Энергетика на быстрых реакторах: от замысла через опыт к новому старту

В.В.Орлов, д.ф-м.н., профессор, НИКИЭТ


I. Военная предыстория, роль теории

Ядерная энергия, в миллионы раз превосходящая химическую по калорийности и ресурсам топлива, с начала 20 века будила воображение ученых и фантастов (Содди, Уэллс, Вернадский). Но Резерфорд и др. физики сомневались в ее практическом значении: ускоренные заряженные частицы теряют энергию в кулоновских столкновениях, так что выход ядерных реакций мал и выделенная энергия много меньше затраченной.


В начале 30-х была понята роль синтеза легких ядер в происхождении химических элементов и энергии звезд, но и тогда физики не решились предложить ядерный синтез при звездных температурах для производства такого «ширпотреба» как энергия.

Открытие нейтрона (Чэдвик, 1932) родило новые надежды. Но свободные нейтроны нестабильны и получаются в небольших количествах под действием энергичных γ-квантов или заряженных частиц из ускорителей или радиоактивных ядер (RaBe и  др. источники нейтронов). Об энергетике же можно говорить лишь при размножении нейтронов в реакциях (n, νn) с ν>1.

Но в пороговых реакциях (n, 2n) даже с низким порогом около 2 МЭв для 2Н,9Ве (Сцилард, 1934) энергия вторичных нейтронов ниже порога или уходит под порог после рассеяний, так что цепной реакции не получается.

Опыты Гана и Штрассмана,  их объяснение в начале 1939 г. теоретиками делением U (Мейтнер, Бор) с испусканием нейтронов (Ферми), вскоре – измерения ν~2-3 и развитие основ теорий деления (Бор, Уиллер) и цепной реакции (Ферми, Вигнер и др.) сделали физикам ясной необычайную простоту физических и технических принципов ее осуществления на нечетных изотопах (235U, 0,72% в Unat , вскоре были получены и 239Pu из 8U и  3U из Th).

В 1972 было обнаружено сниженное содержание 235U в U месторождения Окло(Габон) – свидетельство действовавшего на Земле 2 млрд лет назад природного реактора (тогда 5U в Unat  было около 3%).

В 1939 г. началась мировая война и Эйнштейн предупредил Рузвельта об  угрозе создания Германией оружия невиданной силы. В декабре 1942 г. Ферми пустил под Чикаго первый реактор (физическая модель графитового теплового реактора (ТР) на Unat). Вскоре были построены промышленные реакторы этого типа и тяжеловодные,  завод изотопного разделения U в ОкРидже и создано ядерное оружие - малые быстрые реакторы (БР) на Pu и 5U с «временем жизни» нейтронов τ<<1 мкс.

В 1945 США испытали и сбросили на Японию атомные бомбы. С 4-х летним    сдвигом эти задачи были решены в 40-е и СССР, а в 50-е США и СССР создали водородное оружие и АПЛ с легководными реакторами на Uenr.         Ядерное оружие и ликвидация ядерной монополии изменили картину 20 века, исключив из нее большие войны, потрясшие мир в его 1-й половине.

В его создании в беспримерные сроки решающую роль сыграли физики – теоретики, применившие  строгую логику теор. физики к практическим задачам.

Обнаружив со времен Ньютона и воплотив в теор.физике математически строгую логику физических основ мироздания, физика 19-20 веков проникла в его глубины, найдя там и основы новой энергетики

- электричество – централизованное производство, дальняя передача, новые технологии конечного использования энергии,  ее дешевый неисчерпаемый ядерный источник – ядерная энергетика (ЯЭ).

Их жизни хватило и на постановку задачи ЯЭ, ее решение осталось ученикам.

Столь же острой нужды в новом источнике энергии не было, тем более «отягощенном огромной радиоактивностью и производящем ядерную взрывчатку, которая может попасть и не в те руки» (Ферми), созданным же для военных целей тепловым реакторам не хватает нейтронов для решения в масштабах энергетики проблем топлива и безопасности.

