Трудолюбивые малыши

От первых отечественных АСММ — к будущему атомной энергетики

В 2024 году состоялась первая конференция МАГАТЭ по малым модульным реакторам (ММР). Генеральный директор Агентства Рафаэль Гросси назвал их «одной из самых многообещающих, захватывающих и необходимых технологических разработок, которых мы ждали и которые вот-вот станут реальностью». Идея эта не нова, но она сильно опередила свое время. Однако сейчас это один из основных трендов развития мировой атомной индустрии. У малой атомной энергетики появился бизнес-заказчик (мировые ИТ-гиганты собираются использовать атомную энергию для обеспечения дата-центров и уже являются инвесторами нескольких стартапов), на рынок ММР выходят крупнейшие мировые промышленные компании. Однако пока только у «Росатома» и Китайской национальной ядерной корпорации есть реализованные проекты, причем Россия — это признанный мировой лидер в этой области: у РУ и АЭС малой мощности в нашей стране богатая история, полная блестящих инженерных находок.

Строить АЭС — это долго и дорого, поэтому в том числе вопросы рентабельности и окупаемости заставляли инженеров повышать мощность энергоблоков. Реакторы же малой мощности долгие десятилетия были по большей части либо экспериментальными, либо имели специальное назначение (например, судовые или космические установки). Когда же малая энергетика вышла из тени и стала самодостаточной идеей, а не «пробником» гигаваттника? И какие проекты модульных станций были в СССР?

Как все начиналось

Вероятно, идея модульных установок родилась в апреле 1955 года. Ефим Славский, в то время бывший первым заместителем министра среднего машиностроения, посещая Кировский завод в Ленинграде (ЛКЗ), поделился с главным конструктором завода Николаем Синевым своей идеей: а почему бы не создать мобильную АЭС, которая могла бы удовлетворить потребности армии и промышленности в отдаленных районах? Очевидно, что такие станции должны быть компактными, чтобы доставка на место дислокации была быстрой и относительно недорогой, а главное, чтобы сроки и стоимость монтажных работ были минимальными. Решение только одно: оборудование еще на заводе-изготовителе нужно собирать в крупные узлы (или, как сейчас принято говорить, модули). Идея не просто интересная, но и революционная, поскольку меняла сам процесс сооружения АЭС.

От слов к делу перешли быстро. Кировский завод совместно с Брянским паровозостроительным заводом подготовили сразу два проекта АЭС на железнодорожной платформе: ТЭС-1 предусматривал двухконтурную схему реактора с паротурбинной частью электропоезда 1ЭП; ТЭС-2 — одноконтурная схема с газотурбинной установкой. «Всего было проработано около 20 вариантов АСММ электрической мощностью 1,0–1,5 МВт с различными реакторами (на тепловых, промежуточных и быстрых нейтронах) и разными видами исполнения (стационарные и блочно-транспортабельные, передвижные, плавучие)», — позднее вспоминал Юрий Сергеев, один из активных участников разработки программ по развитию малой атомной энергетики, руководивший в ФЭИ проектами АСММ с водоохлаждаемыми реакторами.

В итоге в октябре 1956 года Министерство среднего машиностроения в качестве основного проекта утвердило ТЭС-3 (транспортабельная электростанция, третий проектный вариант) Лаборатории «В» (ныне — ФЭИ). Обнинцы предложили поместить водо-водяной реактор на тепловых нейтронах не на железнодорожную платформу, а на гусеницы от самого мощного на тот момент советского танка Т-10. Уже в марте 1957 года был готов эскизный проект, а в марте 1960-го все оборудование весом 204 тонны было смонтировано на четырех гусеничных самоходных платформах. На первой платформе разместился реактор с биологической защитой, на второй — парогенераторы, компенсатор объема, насосы, на третьей — турбогенератор, на четвертой — пульт и главный щит управления. За проект отвечал ленинградский Кировский завод, но в производстве стандартного и нестандартного оборудования участвовало порядка 100 предприятий.

