«Мы накопили огромную базу знаний о технологии ВВЭР и готовы к новому шагу вперед»

Владимир Асмолов — о совершенствовании РУ ВВЭР и об их месте в ядерных энергетических системах будущего

Легководные реакторы с водой под давлением — признанные лидеры в мировой атомной энергетике, опыт эксплуатации которых исчисляется тысячами реакторо-лет. Владимир Асмолов, советник генерального директора госкорпорации «Росатом», научный руководитель направления разработки энергетических реакторов типа ВВЭР, доктор технических наук, профессор, один из лауреатов Госпремии РФ в области науки и технологий 2023 года за цикл работ по разработке и реализации стратегии развития двухкомпонентной ядерной энергетики, рассказал «Вестнику атомпрома», за счет каких решений продолжает совершенствоваться технология отечественных РУ ВВЭР и какое место они займут в ядерных энергетических системах будущего.

— Владимир Григорьевич, почему именно корпусные реакторы с водой под давлением стали доминировать в мировой атомной энергетике? В чем их основные преимущества?

— Давайте начнем с того, что первый водо-водяной реактор появился на атомной подводной лодке «Ленинский комсомол». Постановление Совета Министров о строительстве объекта 627 было в 1952 году, объект вступил в строй в 1958-м. Научным руководителем проекта был Анатолий Петрович Александров, главным конструктором РУ — Николай Антонович Доллежаль. По сути, этот реактор является прародителем технологии ВВЭР. Почему был выбран такой тип реакторной установки? Самый простой ответ: в подводную лодку в то время ничего другого, столь же компактного, поместить не получилось бы. Сегодня у ВВЭР, по сравнению с другими аппаратами, в общем, остаются те же главные принципы, понятные уже на этапе становления технологии: эти реакторные установки наиболее просты в изготовлении и наиболее дешевы как по своей капитальной составляющей, так и по эксплуатационной составляющей. Именно поэтому сегодня в мире доминируют два типа аппаратов: это наши ВВЭР (водо-водяные энергетические реакторы) и PWR (реакторы с водой под давлением, от англ. pressurized water reactor), использующие в качестве замедлителя и теплоносителя обычную легкую воду. Если взять общее количество всех энергоблоков АЭС в мире, то сегодня около 75% работают именно по этой технологии.

— Каковы главные отличия строящихся сегодня энергоблоков с ВВЭР от их предшественников?

— Все стадии развития технологии можно увидеть на примере Нововоронежской АЭС, где поэтапно появлялись все проекты реакторов типа ВВЭР. Нововоронежской АЭС в прошлом году присвоили имя Виктора Алексеевича Сидоренко, я его называю отцом ВВЭРовской технологии и своим учителем. Именно на Нововоронежской площадке в 1964 году появился первый ВВЭР, его мощность была 210 МВт, затем в 1969-м — второй, с повышением мощности до 365 МВт. Потом появилось первое поколение ВВЭР-440, и первый из них — опять же на Нововоронежской, потом 440-е пошли на Кольскую станцию, на Ровенскую, в ГДР, в Финляндию, Болгарию, Венгрию, Чехию и далее. Головные энергоблоки ВВЭР мощностью 1000 и 1200 МВт тоже впервые были построены на Нововоронежской АЭС.

На протяжении всего этого времени менялись подходы к безопасности, потому что безопасность — это главное, это наше всё. На первых ВВЭРах не было защитной оболочки, максимальная возможная проектная авария рассматривалась как разрыв трубопровода диаметром 32 мм. Потом мы пошли дальше, предусмотрев возможность мгновенного разрыва главного циркуляционного трубопровода. Появилась защитная оболочка, пассивные системы безопасности и так далее.

