реактор малой мощности, появившийся под слоганом "Африка делает сама". Вы не хотели бы подвести итоги для этой программы?
Проект очень интересный. Был. И по нему тоже велась мощнейшая рекламная кампания, говорилось о десятках и сотнях заказчиков по всему миру. На него было потрачено около 1 миллиарда евро.
У газовых реакторов есть общий концептуальный недостаток. Это трудность преодоления последствий аварии с потерей герметичности первого контура. Газ при нормальном давлении очень плохо отводит тепло. Это верно даже для случая гелия.
Следовательно, нужны высокие давления, порядка 100 атмосфер. Если случится разгерметизация, то гелий уйдёт из первого контура, его место займёт воздух, и никакой естественной циркуляции не будет. А остаточное тепловыделение надо отводить.
Поэтому для таких реакторов делается специальное топливо, микротопливо с многослойным покрытием в графитовой матрице. Проверяли, до достижения аварийных температур газообразные и летучие осколки деления микротопливо не выпускает. Но надо ещё как следует посмотреть, что произойдёт с насыпанной кучей из шаровых твэлов, если будет потеряна циркуляция. Не случится ли так, что всё загорится? Всё-таки, в топливе есть графит, а в контур при разгерметизации войдёт воздух.
Чтобы сделать такое топливо термостойким, применяются различные решения, используются многослойные карбид кремния, пирографит и так далее. Задача достичь термостойкости решается, но при этом многократно усложняется задача по переработке ОЯТ, нужна своя инфраструктура топливного цикла и соответствующие затраты на её создание и функционирование. Альтернатива этому работа PBMR "навыброс" в открытом цикле. Вряд ли это приемлемо.
Кроме того, шаровые твэлы в PBMR диаметром в теннисный мяч должны проходить через активную зону до шести раз. Циркуляция шаровых тэлов осуществляется с помощью шнеков. При выгрузке всякий раз твэлы должны сортироваться по выгоранию. Технологически всё сделать это трудно. В этом отношении, концепция российско-американского проекта ГТ-МГР более реалистична. В этом проекте топливо в виде графитовых шестигранных блоков заменяется при частичных перегрузках.
Интересно отметить. За PBMR стояла государственная компания "Eskom", но результат оказался неудачным.
Можно предположить, что этот проект появился на свет как результат лоббирования. Когда финансисты доверяют каким-то людям, а у тех недостаточно компетенции, результат всегда будет негативным.
Государственный подарок
Много говорится о гибридной бельгийской системе MYRRHA - подкритическом реакторе с теплоносителем свинец-висмут, работающим в тандеме с ускорителем протонов. Что Вы о нём думаете?
Должен сказать, что этот проект по срокам, которые называются, наиболее близок к реализации. Возможно, что первый пуск системы произойдёт в этом году. Она разработана европейцами для решения проблемы трансмутации минорных актинидов.
Мы, конечно, очень с большим уважением относимся к этой проблеме, но, честно говоря, это не главная проблема атомной энергетики, на наш взгляд.
Для густонаселённых стран и регионов - Европа, Южная Корея и так далее - проблема важна. Там общественность очень обеспокоена длительным хранением ОЯТ с большим радиационным потенциалом. И есть желание снизить этот потенциал за счёт трансмутации ряда нуклидов, в том числе, младших актинидов.
Но почему бы не трансмутировать актиниды в обычном нормальном реакторе БН?
Но тогда надо развивать линию БН, а на это согласны не все страны. И не только БН - любой быстрый реактор в состоянии трансмутировать младшие актиниды, превращать их в осколки деления.
Как вообще родилась концепция ускорительно-управляемых трансмутационных комплексов? Это произошло после Чернобыля, после появления боязни мгновенного разгона реактора. Если у вас подкритическая система, то мгновенный разгона исключён. Поэтому ряд правительств идею о гибридных системах поддержало.
Есть и "социальный" аспект, точнее, политический. Многие государства денег на разработку реакторов не выделяют, считая, что этим должны заниматься частные компании. В то же время, на трансмутацию деньги дают, особенно, если это не просто реактор, а некая система с повышенной безопасностью, обеспечивающая в будущем решение проблемы долгоживущих радиоактивных отходов.
Что такое MYRRHA? Реактор у них подкритический. Сверху от ускорителя подводится пучок протонов. Вся система перегрузки должна быть снизу, точно так же, как и управление. Это технически очень сложно.
