Свинец-висмут: путь к «железу»
Быстрые реакторы со свинцово-висмутовым теплоносителем
Свинцово-висмутовый теплоноситель Александр Лейпунский начал изучать на заре атомного проекта. Сначала — в качестве теплоносителя для быстрого реактора-размножителя (бридера), необходимого для наработки плутония. Однако, в отличие от натриевого бридера, такой реактор не смог обеспечить короткое время удвоения плутония. В настоящее время, на новом витке интереса к этой технологии, идет работа над тем, чтобы доказать ее экономическую состоятельность и создать энергоблок со свинцово-висмутовым быстрым реактором (СВБР), обладающим высоким уровнем внутренней самозащищенности.
Причины выбора
Быстрые реакторы изначально нужны были для наработки плутония — как для военных, так и для гражданских целей. «Поскольку в те годы еще мало было разведано месторождений природного урана, не были открыты гигантские запасы нефти и газа, т.е. маячил топливно-энергетический кризис, правительство планировало развивать ядерную энергетику быстрыми темпами, буквально удваивать мощности каждые пять-семь лет», — вспоминает в своей книге «Свинцово-висмутовые реакторы: между прошлым и будущим, живая история. Полемика, интервью, воспоминания» Георгий Тошинский, один из разработчиков СВБР.
В пользу свинцово-висмутового теплоносителя говорили его теплофизические свойства. Сплав имеет достаточно низкую (123 °С) температуру плавления (для сравнения, у натрия 98 °С, а у свинца 327 °С) и высокую — кипения (1670 °С). Такие свойства сплава позволяют получить высокие параметры паросилового цикла и, как следствие, хороший КПД при низком давлении в первом контуре, обусловленном высокой температурой кипения. Кроме того, свинец-висмут не вступает в реакции с воздухом и водой (это главная проблема натрия), поэтому исключены взрывы и пожары, и специальные системы безопасности не нужны.
Параллельно для реакторов на быстрых нейтронах рассматривались варианты с разными теплоносителями — не только со свинцом-висмутом, но и с натрием и с гелием. Тогда «победил» натрий, у которого меньшее время удвоения плутония. Этот параметр обратно пропорционален энергонапряженности активной зоны, которая у свинца-висмута значительно ниже, чем у натрия. Для реакторов атомных подводных лодок (АПЛ) высокая энергонапряженность активной зоны не требуется, поэтому свинец-висмут решили попробовать там — в реакторных установках с промежуточными по спектру нейтронов активными зонами.
Лодочные испытания
АПЛ были частью атомного проекта — для выполнения собственно военных задач и в качестве потенциального средства транспортировки ядерного оружия. Использовать свинец-висмут для подводных лодок предложил Александр Лейпунский. «Первый реактор на свинце-висмуте для подводной лодки был рассчитан Б. Ф. Громовым в его дипломном проекте, выполненном под руководством А. И. Лейпунского. Он выбрал и решетку активной зоны, и тепловыделяющие элементы — тогда они были тоненькие, диаметром 6 или 8 мм. В дальнейшем все это пришлось существенно изменить», — отмечает в своей книге Георгий Тошинский.
Но многих необходимых знаний о свойствах свинца-висмута тогда еще не было. В частности, неизвестен был механизм коррозии конструкционных материалов и, соответственно, не разработаны методики подавления коррозионного воздействия. Не было известно, как влияют на конструкционные материалы и теплоноситель различные примеси и как минимизировать их отрицательное влияние. Отсутствовали данные по радиационным характеристикам конструкционных материалов, механизму теплоотдачи и другие. Для решения научно-исследовательских и опытно-конструкторских задач в стране были созданы десятки стендов – в ФЭИ, «Гидропрессе», ОКБМ и других НИИ. Реакторные петли для испытаний твэлов создали в Курчатовском институте и НИИАР. Первый полномасштабный стенд-прототип появился в ФЭИ в 1959 году.