Чем больше мы получали опыта эксплуатации и результатов НИР, тем серьезнее обосновывалась безопасность. Появление проекта АЭС-2006, научным руководителем которого я был, — это развитие проекта В-320 с реактором мощностью 1000 МВт, который в основном составлял флот атомных реакторов Советского Союза. Все накопленные знания вкладывались в эти аппараты, поэтому разница большая: было три канала безопасности, в АЭС-2006 их стало четыре. Все это время постоянно шел учет тяжелых аварий — опыта Три-Майл-Айленда, Чернобыля, потом Фукусимы, шла огромная программа исследований, в результате чего появились ловушки расплава, системы вентиляции защитной оболочки, системы водородной безопасности. После Фукусимы мы поставили на станцию мобильные дизельные установки, мобильные насосы. Сегодня ведется большая работа по отжигу корпусов реакторов, это эффективный способ продления безопасной и надежной эксплуатации реакторных установок ВВЭР.

Если сравнивать ВВЭР и PWR, то мы шли приблизительно одним путем. Повышение мощности — сегодня у нас это 1200 МВт на клеммах генератора (в ВВЭР-ТОИ будет 1255 МВт). Французы пошли дальше и в проекте EPR подняли мощность до 1600 МВт. Мы сделали ловушку расплава нашего типа: это тигельная ловушка, очень компактная и надежная. Они сделали ловушку растекания под бассейном. Но физика, которая была заложена изначально, она такой же остается и по сей день. А все, что мы делаем, — это инженерия: объединение работы систем безопасности и систем нормальной эксплуатации. Это спокойное, монотонное, эволюционное развитие технологий: дальнейшее снижение стоимости, повышение эффективности и безопасности. Проект ВВЭР-ТОИ сделан в цифре, то есть он более удобен для проектирования: можно перейти сразу на рабочую документацию из чертежей технического проекта. И это тоже шаг в эволюционном развитии.

Но что же тогда появилось действительно нового по сравнению с тем, что было? Новое — это накопленная база знаний по всем явлениям, связанным с работой реактора. Это и нейтронная физика, и теплофизика, и возможные сложнейшие физико-химические взаимодействия при тяжелых авариях с плавлением активной зоны. Все это позволило создать совершенно новую систему кодов, расчетных программ, которые дают возможность моделировать все, что происходит в реакторе, с очень высокой степенью точности. Одновременно с этим развивалась нормативная база, которая предъявляла все больше и больше требований, и это тоже вытекало из накапливаемых знаний. И имея все, что есть на сегодняшний день в технологии ВВЭР, мы очень сильно подготовились к новому шагу вперед. Я говорю в первую очередь о возможности спектрального регулирования, а также о том, что нами, по сути, заложены основы повышения КПД реакторов за счет перехода на сверхкритические параметры теплоносителя.

— Верно ли, что разработка реакторов со спектральным регулированием велась в нескольких странах еще в 1980-х годах, но потом эти проекты были прекращены?

— Верно. И прекращены они были по вполне понятной причине: база знаний была недостаточной. Не было нормального расчетного инструмента и сами возможности расчетного моделирования были очень ограничены, не было суперкомпьютеров. Если вспоминать аварию РБМК на Чернобыльской станции, у нас в то время были электронно-вычислительные машины БЭСМ-6. Сейчас такая БЭСМ-6 в любом телефоне. А тогда, летом 1986 года, для того чтобы с использованием методов Монте-Карло рассчитать на БЭСМ-6 паровой эффект, который привел к взрыву на Чернобыльской АЭС, нам потребовалось 800 часов счета! Сегодня мы вооружены не в два раза лучше, а в миллионы раз лучше. Мы имеем инструменты в виде суперкомпьютеров и в виде перехода к так называемым CFD-кодам, которые позволяют очень детально все считать. Мы имеем совершенно другие знания по нейтронной кинетике и по теплофизическим свойствам, имеем другие материалы и знания о них.

Идея, которая звучала уже в 1980-х, — попробовать перейти к тому, чтобы регулировать процессы в ядерном реакторе изменением спектра, — была правильной. В чем ее суть? В изменении при работе реактора уран-водного соотношения, то есть в переходе с теплового спектра на более жесткий. Преимущества этого подхода и тогда были понятны: продление топливной кампании, возможность использования в ВВЭРах уранплутониевого топлива на 100%, возможность ухода от борного регулирования. Сегодня мы регулируем реактивность за счет борной кислоты, когда начинаем маневрировать на мощности, добавляем борную кислоту — начинается огромный водообмен, а это в том числе лишние радиоактивные отходы. У нас даже есть мысли, может быть, в будущем уйти от циркония, чтобы избежать пароциркониевой реакции в случае тяжелых аварий. Спектр более жесткий, поэтому есть возможность использования другого конструкционного материала вместо циркония. Так что идея спектрального регулирования очень перспективная. И мы решили, что сегодня готовы эту идею реализовать на основании всего накопленного нами знания.

