Реактор для Севера

В.И.Сычиков, д.т.н., проф.ВМИИ, капитан I ранга,  В.В.Наумов, контр-адмирал в отставке, Ю.Л.Дьяченко,с.н.с.музея ГМА им.ад.С.О.Макарова

Арктическая зона России является крупнейшей ресурсной базой в мире. Привлекательность для долгосрочного инвестирования объектов в Российской Арктике больше, чем в любом другом государстве. В российской Арктике добывается нефть, природный газ, газовый конденсат, уголь, золото, алмазы. В районах, примыкающих к морским арктическим трассам, работают крупные промышленные комплексы по производству меди, никеля, олова и других цветных и редких металлов.


Важным аспектом, определяющим условия возрождения и развития  российского Севера, является потребность в резком увеличении энергообеспеченности северных регионов, что невозможно без создания небольших по мощности, топливообеспеченных, транспортабельных  региональных станций электро- и теплоснабжения.

Не менее значимой составляющей для развития Северо-Запада, Крайнего Севера, Дальнего Востока и Камчатки является налаживание гарантированного функционирования транспортной  инфраструктуры, и в первую очередь,  Северного морского пути (СМП). О необходимости организации круглогодичной навигации по СМП неоднократно ставил вопрос В.В. Путин, но «без активной финансовой поддержки со стороны  государства Северный морской путь не только не восстановит свою былую мощь, а может просто захиреть, стать легкой добычей других государств»

Предприниматели и транспортники Северо-Запада России давно ходатайствуют перед Правительством РФ о присвоении СМП статуса важнейшей национальной транспортной коммуникации с наделением его всеми соответствующими этому статусу правовыми и финансовыми ресурсами. Сегодняшняя ситуация, фактическое состояние СМП вызывает серьезную озабоченность. Последние несколько лет норвежцы все настойчивее поднимают вопрос об изменении статуса СМП. Такие же предложения звучат из США и Японии. Под предлогом защиты окружающей среды и безопасности мореплавания, норвежцы пытаются установить ограничения для России на объемы экспорта нефтепродуктов через северные моря. Скоро, глядишь, по Северному морскому пути караваны судов поведут японцы или американцы. Отсутствие необходимой охраны этой зоны со стороны ВМФ России уже привело к ограничению рыболовства на северо-западе, что отмечалось на встрече с рыбаками и военными моряками в Мурманске в начале 2008 г Д.А. Медведевым. Условием успешного развития СМП является решение оборонных аспектов, что очень важно для развития инфраструктуры северных регионов.

Главными задачами морской политики Российской Федерации на Арктическом направлении являются:

– исследование и освоение Арктики;

– защита интересов России при разведке и разработке запасов биоресурсов и минерального сырья;

– строительство судов ледового класса, специализированных судов для рыбопромыслового, научно-исследовательского флотов;

– защита интересов России в отношении СМП, централизованное государственное управление этой транспортной системой, ледокольное обслуживание и предоставление равноправного доступа заинтересованным перевозчикам;

– обновление атомного ледокольного флота;

– соблюдение интересов Российской Федерации при разграничении морских пространств и дна морей Северного Ледовитого океана с приарктическими государствами;

– развитие арктического судоходства, морских и речных устьевых портов.

Огромные запасы российского Севера – это ценнейшие кладовые, которые нельзя не охранять и не разрабатывать. Но пока…

Несмотря на многочисленные благие пожелания  «Концепция устойчивого развития арктической зоны Российской Федерации» не содержит ничего нового  относительно поддержки развития СМП. Объем ежегодных перевозок по Северному морскому пути в последнее десятилетие составляет примерно 1,7 млн. тонн грузов, что почти в 4 раза меньше, чем в 1987 году. Из шести атомных ледоколов, находившихся в эксплуатации, два на пороге исчерпания ресурса. Незначительно изменил картину и введённый после 15 лет строительства ледокол «50 лет Победы».

Инфраструктура СМП находится в состоянии кризиса. Для сокращения «ледовой паузы», ожидающей Россию к 2015 году, в ближайшее время необходимо заложить шесть новых атомных ледоколов, причём ледоколов нового поколения.