ТЭС-3 эксплуатировалась на территории Лаборатории «В». С 13 октября 1961 года до 18 июля 1965-го в энергетических режимах установка отработала 130 тыс. часов, хотя была демонстрационно-экспериментальной. «Наиболее интересным и важным экспериментом следует считать исследования длительной работы установки в режиме саморегулирования мощности и самокомпенсации реактивности при отключенных автоматических регуляторах, с воздействием на реактор только со стороны второго контура путем изменения расхода питательной воды, подаваемой в парогенератор. При этом компенсация эффектов выгорания и отравления осуществлялась только за счет отрицательного температурного эффекта реактивности», — писал Сергеев [1], назначенный научным руководителем ТЭС-3.

За время опытной эксплуатации ТЭС-3 был собран большой массив информации и подготовлен комплекс усовершенствований технологической схемы и некоторых систем станции для второй кампании (включая новые твэлы, СУЗ на основе гадолиния и парогенераторы ПГ-13). Более того, было принято решение [2] о переброске установки на Арланское нефтяное месторождение в Башкирии. Оказалось, что закачка горячей воды в нефтяные пласты ускоряла добычу, поэтому Ефим Славский предложил использовать ТЭС-3 как источник кипятка. Активную зону разгрузили с помощью специально созданного оборудования, которое можно использовать в полевых условиях. Но Министерство нефтедобывающей промышленности сначала пересмотрело пункт назначения (теперь ТЭС-3 отправлялась в Грозный), а вскоре и вовсе отказалось от атомной установки. Военным она тоже оказалась не нужна.

Атомная блочная водо-водяная

Именно так расшифровывается название реактора АБВ. Его особенностью были естественная циркуляция теплоносителя, а также интегральная схема (активная зона и парогенератор имели один общий стальной корпус). Идея такого реактора появилась в Лаборатории «В» еще в 1958 году, но реальные работы начались в 1964-м, когда уже накопился некоторый опыт эксплуатации ТЭС-3.

«Несмотря на хорошие технические показатели, все ядерные установки подобного типа недешевы. Точнее, они дороги, если оценивать их по единовременным первоначальным капиталовложениям. Вот почему, когда решается вопрос о приобретении такой станции, мнение заказчика почти всегда склоняется в пользу дизельных установок, которые действительно значительно дешевле по первоначальным вложениям. Но то, что дизельные установки при эксплуатации в трудных условиях подвоза топлива обходятся значительно дороже, как-то не очень волнует заказчика. Это происходит, по-видимому, потому, что эксплуатационные расходы раскладываются на ряд лет, между тем как единовременные расходы на приобретение дизельных установок значительно меньше, чем на приобретение ядерно-энергетических установок», — не без раздражения писал в книге «Проблемы атомной науки и техники» Андраник Петросьянц, в 1978–1986 годах возглавлявший Госкомитет СССР по использованию атомной энергии, не указывая прямо на Минобороны. Именно военные были заказчиками АЭС «Север» на основе АБВ-1,5, но в конце 1960-х отказались от нее.

При этом Андраник Петросьянц подчеркивал, что «АЭС малой мощности хороши там, где подвоз топлива затруднен транспортными и, может быть, климатическими условиями. Ценность АЭС малой мощности определяется также тем, что она кроме электроэнергии дает тепло для отопления жилых домов и производственных помещений. Тепло, выдаваемое АБВ-1,5 в количестве 4,3 Гкал в час, способно обеспечить 60 жилых десятиквартирных домов».

Чуть позднее к АБВ вернулись, но уже без заказа армии. Ефим Славский решил привлечь атомщиков из Восточной Европы и за счет международного сотрудничества дать проекту второй шанс. В 1971 году договор на разработку техпроекта АТЭЦ «Север-2» подписали «Техснабэкспорт» (СССР) и «Трансэлектро» (Венгрия). Советский Союз разработал реакторную зону с унифицированными топливными сборками и поглощающими сборками кластерного типа, а в Венгрии создали проекты общей компоновки, систем концентрирования и обращения с жидкими радиоактивными отходами, замкнутого воздушного охлаждения. Даже появился эскизный проект плавучей АТЭЦ. Но, к сожалению, ни один проект так и не был реализован.