Уже в 1963 году была сдана в эксплуатацию первая атомная подводная лодка с жидкометаллическим теплоносителем проекта 645. Затем, с 1971 года, стали вводить в эксплуатацию АПЛ проекта 705 и 705Л (класс «Альфа» по классификации НАТО), которые отличались паропроизводящими установками. Всего было построено семь «Альф». Исследовать, проектировать и строить приходилось почти одновременно. «В процессе эксплуатации наземных стендов-прототипов и ПЛА (то же, что АПЛ. — Прим. ред.) мы встретились с рядом технических трудностей, вызванных, в том числе, и нашими ошибками и недоработками как в области НИР, так и ОКР. Это вполне естественно, т. к. мы вошли в совершенно новую, очень сложную область науки и техники и в силу ряда обстоятельств вынуждены были вести проектирование, строительство и эксплуатацию установок параллельно с проведением НИР, у нас не было возможности выполнить хотя бы минимальный объем НИР до начала проектирования», — вспоминает Борис Громов, который в 1972–2001 годах возглавлял работы по созданию ЯЭУ с жидкометаллическим теплоносителем для АПЛ. Но в конечном итоге ядерные установки для подводных лодок со свинцово-висмутовыми реакторами были построены.
Из-за недостатка исследований на стендах и на лодках возникали аварии. В их причинах разбирались, получали новые знания, неполадки устраняли, меняли регламенты изготовления и эксплуатации. Самой большой проблемой оказалось возникновение окислов, которое привело к тяжелой аварии на одном из двух реакторов на первой опытной АПЛ К-27 проекта 645. Окислы свинца (шлаки) появлялись при разгерметизации первого контура во время ремонтов и перегрузки топлива. Но об их опасности тогда никто не знал, потому что реакторная установка работала без сбоев всю первую кампанию. Проблемы начались во время второй. Шлаки забили вход в активную зону, теплоноситель перестал проходить, начался сначала локальный перегрев, а потом — уже из-за действий оператора, который хотел удержать падающую мощность реактора, — началось плавление активной зоны.
На этой аварии научились очень многому. Стали вести системные исследования по образованию окислов — и научились их химически восстанавливать до металлического свинца и паров воды, вводя гелий-водородную смесь. Тогда же поняли, что полностью удалять кислород нельзя, потому что он создает оксидную антикоррозионную пленку на конструкционных материалах. Правильная стратегия — поддерживать кислородный баланс.
Также на К-27 впервые изучили влияние размораживания (в данном случае имеется в виду переход из твердого в жидкое состояние) теплоносителя на реактор и топливо. Исследования проводили на реакторе, который не был поврежден. Работали крайне аккуратно, медленно повышая температуру в системе обогрева. Теплоноситель разморозился (расплавился), реактор проработал несколько суток, и оказалось, что оболочки твэлов и первый контур сохранили герметичность. Так впервые было экспериментально подтверждено, что свинец-висмут можно безопасно замораживать и размораживать без вреда для оборудования.
Страх заморозки первого контура был большой головной болью для моряков. Атомщики требовали, чтобы реакторная установка все время оставалась включенной. «Один из адмиралов сказал: «Вы сделали хороший скоростной автомобиль, на нем приятно ездить, но, когда я приезжаю домой, я не могу выключить двигатель. Если вы эту проблему не решите, такие реакторы нам не нужны»», — рассказывает Георгий Тошинский в своей книге.
Проблему решили. Режимы заморозки-разморозки проверили на стендах и выяснили, что процесс замораживания происходит медленно, материал пластичный, поэтому целостность стальных конструкций не нарушается даже после трех десятков циклов замораживания-размораживания. Но применить эти знания на АПЛ не успели — на тот момент уже распался Советский Союз, атомные подлодки с жидкометаллическим теплоносителем выводили из эксплуатации и больше не строили.