И для транспортной, и для энергообеспечивающей инфраструктуры северных регионов необходимо создание модульной, транспортабельной, унифицированной энергетической установки (ЭУ), достаточно автономной по топливной составляющей (т. е. способной работать без поставок топлива годами), не требующей большой, а самое главное длительной подготовки для её серийного производства. Степень унифицированности и транспортабельности таких ЭУ при минимальных доработках должна обеспечивать установку их на атомные ледоколы, атомные подводные лодки, противолодочные корабли, специализированные транспортные суда, плавучие атомные станции, на буровые шельфовых и глубоководных разработок, в городах и поселках материковой зоны добычи полезных ископаемых.

В 2000 году Правительство Российской Федерации одобрило «Стратегию развития атомной энергии России в первой половине XXI века». В этом документе предусмотрен переход на новейшие ядерные технологии естественной безопасности с коммерческими, быстрыми реакторами (БР), работающими в замкнутом топливном цикле. В другом документе –  «Транспортной стратегии России на период до 2020 года» предусматривается проектирование и строительство атомных ледоколов (АЛ) нового поколения.



ЯЭУ для ледокольного флота

Дискуссия о том, каким быть новому атомному ледокольному флоту продолжается несколько лет. По мнению ряда специалистов наиболее подходящей для северных условий является доработанная по компоновке и составу по сравнению с исходной СВБР 75/100 унифицированная, модульная АЭУ с реактором на быстрых нейтронах и свинцово-висмутовым теплоносителем, прямоточными парогенераторами, магнитогидродинамическими насосами для циркуляции теплоносителя, реактивно-роторным двигателем электрического генератора и тепловым аккумулятором – биологической защитой (ТА–БЗ). На рис.1 представлена схема такой АЭУ. Она является продолжением разработки более экономичной, более безопасной по сравнению с ВВЭР и РБМК модульной АЭС с СВБР–75/100  за счет развитых свойств внутренней самозащищенности:

– исключения возможности получения неуправляемой цепной реакции деления (на мгновенных нейтронах, т.е. ядерной аварии),так как в реакторах на быстрых нейтронах запас реактивности меньше доли запаздывающих нейтронов,

– применения химически пассивного по отношению к воздуху и воде теплоносителя, представляющего собой сплав свинца и висмута с температурой кипения 1670ºС и температурой плавления 123,5ºС, исключает кризис теплоотвода и высокое давление в контуре теплоносителя, а, следовательно, значительно снижает вероятность потери герметичности оболочек тепловыделяющих элементов активной зоны, первого контура, пожара и больших тепловыделений в помещениях ППУ;

– применения интегральной компоновки – моноблока исключает возможности потери теплоносителя и прекращение теплоотвода от активной зоны за счет высокой теплопроводности теплоносителя и аккумулирования тепла внутриреакторными конструкциями и теплоносителем, а также отводом тепла к воде парогенераторов и бака системы пассивного отвода тепла при полном обесточивании блока;

– отсутствия жидких радиоактивных отходов;

– применения магнитогидродинамических (МГД) насосов, исключающих уплотнение валов и систем их обслуживающих, обеспечивающих надежную герметизацию первого контура;

– использования встроенной системы очистки теплоносителя уменьшает стоимость эксплуатации ППУ;

– допустимости режима многократного замораживания–размораживания теплоносителя, что устраняет основной недостаток ППУ с ЖМТ - необходимость поддержания СВТ в расплавленном состоянии за счет работы реактора на минимальной мощности или за счет парового обогрева;

– использования электрообогрева для режима ожидания РУ позволяет быстро выводить реактор на мощность;

– использования твэлов с полной механической развязкой топлива и оболочки с жидкометаллическим подслоем обеспечивают высокую надежность активной зоны;

–  использования добавки Gd к топливу, не выгорающей под действием быстрых нейтронов обеспечивает ядерную безопасность при попадании воды в активную зону;
– использования источника нейтронов в составе активной зоны обеспечивает контролируемый пуск реактора в любой момент кампании.


Дополнительными достоинствами этой системы по сравнению с действующими  на атомных ледоколах установками являются:
- компактность и возможность полной цеховой (и даже поточной) сборки;
- возможность транспортировки водным, железнодорожным и автомобильным транспортом (без ТА–БЗ), наименьшая стоимость эксплуатации на протяжении всего жизненного цикла: от создания до утилизации и захоронения.

