Газета Завтра 45 (1197 2016)

Реакторы нового поколения

Реакторы нового поколения

Алексей Анпилогов

на вопросы «Завтра» отвечает публицист Валентин Гибалов, специалист по ядерной и термоядерной энергетике

"ЗАВТРА". Суть нашей сегодняшней беседы я бы хотел изложить одной фразой: "Что дальше мы будем делать с атомной энергетикой?" Казалось бы, это такой уже старый наш знакомый, который с нами чуть ли не с начала, с 1960-х годов, но мы всё равно рассматриваем ядерную энергетику как развивающийся процесс, видим и некий тупик в существующей концепции "мирного атома". В чём он заключается?

Валентин ГИБАЛОВ. Если посмотреть на сегодняшнее состояние ядерной энергетики, то видно, что за последние тридцать лет главенствует один и тот же тип реакторов — водо-водяной (ВВЭР), который потихоньку развивается, и со стороны внешнего наблюдателя кажется, что атомная энергетика застыла полностью. Реактор ВВЭР (или PWR в западной терминологии) — это реактор с водой под давлением, двухконтурный, где первый контур — вода, которая крутится в реакторе парогенераторов, а второй контур — вода, идущая на паровую турбину и выполняющая работу, превращая тепло в электроэнергию.

Чтобы понимать, почему сейчас эта технология главенствует, нужно немножко вернуться назад, где-то в 1960-е годы, когда атомная энергетика только начинала свой путь. Даже не путь, а взрыв — тогда строились десятки блоков одновременно, а множество технологий было сразу опробовано. Тогда виделось, что к сегодняшнему времени, к 2010 году, на планете будут получать около 4 тысяч гигаватт ядерной энергии — что составляет где-то 5 тысяч ядерных реакторов.

"ЗАВТРА". Для сравнения можно сказать, что сейчас у нас по всему миру работает 450 реакторов. Правильно?

Валентин ГИБАЛОВ. Да. То есть получается, что прогнозисты ошиблись на порядок, в 10 раз, в том числе очень именитые, тот же Гленн Сиборг, нобелевский лауреат. Почему же так разошлись действительность и ожидание? Как известно, в атомной энергетике в 70-80-е случилось две больших аварии — это Три-Майл-Айленд в Америке и Чернобыль в СССР. Эти аварии повлияли, скорее, на психологию. Психологию простых людей, потребителей электроэнергии, вырабатываемой атомной энергетикой. Для них атомная энергетика сразу стала монстром, опасным и неприятным.

"ЗАВТРА". То есть из фантастической энергетики будущего она внезапно превратилась в монстра, который пожирает детей, судьбы, города?

Валентин ГИБАЛОВ. Да, именно. Как отреагировала индустрия? Индустрия свернула перспективные разработки и сосредоточилась на безопасности. Возник такой лозунг: "Безопасности не бывает много". В имевшуюся тогда самую безопасную технологию — в ВВЭР и PWR — начали вводить новые элементы. Окружать их дополнительными системами безопасности, которые отводят тепло в случае аварии, сжигают водород, который может выделиться в результате аварии, не допускают утечек расплавленной активной зоны. Сейчас эти реакторы буквально "обросли" сумасшедшим количеством систем безопасности. Есть такая отрасль — вероятностный анализ безопасности, где рассчитывается вероятность тяжёлой аварии при начальных условиях в сочетании разных факторов и при развитии событий. Так вот, в этом анализе для реакторов 1960-х годов постройки характерные значения — это 10-4, то есть для одного реактора надо ждать 10 тысяч лет, пока он с высокой вероятностью какую-то аварию "словит", но для 10 тысяч реакторов — это уже каждый год какой-то из них будет взрываться. А сейчас эта цифра опустилась до 10-7, то есть реакторы уже стали в тысячу раз безопаснее, чем в 1960-х годах.

"ЗАВТРА". Хорошо, вот мы сейчас упомянули, что вероятность аварии упала в тысячу раз. Но тут же критики, которые психологически не готовы принимать атомную энергетику, скажут: "У вас был Чернобыль, был Три-Майл-Айленд, вы столько всего внесли в эти конструкции, и у вас опять взорвалась Фукусима!". А что мы можем ответить на такие вопросы?

Валентин ГИБАЛОВ. Фукусима — тоже реактор 1960-х годов. Сейчас уже строят реакторы IV-го поколения — там при аварии могут погибнуть все операторы, все люди на площадке, но такой реактор вне зависимости от воли и действия или бездействия людей сам перейдёт в безопасный режим — заглохнет и остынет, чего не случилось на Фукусиме, так как там реактор был родом из 1960-х.

Проблема в том, что цикл разработки в атомной энергетике очень длинный, поэтому такие безопасные реакторы только строят.

"ЗАВТРА". И сколько нам их ждать?