— Как спектральное регулирование должно осуществляться технически?

— Это можно делать по-разному, способов много. Можно, допустим, работать с использованием тяжелой воды, но на тяжелую воду мы не собираемся переходить, это совершенно другая технология. Можно использовать замену воды паром. Можно использовать вытеснители. Суть этого подхода в том, что кроме системы СУЗов, которые управляют реактивностью, появляются еще некие системы, благодаря которым уран-водное соотношение можно изменить, а значит, изменить спектр нейтронов. Еще один вариант — это использование дополнительных поглощающих стержней внутри ТВС, которые тоже дают нужный эффект.

— Какой вариант выбран для проекта ВВЭР-С и почему?

— Есть инженерный прагматизм, поэтому мы на сегодняшний день ведем разработку двух вариантов. Вариант с использованием вытеснителей, скорее всего, пойдет на каком-нибудь блоке большой мощности, 1200 МВт, там он будет наиболее эффективен.

На данный момент мы выбрали блок средней мощности, 600 МВт. Почему? Это тоже абсолютный прагматизм. Весь мой опыт показывает, что, не имея площадки, невозможно проектировать станцию, потому что у каждой площадки своя климатика, своя сейсмика, другие особенности. Лет пять назад, когда мы пришли к пониманию, что готовы воплотить введение спектрального регулирования, площадка была только одна, на Кольской станции. Блок большой мощности в силу ряда причин там нецелесообразен, поэтому появился шестисотник. Работы по вытеснителям на тот момент еще не были закончены, поэтому мы пошли на второй вариант, более простой — с дополнительными поглощающими стержнями, это прекрасная кассета, которую мы называем ТВС+. Для начала выбран именно этот подход: мы с экономической точки зрения не сильно переделываем активную зону, но такой подход даст нам возможность опробовать технологию — за счет дополнительных поглощающих стержней, увеличив их число с 17 до 22 в каждой ТВС. Картина изменения спектра становится плавной, но нужной эффективности. Кроме того, вводятся так называемые «серые» стержни. Появляется возможность маневрирования в диапазоне 100–50–100% без изменения концентрации борной кислоты. Эту программу ведет «ТВЭЛ», с точки зрения разработки топлива — это тоже проект эволюционный, и на сегодняшний день мы в этом не видим никаких проблем. Естественно, будут эксперименты, испытания сборок на критстенде в ФЭИ.

Самое важное, что если в обычный ВВЭР оптимально больше 30% уранплутониевого топлива загружать нецелесообразно с точки зрения нейтронной физики, то для ВВЭР-С, и это опять подготовка к будущему, возможна 100-процентная загрузка такого топлива. Мы пустим ВВЭР-С на обычном оксидном урановом топливе, но, когда уран будет настолько дорог, что использование уранплутониевого МОКС-топлива станет экономически целесообразным, блок будет готов к работе на 100-процентной загрузке МОКСом.

— За последний год цены на уран значительно выросли, это как-то повлияло на перспективы перехода на МОКС?

— Они еще не значительно выросли. Я лично считаю, это моя оценка, что с точки зрения экономической целесообразности переход на МОКС на обычных ВВЭРах (на проектах АЭС-2006, ТОИ) не нужен. А вот на ВВЭР-С, я думаю, где-то за 2040 годом это будет уже целесообразно. В данном случае все будет решать экономика, но энергоблок будет к этому готов.

— Конструкция ВВЭР-С будет сложнее обычных ВВЭР? Это будет влиять на стоимость проекта?