У них внедрена система… не подводного, а, если можно так выразиться, "подсплавного" внутривидения, интроскопии. То есть, они видят всё, что происходит в установке, в мегагерцовом ультразвуковом диапазоне. Это большое техническое достижение.
Но весь вопрос, как это будет работать? Ко всем трудностям будет добавляться то, что пучок протонов пульсирует, это будет вызывать импульсную нагрузку на тепловыделение, а топливо не любит циклические нагрузки.
Мы имеем две установки вместо одной, что сразу даёт нам два набора проблем.
Совершенно верно. Это и стоимость удваивается, и надёжность снижается. Хамид Аит Абдеррахим, руководитель проекта MYRRHA, с которым я встречался, всё это прекрасно понимает. В конце концов, если будут большие трудности можно "отрезать" ускоритель и получится свинцово-висмутовый исследовательский реактор с быстрым спектром нейтронов.
В принципе, никто не возражает. Если государство оплачивает нашим коллегам хорошую научно-исследовательскую работу и даёт установку, то это можно только приветствовать. Но реально ли говорить о коммерциализации MYRRHA?
Ни в коем случае! MYRRHA - это абсолютно некоммерческий проект. Это экспериментальная ядерная установка, построенная на государственные (общеевропейские) деньги. Российские специалисты там тоже работают, планируется создание мощного международного центра для обмена данными, получения новой информации и так далее.
Идеал недостижим
Георгий Ильич, мы поговорили с Вами о нескольких реакторных проектах. Интересно отметить, что они отличаются между собой теплоносителями, то есть, единства во мнениях по поводу теплоносителя по-прежнему не наблюдается.
И не будет никогда наблюдаться. Идеального теплоносителя в природе нет. Каждый из теплоносителей, который использовался или предлагается, имеет свои плюсы и минусы. Выбор теплоносителя - это, вообще говоря, задача, которая зависит не только от его параметров, но и от его освоенности и от назначения реактора.
Натрий, безусловно, является самой лучшей теплоотводящей средой. Но если мы говорим о теплоносителе ядерного реактора, надо принимать во внимание другие его качества, которые обременяют реакторную установку. Это химическая активность, связанная с взаимодействием с воздухом, водой.
Нужно сказать (я уже говорил про БН-600), что российские инженеры и конструкторы сумели преодолеть все эти трудности, реактор хорошо работает, но это привело к тому, что система стала дороже.
Чем удорожание может быть оправдано? Например, тем, что натрий позволяет обеспечить высокую энергонапряжённость активной зоны, а при достаточно высоком коэффициенте воспроизводства можно получить короткое время удвоения плутония. И если это требование важно, то натрию вообще нет альтернативы.
Но у нас сейчас такое требование не ставится.
У нас не ставится, а у китайцев и индийцев ставится. В разных странах подходят по-разному. И если Россия не хочет потерять своё лидерство, она должна смотреть и в эту сторону.
Но если мы принимаем, что нам достаточно только воспроизводить и замещать израсходованное топливо из соотношения "один к одному" (то есть, КВ=1), то можно и нужно рассматривать другие теплоносители, в частности, тяжёлые, которые позволяют работать в режиме топливного самообеспечения.
У них нет наработки избыточного плутония, но они не отягощены проблемами, связанными с введением промежуточного контура. Наверно, поэтому в действующей ФЦП "Ядерные энерготехнологии нового поколения…" предусмотрены наряду с БН-1200 также и свинцовый БРЕСТ, и свинцово-висмутовый СВБР.
Поэтому нужно признать, что каждый теплоноситель имеет свои плюсы и минусы. Вода известна ещё из теплоэнергетики. Она дешёвая, хорошая, спокойная…
…но коррозионно-опасная.
Любой теплоноситель, кроме гелия, всегда будет иметь ограничения по температурному диапазону и ограничения на примеси. Когда говорят, что натрий не коррозирует - это неправильно. Верным такое утверждение станет только при условии минимизации концентрации в натрии кислорода. Будет больше кислорода, будет коррозия.
Для свинца и свинца-висмута также следует нормировать кислород. Для воды вообще едва ли не десяток параметров качества, начиная от pH. Химически инертен только гелий. Но он имеет свои недостатки - высокое давление, большие затраты энергии на прокачку. Поэтому всегда в гелиевых реакторах затраты на собственные нужды больше, чем в реакторах с водой или с жидким металлом. Правда, и КПД там можно достичь повыше.
Можно, я не спорю. Ещё раз - есть плюсы у теплоносителей, есть минусы. Выбирайте, исходя из назначения реактора и степени освоенности теплоносителя. Задача это сложная, многофакторная, где нужно учитывать не только теплопередающие качества, но и все другие.