АРБУС для Антарктиды

Как следует из названия, арктическая блочная установка (АРБУС) тоже предназначалась для отдаленных районов. Но, вопреки названию, первую установку планировали отправить не в Арктику, а в Антарктиду, на одну из советских научных станций. Вероятно, решение было продиктовано обстоятельствами холодной войны: в конце 1961 года США доставили мини-реактор РМ-3А на свою станцию «Мак-Мердо», и СССР хотел продемонстрировать, что тоже обладает такими возможностями.

В 1950-х физики и химики в СССР, США, Канаде и других странах начали присматриваться к органическим теплоносителям для таких реакторов. Быстро выяснилось, что у органики есть весомые преимущества: во-первых, высокая температура кипения и низкая упругость пара позволяют обойтись без высокого давления в первом контуре; во-вторых, органика почти не вызывает коррозию, поэтому можно использовать обычные стали, а твэлы делать на основе алюминия; в-третьих, обслуживание первого контура сильно упрощено, поскольку наведенная радиоактивность органики очень низка.

Опытный образец был смонтирован на площадке НИИАР в Мелекессе (сегодня — Димитровград): установка состояла из 19 блоков весом не более 20 тонн каждый (общий вес — 365 тонн), чтобы такую станцию можно было доставлять на место любым видом транспорта. 23 мая 1963 года НИИАР посетила американская делегация во главе с нобелевским лауреатом, главой Комиссии по атомной энергии США Гленном Сиборгом. По воспоминаниям, ознакомившись с АРБУС, он сказал: «На это можно было деньги не тратить». Вероятно, Сиборг имел в виду недостаток таких установок: радиационная и термическая нагрузка приводит к разложению органики (радиолизу) и поликонденсации продуктов распада (фаулингу). На теплообменных поверхностях довольно быстро появляются отложения, потери теплоносителя составляют 0,1–1 кг на 1 МВт/ч выработанной электроэнергии.

Однако пуск все же состоялся 11 августа 1963 года. Установка была готова за 2,5 года. Электрическая мощность АРБУС составляла 750 кВт (тепловая — 5 МВт). Для управления требовалось 3 человека в смену, всего на установке работали 17 сотрудников. Сначала теплоносителем был гидростабилизированный газойль, позднее перешли на гидротерфенил. Бороться с проблемой фаулинга решили методом гидрокрекинга с применением алюмокобальтомолибденового катализатора и добавлением водорода, а позднее вместо регенерации теплоносителя решили применять вакуум-дистилляционную очистку. Несколько лабораторий постоянно проводили исследования и вносили улучшения, в результате до 1978 года фиксировались незначительные неполадки.

К сожалению, за это время стало понятно, что в Антарктиде АЭС не место: американская установка постоянно ломалась (за время работы — 1961–1972 годы — она вырабатывала тепло и электроэнергию 72% времени). Поэтому Штаты решили свернуть невыгодный проект. А учитывая, что международный договор 1959 года запрещал в Антарктиде не только испытания ядерного оружия, но и захоронение радиоактивных отходов, то американцам пришлось вывезти в Калифорнию порядка 9 тыс. м³ грунта, в который просачивался радиоактивный материал.

В общем, установке АРБУС нужна была новая миссия. И она нашлась: 19 ноября 1979 года после серьезной модернизации состоялся пуск установки в режиме выработки тепла. По сути, эта установка стала первой в СССР атомной станцией теплоснабжения и называлась АСТ-1. Она должна была стать прообразом установки АТУ-15 (предполагались два реактора по 15 МВт каждый), заказчиками которой выступили золотодобытчики. Анатолий Рыбин, ведущий научный сотрудник радиационно-технологической лаборатории НИИАР, вспоминает, что проводился большой объем исследований: «Когда я заканчивал свою диссертацию (темой было обоснование радиационной безопасности реакторов с органическим теплоносителем АСТ-1 и АТУ-15), пришло время искать оппонентов. Я много ездил, и неожиданно в МЭИ, прямо скажем, не самом профильном вузе, мне сказали: защищаться только у нас! Оказалось, им очень была нужна подобная установка — легкая, без биологической защиты, — чтобы устанавливать на самолеты. Но они требовали все засекретить, а мы не могли на это пойти. В итоге я защищался в ОКБМ в Горьком».