— Конструкция — то, что мы делаем на Кольской, — сегодня не сложнее. Вот когда мы пойдем на вытеснители, она будет посложнее. Но, опять же, это инженерные вещи. Например, при использовании вытеснителей будет два верхних привода, а не один, но это все не токамак, не термояд, никаких новых физических открытий здесь нет. По сути дела, повторюсь, мы используем огромный накопленный уровень знаний, опыт эксплуатации и разработанный расчетный инструмент для решения этой инженерной задачи.

— На какой стадии сейчас находится решение этой задачи?

— На сегодняшний день у нас есть дорожная карта по сооружению двух блоков с ВВЭР-С на Кольской АЭС. Площадка выбрана, изыскание на площадке проведено. Есть финансирование — и проектных, и конструкторских работ, и НИОКР. Все деньги выделены, все организации задействованы. Во главе работы стоит технический комитет под моим руководством. Каждую неделю комитет собирается, решаем вопросы всей командой разработчиков. Это «Гидропресс», Курчатовский институт — научный руководитель, АЭП — проектант, ВНИИАЭС, ОКБМ, «ТВЭЛ». Мы собрали все лучшее, что мы имеем, и те решения, которые мы внедряем в традиционные ВВЭРы, они тоже все будут здесь учтены, в новом энергоблоке с ВВЭР-С. Идет постоянная экспертиза проделанных работ — внутренний кросс-аудит. Идут конкурентные предложения по системам безопасности. Что еще очень важно, эти работы идут параллельно с разработкой подходов для блока большой мощности.

Кроме того, в разработке принимает активное участие специальная команда, созданная из сотрудников Кольской станции, то есть из людей, которые заинтересованы в этом блоке и которые смотрят на все, что мы хотим сделать, на все наши улучшения именно с точки зрения будущей эксплуатации.

В этом году мы должны по нашему плану выйти на техпроект, который будет вынесен на научно-технический совет Росатома и который мы должны защитить в конце 2025 года. Промежуточные этапы работ рассматриваются на научно-технических советах предприятий. Дальше пойдет лицензирование, на это — год минимум. А дальше — лицензия на размещение, лицензия на сооружение и так далее. Дорожная карта полностью прописана со всеми этими нюансами и очень хорошо работает. У нас исключительно жесткий контроль, так как проект включен в программу «РТТН», абсолютно жесткие сроки и отчетность по каждому этапу работы. Есть ключевые события, точки, пока мы ни одной ключевой точки еще не пропустили (и не дай нам бог пропустить), идем абсолютно в графике, в соответствии с дорожной картой. И сейчас перед нами поставлена задача: попробовать сэкономить год и в 2034-м запустить блок. Пробуем.

Я честно могу сказать, что я очень доволен и командой, и тем, как идет работа. Это последнее дерево, которое я хочу вырастить, поэтому для меня это очень важно.

— А как обстоят дела с выращиванием сверхкритического дерева?

— ВВЭР-СКД — это тоже идея довольно древняя, в ней ничего нового нет. Нужно повысить КПД: перейти с наших 38% где-то на 45% за счет перехода на сверхкритические параметры теплоносителя. Но это уже следующая задача, для решения которой на сегодняшний день нет необходимой базы знаний. Отсутствует необходимая база данных по нейтронной физике, по теплофизическим свойствам. Эти базы знаний должны быть созданы. Ну и самое главное — у нас пока нет материалов, которые будут работать при этих температурах.

Все эти работы начаты. Они велись нами в рамках Gen4 (международной организации Generation IV International Forum. — Прим. ред.) вместе с нашими зарубежными коллегами, но два года назад наше взаимодействие с Gen4 практически прекратилось. Мы имеем финансирование по этим работам, но его недостаточно для того, чтобы быстро продвинуться в разработке. Мы рассчитывали, что, имея опыт всех стран, мы сможем приблизить сроки реализации ВВЭР-СКД. Я считал, что этот блок может появиться к 2040-м годам, но сегодня я уже не такой оптимист.