При рассмотрении вопроса о совершенствовании ЯЭУ ледоколов много внимания  было уделено обеспечению запаса мощности ППУ с целью быстрого изменения мощности на валу при некоторых режимах эксплуатации АЛ, что приводит к вынужденному травлению свежего пара помимо главных турбоагрегатов в главный конденсатор.

Атомные ледоколы в море около 70% времени работают на мощности ниже 60%. И при плавании на чистой воде или стоянке на якоре или у необорудованного пирса паропроизводительность и мощность паротурбинной установки могут быть максимально согласованными между собой и не допускать избытков пара. Но в других случаях при маневрировании на переменных режимах, особенно при работе ледокола «набегами» в тяжелых льдах, ЯЭУ ледокола вынуждена работать в широком диапазоне мощностей с частыми и большими изменениями мощности, когда число реверсов гребных электродвигателей достигает 60 в час. Такие быстрые и частые изменения мощности гребных двигателей не могут сопровождаться адекватным изменением  мощности действующих в настоящее время на ледоколе водо-водяных реакторов. Допустимая скорость изменения мощности действующих водо-водяных реакторов не более 1% в секунду, а в последние годы для повышения надежности активных зон её сократили до 0,1% в секунду. Поэтому в условиях переменных режимов приходится иметь запас мощности реактора около 20%, что приводит к перерасходу энергозапаса активных зон на 15–20%.

Варианты установок с ВВРД на тепловых нейтронах не позволяют создать активные зоны с 20-летним сроком службы и кампанией 20 миллионов МВт´час путём многократного снижения энергонапряженности, применения перспективных материалов оболочек твэлов и снижения скорости изменения мощности до 0,035%/с. Кроме того из-за предлагаемого увеличения давления в 1-м контуре для повышения экономичности ЯЭУ произойдёт снижение ее надежности за счет наводороживания, межкристаллической коррозии конструкционных материалов 1-го контура. А из-за роста толщины корпусных конструкций ППУ снизится маневренность ЯЭУ, скорость изменения мощности ЯР.

У ледокольного флота и  проектировщиков из ЦНИИ им. ак. А.Н.Крылова не было опыта проектирования и эксплуатации более перспективных для ледоколов и заполярных электростанций ЯЭУ с ядерным реактором на жидкометаллическом теплоносителе. Но огромный опыт эксплуатации ЯР с ЖМТ был у военно-морского флота. Почему же сегодня им не воспользоваться?

Опыт применения реакторов с ЖМТ

Работы над созданием быстрых реакторов с жидкометаллическим теплоносителем (БР с ЖМТ) в нашей стране были начаты в 1950-х годы одновременно с созданием первых водо-водяных реакторов для подводных лодок. Этой проблемой продолжают заниматься: ФГУП ОКБ «Гидропресс» (г. Подольск), ФГУП РНЦ РФ-ФЭИ им. ак. Лейпунского А.И. (г. Обнинск), ГНИПКИИ «Атомэнергопроект», НПО «Аврора», ФГУП СПМБМ «Малахит» (Санкт-Петербург).

В 1963 году в состав ВМФ вошла первая опытная атомная подводная лодка (АПЛ) «К-27»  645 проекта с энергетической установкой, имевшей реактор на промежуточных нейтронах (РПН) с ЖМТ. В качестве теплоносителя был использован эвтектический сплав свинец-висмут (СВТ). В связи со слабой изученностью свойств СВТ на тот период на «К-27» в 1968 году произошла авария с оплавлением части активной зоны. С учетом опыта эксплуатации «К-27» было построено семь АПЛ проекта 705 с одним РПН с ЖМТ на каждой.

Эти корабли имели превосходные скоростные качества,  высокую маневренность и энергетическую эффективность ЯЭУ (КПД = 21%), на любых режимах без создания запаса мощности, а значит и без перерасхода энергозапаса активных зон. Уникальные характеристики АПЛ 705 проекта  и его АЭУ отмечены в книге «Рекордов Гиннеса». 

 Кроме атомных подводных лодок были построены два полномасштабных наземных реакторных стенда-прототипа в ФЭИ  в Обнинске и в НИТИ в Сосновом Бору. Общая наработка реакторных установок с ЯР с ЖМТ составила около 80 реакторо-лет без единой ядерной аварии.