В новом качестве АРБУС проработала до мая 1988 года. К тому времени были опробованы многие технологические решения, шел поиск новых теплоносителей. «В конце 1980-х мы получили несколько образцов органических жидкостей из ВНИИОлефин (Баку). Их испытания проводились на реакторном стенде в условиях облучения. Результаты показали, что они в сравнении с дитолилметаном могут быть более перспективными в качестве реакторных теплоносителей. Но дальнейшие исследования были прекращены, так как с началом перестройки органическая тематика была закрыта», — вспоминает Людмила Рождественская, руководившая группой в химической лаборатории НИИАР в период исследований на АРБУС — АСТ-1.

Как это произошло и с рядом других проектов, Чернобыльская авария и экономические сложности позднего СССР поставили крест на органическом направлении. В этом советская и американская атомные программы сошлись.

Реактор на колесах

В 1961 году Андрей Красин, бывший директор Лаборатории «В», переехал из Обнинска в Минск, где возглавил Институт ядерной энергетики (ныне – Объединенный институт энергетических и ядерных исследований «Сосны» НАН). Возможно, этим объясняется тот факт, что идею мобильной АЭС дальше развивали белорусские физики, и проект ТЭС-3 в какой-то степени переродился в образе «Памира-630Д».

Главным заказчиком разработки снова были военные, которые нуждались в компактном, надежном, простом в использовании устройстве. Поэтому предпочтение отдавалось одноконтурной схеме, следовательно, вода как теплоноситель и рабочее тело не подходила. Главный конструктор Василий Нестеренко предложил использовать жидкую тетраокись азота (N₂O₄), у которой высокие теплопроводность и теплоемкость при низкой температуре испарения. А учитывая, что при нагревании происходит реакция диссоциации (N₂O₄ → 2NO + O₂), то есть объем и давление резко возрастают, то можно извлечь больше полезной энергии.

Свой проект мобильной АЭС белорусские физики представили научно-техническому совету Госкомитета по использованию атомной энергии СССР осенью 1963 года. Но специальное КБ с опытным производством появилось лишь через 10 лет. Тогда и началась полноценная работа. Например, пришлось решать вопрос, как нивелировать коррозионную активность тетраоксида азота. Также скептики предупреждали, что при попадании воды в реактор образуется азотная кислота, а это — серьезная угроза разрушения активной зоны. Решили разбавить N₂O₄   и добавить 10% NO. Смесь назвали нитрином. Но угроза все же реализовалась: во время одного из экспериментов произошел разрыв трубопровода, в помещение попал оранжевый дым. Один из сотрудников вдохнул его, в легких мгновенно образовалась та самая азотная кислота… спасти человека не удалось.

Тем не менее проект развивался, в общей сложности были задействованы 150 предприятий из разных республик СССР. 24 ноября 1985 года состоялся энергопуск. Мощность установки составила 630 кВт. В отличие от ТЭС-3, оборудование размещалось на пяти автомобильных прицепах. Управляли устройством две ЭВМ (третья была резервной). На подключение всех систем и пуск требовалось всего шесть часов. Предполагалось, что энергетическая установка может проработать три года без перегрузки, но в реальности на разных режимах нагрузки «Памир-630Д» функционировал 2975 часов. Как и АСТ-1, в 1988 году белорусский проект окончательно закрылся, а прототип был разобран. «Весть о закрытии проекта была воспринята коллективом с большим сожалением. Это была интересная программа», — признается сегодня Дмитрий Максимович, секретарь ГНУ «ОИЭЯИ—Сосны» НАН Беларуси. Часть реакторной установки превратилась в монумент на территории института «Сосны», несколько труб из нержавеющей стали для парогенератора использовались как декор в ночном клубе, который так и назывался — «Реактор». Клуб закрылся в 2011-м, судьба труб неизвестна.