Еще одна проблема, для которой нашли решение во время исследований и эксплуатации АПЛ, — как избежать воздействия полония-210 в газообразных соединениях на организм человека. Для этого разработали особые правила радиационной безопасности. Полоний-210 образуется при поглощении нейтронов висмутом и представляет опасность при разгерметизации первого контура во время плановых ремонтов и перегрузок топлива. Установили, что необходимо организовывать зоны строгого радиационного контроля в местах проведения работ, отсасывать воздух от мест с повышенным загрязнением, использовать спецодежду и респираторы, проводить дезактивацию загрязненных поверхностей и не вести огневые работы (сварку и резку) в сильно загрязненных полонием местах.
В итоге в ВМФ до 1996 года прослужили шесть подводных лодок со свинцово-висмутовыми реакторами. «Общая наработка во всех режимах составила около 80 реакторо-лет, подтвердила достоинства и основные характеристики, заложенные в проекте, и была достаточной для выявления конструктивных и технологических недостатков с целью определения основных направлений совершенствования установок», — говорится в заключении экспертной рабочей группы, которая изучила опыт эксплуатации этих АПЛ.
СВБР в проекте
После 1996 года свинцово-висмутовое направление переживало кризис. Поддержал разработчиков заказ от «Росэнергоатома» по изучению возможности реновации трех блоков Нововоронежской АЭС, партнерство с японскими компаниями и сотрудничество с Международным научно-техническим центром.
Полученные деньги позволили разработать концептуальный проект АЭС с двумя блоками электрической мощностью 1600 МВт каждый на базе реакторной установки СВБР мощностью 100 МВт (16 модулей). Уже тогда стало понятно, что выиграть в конкуренции с АЭС большой мощности и другими видами низкоуглеродной генерации малые АЭС могут за счет эффекта масштаба. Серийное производство модулей снизит стоимость оборудования, сократит сроки строительно-монтажных работ.
Модульный проект с СВБР-100 сравнивался с проектом реактора ВВЭР-1500. Сопоставление технико-экономических показателей выявило преимущество АЭС с СВБР. НТС, который рассматривал проект, одобрил его и рекомендовал выполнить обоснование инвестиций реновации блока № 2 НВАЭС с использованием СВБР. Но эта работа выполнена не была.
Следующая попытка довести СВБР до «железа» была предпринята в 2005 году. Георгий Тошинский с коллегами подготовил письмо на имя президента Владимира Путина о необходимости продолжить развитие свинцово-висмутовой технологии. Вес письму придали подписи академиков Гурия Марчука и Валерия Субботина. Их поддержка помогла: в 2006 году перспективы свинца-висмута рассмотрели на НТС по энергетике Росатома. Было принято решение о переходе к проектированию и строительству опытного объекта, на него выделили деньги, началась работа.
А через два года проектом заинтересовался бизнесмен Олег Дерипаска. Он увидел в технологии не только возможности для энергоснабжения его сибирского алюминиево-энергетического конгломерата, но и огромный коммерческий потенциал в качестве самостоятельного бизнеса. Время с начала 2000-х до аварии на АЭС «Фукусима» называли атомным ренессансом. Уже тогда было понятно, что декарбонизировать энергетику в масштабах планеты без атомной генерации — задача сложная, если вообще выполнимая. Благодаря интересу Олега Дерипаски появилась компания «АКМЭ-инжиниринг», ею на паритетной основе владеют Росатом и «Иркутскэнерго» (входит в En+).
«АКМЭ-инжиниринг» стала владельцем интеллектуальных прав на технологию СВБР-100 (это, по условиям соглашения, был вклад Росатома), центром разработки технологии (благодаря инвестициям «Иркутскэнерго»), а также эксплуатирующей организацией на этапах размещения и сооружения опытно-промышленного энергоблока с реакторной установкой СВБР-100.
Ближе к завершению проектирования стало понятно, что для удачного коммерческого запуска проекта было бы неплохо привлечь стратегических партнеров-инвесторов из государств, обладающих перспективными рынками для проекта СВБР-100, развитой промышленностью, а также большими амбициями в атомной энергетике не только в своей стране, но и на рынках третьих стран. Работа по привлечению сейчас активно ведется.