При эксплуатации АПЛ 705 проекта случались аварийные происшествия вплоть до вытекания теплоносителя 1-го контура  из реактора в отсек. Но переоблучения персонала выше установочных норм при проведении ремонтных и аварийных работ на кораблях, в том числе и с оборудованием не замерзшего первого контура, не было.
 Для поддержания сплава в жидком состоянии необходимо было нести вахту в энергетических отсеках и на пульте главной энергетической установки даже в базе, поддерживая мощность реакторов на минимальном уровне, или принимать пар с берега для обогрева ЖМТ 1-го контура.

 Несмотря на эти недостатки, за 25-летний период работы  РПН  и РБН с ЖМТ продемонстрировали более эффективную и безопасную ядерную энергетическую технология, не имеющую аналогов в мировой практике. Работы по совершенствованию этой технологии продолжались и после окончания срока службы АПЛ 705 проекта. Проведение принципиальных доработок, устранивших вскрытые недостатки, сегодня позволяет  внедрить ядерную технологию с ЖМТ реакторами для ледокольного флота и плавучих АЭС.

Перспективы использования ЯЭУ с ЖМТ

С учетом опыта эксплуатации ЯЭУ с ЖМТ на АПЛ ряд организаций:  ЕЦН РФ-ФЭИ, ФГУП ОКБ «Гидропресс», ГНИПКИ «Атомэнергопроект», калужский турбинный завод, НПО «Аврора», СПМБМ «Малахит» выполнили концептуальный проект модульной АЭС с двумя блоками на базе модульных ППУ с многоцелевыми свинцово-висмутовыми реакторами на быстрых нейтронах (СВБР–75/100, электрической мощностью 75 или 100 МВт в зависимости от параметров пара).

Союз Российских Судовладельцев обратился в СПМБМ «Малахит» с просьбой оценить возможность использования ЯЭУ с ЖМТ при освоении арктического шельфа и для реализации Морской доктрины РФ на трассе Северного морского пути. По мнению главного конструктора судовых энергетических установок СПМБМ «Малахит» В.В.Замукова наиболее рациональным направлением обеспечения электроэнергией и теплом северного и восточного побережья РФ, удовлетворяющим современным требованиям экономичности, ядерной, радиационной и экологической безопасности, является создание плавучих атомных станций ограниченной мощности, использующих ЯР с ЖМТ.  Такого же мнения придерживается и  главный конструктор ФГУП ОКБ «Гидропресс» В.С.Степанов.

Главная проблема технологии тяжелого теплоносителя – проблема периодической очистки теплоносителя после вскрытия первого контура или попадания в него воды – сегодня уже решена.

Немалую роль в усовершенствовании ППУ с СВТ могло бы  сыграть применение биологической защиты из теплоаккумулирующего твердого материала (например, из химически пассивного кристаллического спрессованного порошка LiF, обладающего высокой теплоемкостью) вместо  металловодной. Биологическая защита – тепловой аккумулятор (БЗ-ТА) с температурой от 700ºС до 1000ºС полностью решает проблему поддержания сплава в жидком состоянии. Кроме того энергия нейтронов и γ-излучения, преобразованная в БЗ-ТА в теплоту, может быть возвращена в паротурбинный цикл, повышая таким образом экономичность ЯЭУ.

Размещение в БЗ-ТА аварийных парогенераторов (ПГ) и электронагревателей позволяет работать без дроссельно-увлажнительного устройства и травления пара на главный конденсатор. Недостаток пара при маневрировании и переменных нагрузках можно компенсировать подключением аварийных ПГ, использующих тепло БЗ-ТА.  А возникающие избытки пара  можно сбрасывать для турбогенераторов с целью электрообогрева БЗ-ТА. Эксплуатационная экономичность в условиях реверсирования и маневрирования, таким образом, повышается, что особенно важно для атомных ледоколов.

Перспективность и конкурентоспособность «малой» атомной энергетики зависит не только от ядерной и радиационной безопасности при эксплуатации, но и при транспортировании, хранении, утилизации и захоронении, а  стоимость производства установок – от их серийности. Применение в «малой» энергетике унифицированных интегральных ЯЭУ с СВТ на быстрых нейтронах, благодаря их внутренней самозащищенности, компактности, маневренности, высокому КПД и большому сроку службы активных зон, выгодно отличают их от ППУ с ВВР.