ТР используют менее 1% U5U и немного Pu из 8U, поэтому лишь из наиболее богатых руд (по современным оценкам ~17 млн.тонн) с содержанием металла ~10-3 и выше и запасами много меньше угля, нефти, газа. Изменения реактивности при выгорании топлива, много большие доли запаздывающих нейтронов, с риском разгона (Чернобыль), накопление РАО, разделение U (изотопное) и U и Pu при переработке топлива с риском распространения оружия – проблемы безопасности ТР-ов.

Создание ТР для решения отдельных энергетических задач представлялось подобным стрельбе из пушек по воробьям, и вскоре после пуска первого ТР Ферми для энергетики предложил быстрый реактор (Discussion on Breeding, 1944) c большим избытком нейтронов сверх идущих на поддержание цепной реакции (ИН) - главный физический ресурс для решения проблем топлива и безопасности при адекватном выборе технических средств.

    
где νfis, νfer – числа нейтронов на деление делящегося и сырьевого ядра, ά-потери на радиационное поглощение делящимся ядром, f – вклад порогового деления сырьевого ядра.

Коэффициент воспроизводства делящихся ядер (Pu, 3U) из сырьевых (8U, 2Th)
 КВ=ИН-А, где А – потери на поглощение в конструкциях и продуктах деления (ПД), утечку.

При ИН в БР-рах до 2,3 против ~1 в ТР(1,2 в цикле Th-3U) легко достигается полное (КВ≈1) и даже избыточное (КВ>1) воспроизводство делящихся Pu или 3U с полным использованием U (Th), так что годятся и бедные руды (даже если добыча в сотни раз дороже). В равновесном режиме (КВ≈1) реактивность меняется мало, делятся и, кроме 8, 5U, приходят в равновесие (а не копятся) все актиноиды,  исключается разделение U и Pu,  со временем и изотопное разделение U.

Овладение в  энергетике дешевым неисчерпаемым топливом  U, Th в 3 млн. раз большей, чем уголь, калорийности откроет новую эру истории. При среднем содержании в Земной коре 4 10-6 U и 10-5 Th их запасы на глубине до 2 км ~1014 тонн неисчерпаемы  (их тысячной доли хватит человеку на миллионы лет). 

Уже в 1951 в США на опытном БР EBR-I было получено электричество, но в 60-е он потерпел аварию, как и АЭС E.Fermi, а в 80-е США свернули строительство БР и замкнутого ТЦ по мотивам нераспространения.

В 1949 к идее БР-ров пришел Лейпунский, возглавивший работу по ним в России, и в 70-е были построены БН-350 (проработал 25 лет) и БН-600 (работает). Но они оказались много дороже АЭС с ТР-ами и не получили продолжения, как и пущенные за ними БР во Франции и Англии.

Осуществить замысел ЯЭ на БР-ах в 20 веке не удалось, а ЯЭ стартовала в 50-е на «военных» ТР-ах, но уже в 70-е в США, а в 80-е после Чернобыля в России и Европе пришла в состояние застоя.

Второй за 30 лет нефтяной кризис возродил интерес стран к  АЭС с ТР-ами. ЯЭ из научной задачи стала техникой и промышленностью, и сменившие основоположников инженеры, выросшие на реакторах 40-х-50-х,  решают прагматические задачи их  совершенствования для продвижения на рынок.

Аналогия с ренессансом европейской культуры после ее античного расцвета и средневекового упадка неверна:  расцвета ЯЭ  не было. «Ренессанс ЯЭ» - пропагандистский прием вроде рекламы  залежалого товара.

Но «нет ничего практичнее теории» (Ф.Бэкон, 17 век), и чтобы решить встающие перед миром в 21 веке и далее проблемы топлива и энергии, нужно вернуться к исходному замыслу ЯЭ на БР-ах, теоретически осмыслив причины неудачи первого опыта и исправив ошибки.

Однако в выросшей из теор. физики ЯЭ за десятилетия «выживания» возобладал «прагматизм». В 70-е-80-е г.г. призывы немногих оставшихся в США (Вейнберг) и России теоретиков к созданию новых АЭС на принципах inherent (по-русски лучше естественной) безопасности столкнулись с инерцией стереотипов и «прагматических» взглядов и интересов.

МАГАТЭ даже выпустило TECDOC, рекомендующий применять слова inherent safety к элементам, но не АЭС в целом, и она была сведена «прагматиками» к пассивным средствам защиты традиционных реакторов, а новая концепция БР естественной безопасности БРЕСТ встречена дома в штыки.