Внутренне присущая безопасность СВБР
1. Из-за высокой температуры кипения свинца-висмута исключается возможность наиболее тяжелой аварии — кризиса теплоотдачи из-за потери теплоносителя в результате его испарения при нарушении герметичности первого контура. (Кризис теплоотдачи — резкое ухудшение теплоотвода от теплоотдающей поверхности, сопровождающееся скачкообразным ростом ее температуры).
2. Химическая инертность теплоносителя при контакте с водой и воздухом исключает возможность химической аварии, такой как пожар на АЭС «Монджу». Из-за отсутствия образования водорода невозможны аварии, подобные случившейся на АЭС «Фукусима» (обе станции в Японии).
3. Отсутствие изменения объема при плавлении-затвердевании позволяет заморозить теплоноситель в реакторной установке, сделав его естественным барьером для выхода радиоактивности, что важно, например, при выводе из эксплуатации.
4. Теплоноситель удерживает в себе йод, цезий и другие продукты деления, кроме газообразных. А нарабатываемый летучий полоний-210, находящийся в теплоносителе в очень низкой концентрации (один атом на миллион), образует термодинамически стойкое интерметаллическое соединение со свинцом, что резко снижает образование радиоактивных аэрозолей при разгерметизации первого контура.
5. Во всех теплоотводящих контурах уровень естественной циркуляции теплоносителя достаточен для отвода остаточного тепловыделения. Это важно при аварии с остановкой насосов.
Высокий уровень внутренней самозащищенности, исключающий наиболее тяжелые аварии, позволяет обосновать безопасность, опираясь не на вероятностный анализ, трудно понимаемый людьми, а на их жизненный опыт: раз нет высокого давления и водорода, то не может быть взрывов и пожаров. Такой подход повысит доверие к технологии СВБР, а это один из ключевых факторов для появления «в железе» нового атомного проекта.
Особенности СВБР
Текущий дизайн проекта СВБР имеет интегральную моноблочную компоновку, объединяющую реактор, насосы и парогенераторы. Моноблочная компоновка, во-первых, полностью исключает большое количество труб первого контура, качество сварки которых сложно проверить. Во-вторых, моноблок будет полностью производиться в заводских условиях, где больше специализированного оборудования, есть возможность развернуть монтируемые агрегаты в наиболее удобное для работы положение, более квалифицированные специалисты, больше возможностей для контроля.
Планируемая мощность ОПЭБ с СВБР — 100 МВт (электрических). СВБР без изменения конструкции может работать как на урановом, так и на уран-плутониевом топливе, причем в обоих случаях — как на оксидном, так и на нитридном. Также в СВБР можно загружать ТРУОКС-топливо — это МОКС-топливо со значительной долей (несколько процентов) младших актинидов, выделенных при переработке ОЯТ. Использование СВБР поддерживает режим нераспространения за счет отсутствия доступа к топливу в течение длительной кампании (7–10 лет) и использования урана с обогащением ниже 20%.
Реакторы СВБР-100 могут стать надежным источником энергии в отдаленных районах и районах со слаборазвитой сетевой инфраструктурой, поставщиком промышленного и бытового тепла, выступать в роли базовой и балансирующей генерации в энергокластерах с высокой долей ВИЭ, гибко сочетаться с технологиями опреснения воды и производства безуглеродного водорода.
«При использовании ТЖМТ (тяжелого жидкометаллического теплоносителя. — Прим. ред.) создаются предпосылки для упрощения конструкции РУ за счет исключения ряда систем безопасности, необходимых в РУ с другими теплоносителями. Это может позволить сделать АЭС на базе БР с ТЖМТ не только более безопасными, но и более экономичными в сравнении с АЭС на базе традиционных реакторов», — уверен Георгий Тошинский.