Но работа идет, недавно в Курчатовском институте прошел семинар по этой теме. Нам важно сейчас выбрать, каким будет СКД, одноконтурным или двухконтурным. Есть предложение ФЭИ, там Павел Леонидович Кириллов, выдающийся ученый в области теплофизики, был апологетом этого блока. Есть предложения Курчатовского института, «Гидропресса». Но пока это некие дороги вперед, по которым пройдены только первые километры.

— За счет каких характеристик сверхкритические реакторы относят к поколению IV?

— Четвертое поколение реакторов или энергоблоков — это очень условное понятие, на мой взгляд. Мы должны иметь ядерную энергетическую систему, эффективную и безопасную. Если говорить о безопасности сегодняшних аппаратов, которые мы (опять же условно) относим к поколению III+, то я считаю, что степень остаточного риска, который мы имеем по этим блокам, есть, но она пренебрежимо мала. В ВВЭР-ТОИ, это мое мнение, мы даже перешагнули через оптимум «вложения в безопасность — отклик/эффект» и вкладываем в безопасность гораздо больше, чем с точки зрения техники нужно в нее вкладывать. Но говоря о блоках поколения III+ я могу произнести такие слова: мы имеем гарантированную безопасность. То есть я могу сказать вам, кому угодно — своей семье, жене, детям, что на этих блоках никаких три-майлов, фукусим и тем более чернобылей не будет. Никогда. Хотя остаточный риск все равно есть.

Теперь мы должны создать именно ядерную энергетическую систему четвертого поколения, а это не только реактор. Один реактор не может работать: реактор находится в энергоблоке, энергоблок работает в топливном цикле. Мы написали требования к энергетической системе. Первые два требования тривиальные — это эффективность и безопасность. Дальше мы должны показать, что атомная энергетика является возобновляемым источником энергии. Мы должны уран-238, которого в природном уране 99%, включить в цикл, получить плутоний, получить новое топливо из плутония, и мы тогда можем говорить: «Наш источник такой же, как солнце и ветер, — возобновляемый, и топлива у нас хватает на тысячелетия: мы сами будем для себя его воспроизводить». Дальше мы должны сказать всем людям, что ничего плохого после нас не остается: мы знаем, как обращаться с отработавшим ядерным топливом, и умеем с ним обращаться. Мы должны построить всю эту ядерную энергетическую систему — с коэффициентом воспроизводства топлива, равным единице, чтобы и ВВЭРы могли работать на этом топливе, и РБНы его производили.

Существуют разные подходы к этому. Например, я считаю, что для производства энергии ВВЭРы как были, так и будут оставаться дешевле быстрых реакторов. И главной целью ВВЭРов будет производство электроэнергии, а может быть, и чего-то другого, тепла например. Для быстрых реакторов будет другая ниша. Они будут реакторными производителями топлива, это будет их первая цель, а уже во вторую очередь производителями электрической энергии. Понадобится нам в будущем высокотемпературная энергия — у нас уже есть к этому готовность, мы знаем, как делать ВТГРы. Нужны нам будут жидкосолевые реакторы как дожигатели минорных актинидов — если мы найдем им нишу, то и они у нас пойдут. То есть каждый раз готовность определить ключевое направление, развить и выбрать правильный путь в этом переборе решений будет зависеть от требований, которые мы выставляем к системе, которую хотим иметь. Эти требования на сегодняшний день сформулированы в стратегии развития атомной энергетики России до 2050 года и до 2100 года. Это очень серьезная работа, она утверждена на президиуме НТС в госкорпорации. Там есть и конкретные цели увеличения генерации за счет атомных энергоисточников к 2045 году — до 25% по стране в среднем и более 50% по европейской части России. Но если говорить о моем личном мнении, я считаю, что нам нужно с атомной энергетикой более активно идти за Урал. Чтобы развивалась страна, росла промышленность, нужны дороги и мощные источники надежной энергии.

— Есть ли в этой стратегии конкретное описание будущей структуры двухкомпонентной атомной энергетики? То есть можно ли сегодня говорить о том, сколько, например, через 50 лет должно быть ВВЭРов, сколько быстрых реакторов — свинцовых и натриевых?