ЯЭ на БР-ах приняли не все физики. Не учтя гасящего Доплер-эффекта на 8U, Теллер считал БР с τ<<1 мкс подобным бомбе, оставив ему роль «Pu фабрики» для ТР-ов. В 60-е эту же роль отвели дорогим БР-ам и физики Курчатовского института, создавшие вместе с НИКИЭТ ТР для оружейного Pu и АПЛ.

II. Осмысление причин неудачи   
                        
Пустив первый ТР, Ферми предложил для энергетики не его (позже это сделали «прагматики»), а БР с высоким ИН и КВ≥1, открывающий путь новой энергетике на дешевом неисчерпаемом топливе и недорогих АЭС.

Первые крупные АЭС были лишь немного дороже обычных ЭС, но в 70-е подорожали вчетверо  (требования безопасности  NRC) c отказом фирм США от их нового стр-ва, а  потом были TMI и Чернобыль.

Не видя путей обеспечения безопасности, он попросил ANL (Argonne National Laboratory) разработать концепцию БР-ов в варианте запуска первых БР-ов на Pu из ТР-ов на Unat и их «размножения» далее за счет избыточного Pu (КВ>1). Ферми говорил и об Uenr, но думал в ЯЭ обойтись без энергоемкого разделения U, а з-д в ОкРидже еще не работал.

В результате ЯЭ стартовала в 50-е и до сих пор строится на ТР-рах. Несколько опытных АЭС с БР-рами не получили продолжения,  их замкнутый ТЦ  не освоен, АЭС дороги и ЯЭ так и не стала обычным бизнесом на рынке энергии и инвестиций. Ни по топливу, ни по безопасности, включая отходы и распространение, ЯЭ  не готова взять на себя существенную часть мирового производства энергии. Замещение ~7% топлива (16% эл-ва) мало влияет на его растущие расходы и выбросы СО2, а заметно больше не удастся и при вводе БР-ов на Pu.

Лишь в 80-е было понято (КИ, НИКИЭТ), что причины неудачи первого опыта кроются в самой концепции «БР размножитель», пускаемый на Pu из ТР-ов. Расходы U и работы разделения на запуск БР на Uenr  много меньше, чем на Pu из ТР, и можно отказаться от высоких темпов бридинга Pu (КВ>>1, энергонапряженность), направив «лишние» нейтроны и выбор технических средств на реализацию природных качеств безопасности БР с удешевлением АЭС.

От ошибок не застрахован и гений, и их исправление - в отказе от БР-размножителя в пользу БР-естественной безопасности с плотным топливом равновесного состава (КВ≈1) умеренной напряженности, отводом тепла негорючим высококипящим Pb (Bi редок и дорог – в земной коре Bi в ~200 раз меньше Pb - и является источником высоко ά-активного летучего Po).                                                                                         
                                                                                                                                             
III. Историческая миссия 21 века и быстрые реакторы

Тысячи лет человек строит свой  рукотворный мир, используя малую часть от 108 ГВт рассеянных потоков солнечной энергии, сконцентрированную в руслах рек и ветре и аккумулированную в растениях и залежах топлив. Совершенствуя технику и снижая затраты, он увеличил свою «мощь» от собственных ~100 Вт до ~1 КВт, а в 20 веке в передовых странах до ~10 КВт, достаточных для полноценной жизни и дальнейшего развития за счет научного прогресса вместо наращивания производства пищи и энергии.

Стремление все новых стран – большинства населения Земли – к этому уровню становится в 21 веке ведущей линией мирового развития и приведет к росту мировой энергетики от ~104 ГВт(т) сейчас до (возможно, уже в 22 веке) ~105 ГВт(т) (12 млрд.чел. · 10 КВт/чел), еще не нарушающих заметно баланса с 108 ГВт от Солнца. 21 век может стать началом новой истории человечества.

Если человек «захочет» много больше энергии, придется получать ее на фотоэлектрических преобразователях солнечного света, дорогих из-за низкой плотности и неравномерности его потоков.

Но удорожание топлива и энергии при приближении к топливным и экологическим «пределам роста» традиционной энергетики, (хотя и не вполне определенным), тормозит развитие бедных стран и грозит миру обострением конфликтов, особенно опасных с появлением ядерного оружия.