Валентин ГИБАЛОВ. Чтобы начать строить их массово, потребовалось 20 лет напряжённой работы, причём в ситуации прямого противодействия властей и общественности: публика не принимала их ни в каком виде. Критики говорили: "Не надо, не надо! Всё равно взорвёмся!". В итоге такого противостояния сложилась парадоксальная ситуация. В мире сегодня, если не брать в расчёт строящиеся реакторы, где-то 95%, а где-то и 99% — это именно старые реакторы 1960-70-х годов постройки. Они, конечно, хорошо модернизированы, особенно в Европе. Но есть и проблемы. Например, такая глубокая модернизация заставляет многие американские компании, а там все реакторы частные, просто закрывать старые АЭС, потому что они видят, что электричество дешёвое, а модернизировать — это постоянно вкладывать деньги.

"ЗАВТРА". Получается, иногда легче построить что-то новое, чем переделать старое?

Валентин ГИБАЛОВ. Да. И это сильно повлияло на концепции, на альтернативы. Проблема с альтернативными ветками прежде всего в том, что мы не знаем, будут ли вообще дальше строиться реакторы, удастся ли убедить публику. В этом и состоит сложность ситуации: как убедить людей построить что-то передовое, новое и безопасное, имея на руках массу проблем со старыми реакторами.

"ЗАВТРА". Насколько я слышал, сейчас есть попытка продлить век водо-водяных реакторов, но она связана с той же проблемой безопасности. В итоге реактор оказывается "перегружен" такими дополнительными системами контроля и защиты, а новые реакторы западного дизайна, EPR-1600 и АР-1000, строят уже больше 10 лет. Это какой-то технологический тупик водо-водяного реактора — или это просто американцы и европейцы так подошли к вопросу? Может ли и новый российский ВВЭР-1200 разделить судьбу западных новинок?

Валентин ГИБАЛОВ. ВВЭР-1200, слава богу, запущен, чего пока не произошло ни с АР-1000, ни с EPR-1600, но он ровно так же перетяжелён. Есть простое сравнение: количество элементов старого ВВЭР-1000 и нового ВВЭР-1200. В новом количество установок, насосов, арматуры, электроники, электрики — всё возросло примерно в полтора раза. И это, конечно, не бесплатно.

"ЗАВТРА". То есть мы из старого ослика сначала делаем какого-то скакуна, а потом говорим: "Мы из него и слоника сделаем"?

Валентин ГИБАЛОВ. Да, именно. Американцы пытались уйти от такого подхода, в АР-1000 они попытались сократить количество систем, хотя есть различные точки зрения, получилось это у них или нет, потому что реактор АР-1000 должен был быть построен за 5 лет, а реально их строят уже больше 8 лет, и ни один не запущен.

"ЗАВТРА". Хорошо. А каков выход, куда идти сейчас с конструкцией нового реактора?

Валентин ГИБАЛОВ. Хочется прежде всего сказать о БРЕСТ-300 — это российский реактор с революционной концепцией. В нём собраны все перспективные наработки. Это реактор, в котором не может развиться такая авария, как в Чернобыле, когда реактор разгоняется на мгновенных нейтронах и, по сути, вызывает тепловой взрыв. В БРЕСТе этот путь полностью закрыт, в нём реактивность не превышает критического предела, он не может разогнаться на мгновенных нейтронах.

"ЗАВТРА". Насколько я знаю, там совершенно другой теплоноситель — свинцовый?

Валентин ГИБАЛОВ. Да. Свинец — это, конечно, то, чего не было никогда в атомной отрасли. В советских атомных подлодках использовали свинец-висмут, но это совершенно другое. Свинец-висмут работает при 1000оС, а свинец в БРЕСТе — это рабочая температура в 3300оС. Но такой теплоноситель даёт возможность построить тот самый реактор с очень низким запасом реактивности.

"ЗАВТРА". Я читал, что даже ОЯТ (отработанное ядерное топливо) БРЕСТа перерабатывается на самой площадке станции…

Валентин ГИБАЛОВ. Да. Из него происходит извлечение всех полезных элементов, которые можно опять запускать в замкнутый ядерный цикл. Что важно: такие реакторы, бридеры (русск. "размножители") — залог развития новой энергетики. Они не просто сжигают топливо, но и нарабатывают новое, примерно 20% от сожжённого, в одном цикле, на что запускаются новые бридеры. Только так можно обеспечить топливом энергетику, которая может выдать достаточно мощности всей Земле — иначе просто не хватит природного урана. Теперь, хоть мы и не строим 5 тысяч гигаватт, всё равно речь идёт о десятках и сотнях гигаватт новой мощности. Есть такой скромный прогноз МАГАТЭ — 1000 гигаватт к концу XXI века.

"ЗАВТРА". Получается, что теперь мы хотим только удвоить число реакторов в мире: сейчас их 450, а будет 1000?

Валентин ГИБАЛОВ. Да. БРЕСТ подразумевает, что воспроизводится то топливо, которое в нём сгорело. Оно тут же на площадке ядерной электростанции перерабатывается. Из него извлекаются плутоний, уран и возвращаются обратно в реактор. Один раз мы заряжаем реактор плутонием и ураном-235 со склада, а дальше только добавляем уран-238 — отвальный, доступный и дешёвый изотоп.