А есть ли попытки сконструировать идеальный теплоноситель? Говорят, что в ФЭИ пытались создать теплоноситель натрий-свинец, который сочетал бы в себе положительные качества обоих теплоносителей, но был бы лишён их недостатков.
Докладывались такие работы. Но пока, к сожалению, такого теплоносителя нет. Есть только попытки. Если в натрий добавить свинец, то мы устраним его горючесть и взрывоопасность, но появятся другие проблемы. Такой теплоноситель станет сложным в эксплуатации.
Не все теплоносители прошли испытание временем. Был органический теплоноситель. Низкое давление - прекрасно, но проблемы радиационной и термической стойкости привели к тому, что эксплуатация установки "АРБУС" оказалась сложной (отложения, смолы, водорода и многое другое).
Был минский проект по диссоциирующему газу…
… была ртуть обнинская.
Ртуть никто никогда не рассматривал серьёзно как широко используемый теплоноситель. Она появилась только в первых маленьких экспериментальных быстрых реакторах, потому что не нужен был обогрев. А так она и дорогая, и токсичная.
Но не активировалась.
Да всё там было! И захватывала нейтроны, никогда там хорошего нейтронного баланса не получишь.
СВБР большие и маленькие
Конечно же, в разговоре с руководителем проекта СВБР мы не можем обойти тему СВБР-100.
Как уже было сказано, проект развивается. Он финансируется на 50% частной компанией Олега Дерипаски, и финансирование идёт через государственно-частную компанию ОАО "АКМЭ-инжиниринг". Срок пуска намечен где-то на 2017 год. Задача разработчиков - прежде всего, ОКБ "Гидропресс" как главного конструктора и ФЭИ как научного руководителя - выполнить в срок те минимально необходимые НИОКР, которые позволят реализовать проект надёжно.
Поскольку сроки сжаты, и финансирование ограничено, проект разрабатывается на основе консервативного подхода. В нём не реализован потенциал, который позволит в будущем ещё выше поднять уровень безопасности и улучшить экономику. Это дело следующего поколения свинцово-висмутовых реакторов.
СВБР-100 - первый гражданский реактор на свинце-висмуте. Вешать на него все задачи было бы неправильно. Его надо делать максимально простым, надёжным, опираясь в максимальной степени на проверенные технические решения.
Но это очень далеко отодвигает в будущее массовое строительство СВБР.
Не думаю. Во-первых, и в том виде, в котором будет реализован опытно-промышленный энергоблок, он будет иметь вполне конкурентоспособные технико-экономические показатели в своей нише мощностей. Далее, когда мы говорим об усовершенствованном свинцово-висмутовом реакторе, то это не означает, что мы ссылаемся на некий новый проект. Он будет вписываться в ту же конструктивную платформу и не потребует большой переделки. В нём будут те же насосы и другое оборудование.
Трудно предсказать, что будет после Фукусимы, какая энергетическая обстановка будет в мире в 2017 году. Разумно ли забывать о других вариантах СВБР, например, о СВБР-10?
Спрос на энергию всегда останется. Если говорить о СВБР-100, то его мощность 100 МВт(эл.) выбрана удачно. В таком реакторе будет равный единице коэффициент воспроизводства в активной зоне при работе на смешанном оксидном топливе.
Это значит, что такой реактор в замкнутом цикле будет работать в режиме топливного самообеспечения, не потребляя природного урана, опираясь на тот топливный цикл, который создан для большой энергетики, для реакторов БН.
Нам говорили, что мощность 100 МВт(эл.) примерно соответствует городу с населением 100 тысяч человек, то есть, городу размером с Обнинск.
Правильно, примерно 1 кВт на человека.
А с другой стороны, почему не больше? Почему не 200 МВт(эл.)? Ведь экономика была бы лучше. Потому что такой модуль стал бы уже нетранспортабельным по железной дороге. А мы хотели уложиться и уложились в тот габарит, когда можно возить модуль железнодорожным транспортом. Это сразу увеличивает число потенциальных площадок.
В ОКБ "Гидропресс" говорят о том, что от требования транспортабельности ж/д транспортом пора отказываться.
Да, но для ВВЭР. Там идёт борьба за экономику, за большие мощности. Наши западные конкуренты спокойно позволяют себе мощность 1600 МВт(эл.) для легководников и на железную дорогу не закладываются.
У них автодороги и водные трассы.