При создании недорогих АЭС с БР-ами естественной безопасности, пускаемых на накопленном ТР-ами Pu или Uenr, в рамках ресурсов недорогого U может быть развита ЯЭ вплоть до 105 ГВт(т), не имеющая далее ограничений по U и Th.  Крупная ЯЭ изменит структуру энергетики в пользу электричества,  дорогого из-за больших расходов дорогого «химического» топлива  и составляющего лишь ~1/6 потребляемой энергии (1/3 в расходах топлива).

Поэтому магистралью ЯЭ останется производство эл-ва на крупных АЭС с его дальней передачей и когенерацией тепла для опреснения воды и локальных бытовых, с.-х. и пром. нужд (в т.ч. высокотемпературного). Крупные АЭС выгодны, а замыкание при них ТЦ позволит многократно снизить перевозки радиоактивных и делящихся веществ и  расходы топлива на запуск БР-ов.

Нужды отдаленных районов, где живет небольшая часть населения и куда трудно передать энергию, потребуют небольших реакторов, в т.ч. тепловых, снабжаемых топливом Th-3U  из Th-бланкета, которым нужно будет снабдить БР. Они дадут энергию и крупному транспорту.

Таким, через 70 лет после открытия деления, выглядит решение поставленной Ферми задачи, открывающее миру перспективу перехода в 21 веке  к новой энергетике. Разумеется, это лишь схема, демонстрирующая предельные возможности ЯЭ. Где это выгодно, продолжится использование «химических» топлив, солнечной (гидро-, ветро- и фотопреобразователи, фотосинтез  моторных топлив) и геотермальной энергии (для бытового тепла выгоднее тепловые насосы). Вырастет эффективность использования топлива (КПД ~50%) и энергии.

В следующие лет 20 страны продолжат строить освоенные ТР. Чтобы не зайти в новые тупики, за это время нужно разработать и опробовать новые БР и замкнутый ТЦ, способные выполнить переход в 21 веке к большой ЯЭ.

При верной научной постановке задачи (80% дела, по словам Ферми) всегда находились (и не одно) и ее технические решения.

IY. Быстрый реактор естественной безопасности

Для достижения высоких темпов бридинга (КВ, энергонапряженность) ANL выбрала для БР-ов металлическое топливо и легкий Na для отвода тепла (в EBR-I NaK). Следуя за идущими впереди США,  ФЭИ принял Na (Лейпунский вначале рассматривал также PbBi и газ), но вместе с ВНИИНМ отдал предпочтение термостойкому керамическому топливу, а PbBi в 50-е применил в  АПЛ.

Начиная с БР-5 (PuO2, Na, 1959), БР используют оксидное топливо, уже освоенное в ТР-ах (Шиппингпорт, США, 1957). Было ясно, что для БР-ов много лучше плотные теплопроводные керамики, в т.ч. для достижения внутреннего КВА≈1 (равновесный режим работы топлива), и с 1965 г. БР-5(10) работал на монокарбиде, затем мононитриде U.

Но новых БР-ов не строилось, а начатое на Урале строительство завода смешанного U-Pu топлива, в т.ч. нитридного и металлического, было остановлено, и БН-350 и БН-600 продолжили работу на UenrO2.

Извлечение Pu  органическим экстрагентом из водных растворов U было освоено  для оружия, а затем применено и для переработки топлива АЭС. Но было ясно, что требующая длительной выдержки топлива водная химия многократно увеличивает длительность ЗТЦ и затраты Pu на запуск БР, резко снижает темп бридинга и создает проблемы дальних перевозок делящихся и радиоактивных материалов. Поэтому в 60-е США (Айдахо) и Россия (НИИАР) начали изучение «сухих» методов переработки топлива БР-ов при АЭС, так и не внедренных в практику из-за остановки программы БР-ов.