Опыт эксплуатации ядерных реакторов с жидкометаллическим теплоносителем на промежуточных нейтронах на атомных подводных лодках, опыт проектирования и эксплуатации интегральных стационарных ядерных установок со свинцово-висмутовым теплоносителем на быстрых нейтронах, разработанных ФГУП ОКБ «Гидропресс», позволяет говорить о перспективности перехода к таким установкам для атомных ледоколов, боевых кораблей, атомных электростанций заполярных прибрежных и шельфовых месторождений полезных ископаемых в новых экономических условиях.


Как быстрее реализовать проект

Для финансирования этих разработок, возможно, имеет смысл обратиться к положительному отечественному историческому опыту начала XX-го столетия, а именно, созданию «Лиги обновления флота». Целью этого общества было всемерное содействие развитию Русских морских сил и средств до степени, соответствующей требованиям безопасности и пользы Отечества, и  поддержание их на уровне мирового прогресса. Устав Лиги был зарегистрирован Петербургским градоначальником 22 июля 1906 г. Программа Лиги провозглашала:
– важное значение  отечественного флота как средства обороны и международного общения;
– торговый флот рассматривался как средство активной торговли и резерв военного флота;
– кадры военного флота организовывались на началах широкого конкурса для офицеров и поощрения продолжительной добровольной службы нижних чинов;
– сооружение новых судов должно было предоставляться преимущественно отечественной промышленности при возможно широком поощрении частной предприимчивости;
– морскому командованию флотом должна быть предоставлена самостоятельность с выделением их хозяйственного берегового управления морского ведомства.
При всех служебных назначениях предполагалось использовать систему баллотировки, а, где уместно, и конкурс.

Председателем общества «Лига обновления флота» был избран Н. Н. Беклемишев, в совет вошли А.Одинцов, Н.Колоколов, Ю. В.Руммель. В 1915 г. «Лига обновления флота» была переименована в «Морскую лигу». В начале XXI века возможности общественных организаций не столь блестящи, но попробовать объединить заинтересованных в возрождении мощи России государственников, бизнесменов, специалистов, на наш взгляд, имеет смысл. Тем более, что технические и экономические возможности для этого у страны есть. Осталось приложить политическую волю. 

Литература.
1. Нигматулин Р.И., Нигматулин Б.И. Нефть, газ, энергия, мир, Россия: состояние и перспективы. //Атомная стратегия. 2006, январь.

2. Евдокимов Ю. Северный морской путь от прошлого – к будущему. // «Морская политика России», сентябрь, 2005.

3. Инновационная ядерная технология на базе унифицированных быстрых реакторов с теплоносителем свинец-висмут для модульных атомных станций различной мощности и назначения. Реакторная установка СВБР 75/100 // ФА по Атомной энергии. ФГУП ОКБ «Гидропресс».


назад

Материалы из архива

3.2006 Приглашение на казнь

Елена Терехина, журналист Новейшая история России едва ли знает подобные примеры. В феврале этого года руководитель крупнейшего атомного предприятия – железногорского ГХК - был отправлен в отставку. Его действия глава Росатома Сергей Кириенко назвал «освоением средств», а экономику предприятия – «экономикой абсурда». Кроме того, стало известно, что на ГХК выявлены серьезные нарушения ядерной, радиационной и экологической безопасности.

7.2008 Кто стоит у руля американского «ядерного ренессанса»

Справка редакции сайта www.proatom.ruСамуэль Р. Бодман, министр энергетики США31 января 2005 года Сенат США единогласно избрал Самуэля Райта Бодмана на должность министра энергетики США. Бюджет министерства энергетики США  превышает 23 миллиарда долларов, а на подведомственных ему предприятиях работает более 100 тысяч человек. В  2006 г. Бодман объявил о программе господдержки проектов по строительству новых атомных электростанций в стране.

12.2006 Пресс-служба ОМЗ сообщает

ОМЗ поставят оборудование для первой в мире плавучей АТЭС ММ Ижорские заводы, входящие в состав Объединенных машиностроительных заводов (ОМЗ), подписали контракты с ФГУП «ОКБМ им. И.И.Африкантова» (Нижний Новгород) и с на поставку оборудования двух реакторных установок КЛТ-40С для строительства первой в мире плавучей атомной теплоэлектростанции малой мощности (АТЭС ММ) в городе Северодвинске (Архангельская область).