Совершенно верно. А в России грузопоток, в основном, проходят по железным дорогам, и многие наши шоссе просто не приспособлены для перевозки столь тяжёлых грузов. Для Запада отказ от железнодорожной транспортабельности годится, для России это сразу снижает число возможных площадок.
Теперь СВБР-10. Да, это проект, который может быть реализован в короткие сроки, гораздо с меньшим объемом НИОКР, чем СВБР-100. Но экономические показатели у него будут хуже, чем у СВБР-100. Если мощность понизилась в 10 раз, то удельная стоимость установки возрастёт в 2,5-3 раза.
С другой стороны, к СВБР-10 можно присоединять такие вещи как медицинские пучки и тому подобное.
Конечно. Это правильно. Но это побочные применения, которые окажут на коммерциализацию малое влияние.
В Москве и регионе нет ни одного медицинского пучка, и СВБР-10 в Обнинске с пучком для медицинских целей был бы воспринят многими как спасение.
Я думаю, что для этой цели лучше делать специализированную установку. И лучше не реактор, а систему на основе ускорителя, не связанную с критичностью и ядерной безопасностью. Такие предложения есть, и если их реализуют, то почти в каждой клинической больнице можно будет иметь установку для лечения пациентов.
Испытания новых видов топлива для СВБР не лучше ли вести в реакторе с небольшой мощностью, по сути дела, в исследовательском свинцово-висмутовом реакторе? Почему бы не поставить вопрос так - СВБР-100 для коммерческого применения, реактор наподобие СВБР-10 - для НИР и НИОКР?
Нет нужды в специальном реакторе для исследований, потому что исследовательский реактор будет стоить не намного дешевле, чем опытно-промышленный блок с СВБР-100.
Испытывать топливо можно и другими путями. Начинаются испытания в БОР-60, там будет облучаться сборка, и не одна. И будут испытания в реакторе БН-600.
С точки зрения радиационной стойкости материала и топлива, всё равно, какой теплоноситель за оболочкой - натрий или свинец-висмут. Внутри всё будет одинаково. Важно, чтобы нейтроны были быстрые. И это наиболее короткий путь реализации этого дела. Один исследовательский реактор у нас будет (МБИР), где в числе других будут петли со свинцовым и свинцово-висмутовым теплоносителями, и строить ещё и второй исследовательский реактор, я считаю, будёт слишком дорогим удовольствием.
Вопрос по интеллектуальной собственности. Такое впечатление, что сейчас маленькие западные компании на волне интереса к малой энергетике стараются застолбить за собой поле. Получить множество патентов и потом на них жить. Не ограничит ли это развитие для россиян, не запатентуют ли наши идеи наши конкуренты?
Я хочу сказать, что мы очень внимательно отслеживаем эту ситуацию. В уставной капитал "АКМЭ-инжиниринг" внесена интеллектуальная собственность, то есть, те результаты, которые были ранее получены на предприятиях "Росатома", в том числе и в ФЭИ.
Всё будет оформляться как права на интеллектуальную собственность. Чтобы не было препятствий, и чтобы кто-то другой не мог пользоваться этими плодами. Это очень серьёзная вещь на самом деле.
Возникает подозрение, что за многими рекламными кампаниями, ведущимися на Западе, скрывается какая-то спекуляция. Поиграть - взять патенты, привлечь под них инвесторов, а дальше как получится.
Для того, чтобы взять патент, сегодня нужно только деньги. Не нужно доказывать полезность. Важно, что есть какая-то новая идея. Через какое-то время может выясниться, что затраты были пустыми.
У нас более взвешенная позиция. Уж если брать патент, то надо быть уверенным, что он войдёт в дело, и всё, что будет внедрено в СВБР нового, всё должно быть там запатентовано.
А не может быть такой ситуации, что какая-то технология, которая уже используется, но не запатентована, будет защищена патентом на Западе сейчас?
Нет. Такой патентный анализ проведен "АКМЭ-инжиниринг". Специально работала группа патентоведов, которая не нашла таких ситуаций, хотя определённые попытки нам помешать были. Поэтому информация технического плана о деталях СВБР не будет раскрываться преждевременно. Всё должно делаться тогда, когда это нужно.
Когда-то мы готовы были за западные гроши раскрывать значимую информацию. Сегодня у нас есть ФЦП, все значимые инновационные технологии финансируются. И поэтому мы совершенно спокойно смотрим на необузданную и оглушительную рекламу, которую организовывают наши конкуренты на Западе.
Мы понимаем, что за рекламными проспектами в большинстве случаев содержания нет. И мы знаем, что мы не опоздаем.