К 80-м г.г. в России были освоены  АПЛ с реакторами, охлаждаемыми PbBi, и концепция БР естественной безопасности могла основываться на изучаемой с 50-х – 60-х г.г., но не примененной в первых БР-ах технике:

- нитридное топливо с КВ≈1 без U-бланкета с малыми изменениями реактивности на выгорание (оптимум КВ≈1,05) и состава топлива, не требующего разделения U и Pu при переработке (лишь добавления 8U);

- его «сухая» переработка (электрохимия) при АЭС после небольшой выдержки со снижением в ~3 раза расходов Pu (или Uобог) на запуск БР и резким снижением перевозок свежего и отработанного топлива;

- при умеренной напряженности топлива – Pb  вместо горючего Na с малым запасом до Ткип , широкая решетка ТВЭЛ вместо тесной для замедляющего Na: снижение подогрева Pb и увеличение Твх выше 4000С с запасом до ТPbпл, отказ от плотного чехла ТВС (как и в PWR с широкой решеткой). Вместо аустенитных – освоенные в АПЛ ферритно-мартенситные стали, как и в PbBi, стойкие в Pb при поддержании активности кислорода и малораспухающие в потоке быстрых нейтронов.

Это позволило приступить к технической разработке БРЕСТ – опытного прототипа 300 МВт(эл) (с опробованием равновесного режима) и головного блока 1200 МВт(эл) – и НИОКР в его обоснование в расчете на демонстрацию нового БР и его ЗТЦ в обычные для этого сроки ~20 лет.

Детерминистическое исключение (заведомо пренебрежимо малая вероятность) наиболее опасных
- аварий разгона, потери охлаждения, пожаров и взрывов с катастрофическими выбросами радиоактивности,
-  нарушения природного уровня радиоактивности при захоронении РАО,
- технологий разделения U и Pu при переработке, в будущем и изотопного разделения U, сделает безопасность ЯЭ убедительной и упростит «защиту в глубину» (от остаточных рисков).

Крупные АЭС станут (как это вначале и получалось) лишь несколько дороже обычных ЭС, а энергия при дешевом топливе существенно дешевле.

Достижение на этом пути нового уровня безопасности и экономики теоретически ясно, видны (но требуют разработки) и пути перехода от закритического паротурбинного на газотурбинный цикл среднего давления, от перегрузки топлива кампаниями к «непрерывной», получения в БР высокотемпературного тепла и др.

Переход от химической к физической (по массам, плазменной) очистке топлива от ПД исключит возможность  выделения Pu, и такая технология сможет распространяться в странах, развивающих ЯЭ для энергетической независимости. Это позволит осуществить давно заявленную цель – «всеобщее и полное запрещение и ликвидация ядерного оружия», т.к. мировое сообщество тогда будет вправе и в силах проконтролировать и пресечь тайное выделение Pu из ОЯТ «на стороне». Видя перспективу независимого развития ЯЭ на БР-ах, страны пойдут временно на услуги ядерных стран или международных центров по обогащению U, переработке топлива ТР-ов и фабрикации первых загрузок БР. Технические и политические паллиативы сдерживают, но не предотвратили распространения  оружия. Новые БР открывают путь радикальному правовому решению  проблемы.
       
Теоретические оценки и проекты нуждаются в подтверждении - демонстрации опытного прототипа и головной АЭС.

Этот опыт даст новый старт развитию большой ЯЭ на БР-ах.

V. Ядерная стратегия России
 
В 40-е Россия вслед за США выступила пионером овладения ядерной энергией в военных, затем и мирных целях, в 70-е достигла военного паритета и вышла вперед в БР-ах., в 80-е выступила с их новой концепцией БРЕСТ на основе изучаемой в стране с 50-х-60-х техники.

Попытка с ходу осуществить проект БРЕСТ столкнулась с возобладавшей в отрасли, создавшей ранее новейшую технику, инерцией стереотипов и текущих «цеховых» интересов.

Между тем, живущей экспортом сырья России с душевым потреблением энергии на уровне передовых стран, но низким уровнем жизни и конкурентоспособности продукции (отсталые техника и производительность труда) жизненно необходим переход в 21 веке  на инновационный путь развития. (В энергетике это, прежде всего, модернизация техники и развитие ЯЭ на новых БР-ах в интересах экономики, престижа страны и ее будущего).

Судя по выступлениям, это понимают руководители страны, но их призывы вязнут в самом ядерном сообществе, предпочитающем совершенствовать и продвигать на рынок (за счет бюджета) дорогие АЭС на реакторах 40-х-50-х г.г. в расчете на рост  тарифов на энергию и вложений в сырьевую базу ЯЭ.