— Там есть некая картина развития, в которой есть так называемая линия неопределенности. И она будет зависеть от потребительских качеств тех аппаратов, которые мы сделаем. ВВЭР-С — это, будем говорить, хеджирующий вариант на тот случай, если с быстрыми реакторами не все пойдет так хорошо, как предполагается. С ними все обязательно пойдет в итоге, но, возможно, медленнее, чем это видится сегодня. До сегодняшнего дня все наши реакторы, которые мы пытаемся делать, которые должны иметь другие свойства (лучше, чем у ВВЭР), пока все они дороже. Без сомнения, работать в этом направлении надо, мы дальше будем делать БН-1200, его проект удешевляется, на бумаге БН-1200 сопоставим по экономике с ВВЭР-1200. Но давайте вспомним адмирала Риковера, одного из «отцов» американского атомного проекта, который еще в начале 1950-х годов сказал: «Любой бумажный проект безопасен, легко сооружается, прост и дешев, а когда мы переходим к реальности, мы получаем совсем другие результаты».

Поэтому мы и говорим, что до конца века мы обречены на двухкомпонентную атомную энергетику, которая будет состоять из тепловых реакторов и быстрых. А сколько, каких и когда, будет зависеть от того, какими мы их сделаем. Если Евгений Олегович Адамов со товарищи прав и они сделают и быстрый свинцовый аппарат, и быстрый натриевый аппарат по потребительским качествам дешевле и лучше ВВЭРа, тогда ВВЭРы пойдут на спад. Я и моя команда со своей стороны тоже делаем все, чтобы выиграть. Вот это здоровое соревнование — оно и даст результат!

— В мире кто-то озвучивает похожий системный подход к развитию двухкомпонентной атомной энергетики? Или это наша уникальная стратегия?

— Почему уникальная? Все понимают, что у атомной энергетики нет другого выхода, а, скорее всего, нет другого выхода и у человечества. Я лично на сегодняшний день другого источника энергии, кроме ядерного, не вижу. А для того чтобы он был надолго, он должен быть неограниченным по сырьевым показателям, то есть возобновляемым, сделать это без замыкания ядерного топливного цикла по урану и плутонию невозможно. Уровень технологического развития человечества сегодня говорит о том, что пока есть только энергия деления, которая способна вот это делать. Есть люди, которые занимаются термоядерным синтезом. С моей точки зрения, до конца века практического применения термояда не будет. Если у них будет скачок — слава богу. Но пока все работы по термояду в основном идут на идеологии токамаков, а у них есть свои ограничения. Это, конечно, дорога в будущее. Но может оказаться, что она тупиковая.

— А как вы сейчас в целом оцениваете глобальные перспективы развития атомной энергетики? Часто звучит мнение, что западные страны утратили компетенции в проектировании и строительстве АЭС. Вы с этим согласны?

— Я 20 лет был членом INSAG (International Nuclear Safety Advisory Group. — Прим. ред.), это группа советников по ядерной безопасности при генеральном директоре МАГАТЭ. За свою жизнь и в Америке успел поработать — в комиссии по ядерному регулированию. Очень хорошо знаю американских инженеров и ученых, французских, немецких, японских и других. И вижу определенную деградацию: приходят люди с какими-то другими мозгами. Сегодня атомной энергетикой занимаются менеджеры, а не ученые и не инженеры. Куча обещаний, куча новых компаний. Вот, например, американская компания NuScale, которая занималась одной из перспективных разработок реакторов малой мощности. Контракты заключили, обещали. В итоге проект закрыт, потому что цены с момента обещаний стали несусветными. А энергетическая политика, которую ведет, например, Евросоюз? Для меня это бы был кошмар, если бы такое было у нас: упор на ветровую и солнечную энергетику, хотя их КИУМ много ниже, чем 90%, который имеют АЭС. Вот китайцы просто молодцы: имеют дешевые кредиты, со всего мира все взяли, на этой основе сделали свое, и очень неплохо. Но они все виды энергетики развивают, и в том числе очень активно атомную. Конечно, у каждой энергии есть своя ниша. Но глобальное обеспечение человечества энергией на сегодняшний день возможно только в супердлинной перспективе. И только за счет ядерной энергии.