Уникальная «Гамма»

Термоэлектрическое преобразование обычно используется в радиоизотопных электрических генераторах — РИТЭГах (электроэнергия образуется за счет разницы температур в проводниках). Однако в Курчатовском институте прорабатывался проект и такой АЭС. В начале 1989 года Дальневосточное отделение АН СССР предложило использовать ее на острове Попова для нужд научного поселка Тихоокеанского океанографического института. Реактор назвали «Елена». Правда, реализовать проект не удалось, но была создана и испытана «Гамма», на которой отработали основные решения. И получилась по-настоящему уникальная установка — необслуживаемый саморегулируемый ядерный источник энергии с прямым преобразованием тепловой энергии реактора для децентрализованного энергоснабжения электричеством и теплом автономных потребителей.

Установка состояла из водо-водяного реактора (высота активной зоны — 50 см) с выносным компенсатором объема и термоэлектрического генератора, скомпонованных в одном агрегате. Установка размещалась в бассейне: вода была и биозащитой, и инструментом вывода тепла. Причем конструкторы смогли добиться естественной циркуляции. Энергопуск состоялся 1 марта 1982 года. Электрическая мощность составляла 6,6 кВт (тепловая — 220 кВт). Программа исследований была выполнена к 1990 году, после этого реактор перевели на работу с пониженными параметрами, а в 2012-м было принято решение о выводе из эксплуатации. 

На воде и на суше

Россия обладает единственным в мире атомным ледокольным флотом, а силовая установка каждого атомохода — это как раз реактор малой мощности. Наша страна накопила огромный опыт эксплуатации ядерных реакторов на ледоколах, его логичным продолжением стало использование модифицированных судовых реакторов для энергетических блоков малой мощности.

С 2019 года на Чукотке, в самом северном городе России Певеке, работает первая и единственная в мире плавучая атомная теплоэлектростанция (ПАТЭС), в ее основе — плавучий энергоблок (ПЭБ) «Академик Ломоносов» с двумя реакторами КЛТ-40С общей мощностью 70 МВт. Вместе они способны обеспечивать в номинальном режиме выдачу в береговые сети 70 МВт электроэнергии и до 50 Гкал/ч тепловой энергии для нагрева теплофикационной воды. Реакторными установками этого типа оснащены ледоколы «Таймыр» и «Вайгач», а также единственный в мире атомный лихтеровоз «Севморпуть». Станция рассчитана на 40 лет службы с возможностью продления.

ПАТЭС, которая может обеспечивать электроэнергией населенный пункт с численностью населения около 100 000 человек, решает две задачи. Во-первых, это замещение выбывающих мощностей Билибинской АЭС, действующей с 1974 года, и Чаунской ТЭЦ, которой уже более 70 лет. Во-вторых, это обеспечение энергией горнодобывающих компаний, расположенных в регионе.

Флагманская разработка «Росатома» в области ММР — водо-водяной реактор РИТМ-200. Эти реакторы сегодня успешно работают на самых современных атомных ледоколах проекта 22220. Российскими атомщиками разработаны разные версии этих реакторов, которые могут работать и на новых плавучих энергоблоках, и на наземных атомных станциях малой мощности.

Первая в России наземная АСММ строится в якутском поселке Усть-Куйга: сейчас на площадке готовятся к заливке бетона. В основе проекта этой станции — реактор РИТМ-200Н (наземный) мощностью 55 МВт. Работа станции улучшит экологическую обстановку в регионе, а тарифы на электроэнергию, согласно предварительным расчетам, снизятся. Энергия станции будет нужна и для энергоснабжения крупнейшего золоторудного месторождения Кючус.

В 2024 году Россия заключила первый в мире экспортный контракт на строительство АСММ: «Росатом» построит такую станцию в Узбекистане. АСММ будет состоять из шести реакторов РИТМ-200Н. На площадке уже ведутся подготовительные работы. В мае 2025 года машиностроители «Росатома» приступили к изготовлению металлургических заготовок для корпуса первого из реакторов узбекской АСММ.

В марте 2025 года «Росатом» подписал с Мьянмой межправительственное соглашение о принципах сотрудничества в области строительства АСММ. Об интересе к российским ММР заявляли и другие страны.

————————————

Список литературы:

1. История атомной энергетики Советского Союза и России / Под ред. В. А. Сидоренко. — Вып. 5. — М., 2004. — С. 37.

2. История атомной энергетики Советского Союза и России / Под ред. В. А. Сидоренко. — Вып. 5. — М., 2004. — С. 42.