Подобное мы видим и в других странах, но при особенных условиях и  лидирующих позициях в БР-ах России нужна собственная энергетическая стратегия, отличная от США, Европы, Японии, как и от Китая или Индии. Но работа по Стратегии развития ЯЭ на основе новых БР-ов, одобренной в 2000 г. Правительством РФ, была свернута  «силами инерции», а намеченная ФЦП «Ядерная энерготехнология нового поколения» (в основном БР) пока не принята.

У России нет ни необходимости, ни возможности догонять, скажем, маленькую Норвегию по душевому потреблению энергии (оно у нас на уровне Франции, Германии, Японии, лишь в ~1,5 раза ниже США и выше Англии и Италии), как и осуществлять огромное строительство дорогих АЭС на ТР-ах вслед за Китаем, делающим энергичные первые шаги по развитию ЯЭ.

В статьях Б.И.Нигматулина приведены ясные доводы в пользу направления усилий и средств, прежде всего, на модернизацию техники и повышение эффективности использования топлива и энергии.

Россия продолжит совершенствовать, продлевать ресурс и где это выгодно, строить АЭС с ТР-ами, экспортируя их и топливо. Но главные цели ЯЭ остаются в будущем – в развитии большой ЯЭ на БР-ах, пока рассматривающемся по «остаточному принципу» по отношению к  «прагматической» задаче развития  ЯЭ на ТР-ах. Но ЯЭ остается, прежде всего, стратегической задачей, в рамках узкого прагматизма не решаемой и требующей  широкого исторического взгляда и строгой логики в ее постановке.

Это автор и попытался сделать, обращаясь не столько к коллегам по «ядерному цеху», сколько к широкому научному сообществу и руководителям ядерной отрасли и страны, за ними и к капитанам бизнеса, пока видящего в ЯЭ свое дело  лишь при получении достаточных преференций и гарантий от государств.

Россия еще сохраняет накопленный за более, чем полвека научно –технический потенциал по всем главным аспектам БР и ЗТЦ и более других стран готова к созданию БР для ЯЭ 21 века – приоритетной для страны задачи с приглашением к участию и других заинтересованных стран.

Это даст стране шанс сохранить лидерство в решении важной для всего мира задачи перехода в 21 веке к большой ЯЭ. Если же «прагматикам» удастся вновь свести дело к совершенствованию и тиражированию традиционных АЭС, вероятна утрата страной не только лидирующей, но и самостоятельной роли в ЯЭ.

назад

Материалы из архива

6.2007 Наноядерная электроэнергетика; проект PIFAHOR

Е.А.Филиппов, д.т.н.,профессор, В.Л.Ломидзе, к.ф.-м.н, вед.н.сотр.Атомная энергетика нуждается в коренной реконструкции. Существующая администрация Росатома, ведомственные НИИ и Проектные институты расписались в своей административной и научной немощи, пойдя на дополнительное штатное допущение расплава активной зоны АЭС (такого раннее и не предпологалось) и последующего сбора кориума в контейнмент под корпусом АЭС во время ядерной катастрофы… (Из письма в редакцию)

5.2007 Атомная тройня

Дмитрий Кудряшов "РБК daily"Росатом выведет клонов «Атомстройэкспорта»Хотя структура «Атомэнергопрома» (АЭП) еще не определена, у чиновников уже появилось понимание, что в новый холдинг должно входить сразу несколько компаний, способных заниматься возведением новых АЭС под ключ. Такие структуры могут возникнуть на базе проектных НИИ в Москве, Санкт-Петербурге и Нижнем Новгороде, после акционирования они могут быть усилены инжиниринговыми, монтажными и строительными активами.

9.2006 Стойкая к радиации

Ученые ЦНИИ КМ «Прометей» закончили экспериментальные исследования свойств новой радиационно-стойкой марки стали, так называемой малоактивируемой. По сравнению с используемыми сегодня материалами, эта сталь обладает быстрым спадом наведенной радиоактивности после воздействия нейтронного облучения. Это значит, после вывода из эксплуатации реактора она не будет оказывать столь вредного радиационного воздействия на окружающую среду.