"ЗАВТРА". То есть нам впоследствии даже не нужен природный уран-235?

Валентин ГИБАЛОВ. Не нужен. Реактор сам себя кормит. Это и есть второй момент, вслед за указанной невозможностью аварии по типу Чернобыля. Замкнутый цикл сокращает расходы на 7-10% и решает проблему урана-235: если природного урана будет меньше и если он будет дорогой. Но есть и третий важный фактор: на БРЕСТе невозможна авария с потерей охлаждения, как в Три-Майл-Айленде и на Фукусиме. Здесь как бы свинец ни кипел — он не выкипает, а лишь нагревается и отдаёт тепло специальным системам.

"ЗАВТРА". Хорошо, Валентин, вернёмся к вопросу инерции отрасли. Если БРЕСТ такой инновационный реактор, который учитывает многие наработки последнего времени, то почему Росатом достраивал натриевый бридер БН-800? Ведь это концепция из 1960-х годов!

Валентин ГИБАЛОВ. Это "соломка", та самая "соломка, которую стоит подстелить", потому что БРЕСТ, как бы он ни был революционен в своих идеях, пока что не проверен в металле, это красивая концепция. Если что-то пойдёт не так, то тогда уже есть БН-800, который точно работает. А за БН-800 уже виден БН-1200, который в полтора раза мощнее и имеет, по расчётам, экономику, равную ВВЭР-1200. Это уже не дороже в два раза, чем ВВЭР, а реактор, который можно строить серийно. Кроме того, БН закрывает проблему ОЯТ от ВВЭРов. Из отработанного топлива извлекается плутоний, уран, и они служат топливом для БН-1200. Это замкнутый ядерный топливный цикл, решение проблемы ОЯТ, которое постоянно накапливаются. Его надо долго, дорого и опасно хранить, сто тысяч лет минимум. А так мы отправляем ОЯТ в реактор и минимум в пять раз сокращаем объём отходов, в сотни раз сокращая время контролируемого хранения.

"ЗАВТРА". Если разобраться, даже если сейчас БН-800 или БН-1200 как серийный реактор выдаст размножение в 1,2 (20%) — это уже будет победа?

Валентин ГИБАЛОВ. Пока даже этого не надо. Он ведь питается тем топливом, которое вышло из реакторов ВВЭРов и РБМК, из имеющегося парка старых реакторов. Они нарабатывают ему новый плутоний, и его предостаточно на один-два бридера.

"ЗАВТРА". То есть мы опять упираемся в то, что сейчас той экспоненты атомной энергетики, что планировали в 1960-е, не будет, и нам надо только удвоить число реакторов к 2100-му году? В чём тогда проблема?

Валентин ГИБАЛОВ. Единственная проблема, которая всё это сопровождает, — проблема дорогих реакторов ВВЭР-PWR новых поколений, очень безопасных, но и очень дорогих и сложных. И эти реакторы вынуждены конкурировать с возобновляемой энергетикой, которая подъедает ядерную со всех сторон. Она всё время дешевеет и в какой-то момент сталкивается с атомной отраслью, что очень плохо: у атомной отрасли есть масса накопленного ОЯТ, сотни радиационно-опасных объектов по всему миру — и с этим надо что-то делать. Одно дело, когда у вас есть целая отрасль, которая генерирует сотни миллиардов долларов в год, просто вырабатывая доступное электричество, но если она сожмётся в десять раз, кто будет отвечать за хранилища ОЯТ везде по миру? Например, в Швеции эта проблема уже встала в полный рост: оказывается, что если сейчас Швеция закроет все ядерные блоки, а там они, как и в США, частные — то просто некому будет содержать хранение отработанного топлива.

"ЗАВТРА". То есть, фактически, закрытие АЭС становится болью всего общества и государства Швеция?

Валентин ГИБАЛОВ. Да. В итоге все проблемы приходят к государству. А государство говорит: "Да как же так? Это же дорого! Да и вообще, мы не специалисты во всём этом: изотопы, реакторы, хранилища…". Нельзя всё это поручить неким "эффективным менеджерам", просто потому, что это и сложно, и опасно.

"ЗАВТРА". Хорошо, но, объективно, не БРЕСТом же единым жива отрасль? Какие есть перспективные модели реакторов, которые могут заменить реакторы под давлением?

Валентин ГИБАЛОВ. В рамках программы IV поколения есть целых шесть направлений — разные технологии реакторов, которые по-разному решают дилемму безопасности и стоимости. Одно из этих направлений — высокотемпературные газоохлаждаемые реакторы. Такая идея в своё время показалась очень привлекательной, когда широко обсуждалось, что водород станет следующим энергетическим укладом, в котором у нас будут водородные машины и самолёты, водородные турбины для получения энергии. Водород в такой энергетике будет аккумулятором энергии, а вырабатываться он будет на атомных электростанциях с помощью термохимических циклов.

Но тут есть свои сложности. Дело в том, что газоохлаждаемые реакторы только в первом приближении выглядят намного более дешёвыми. Сейчас фабрикация топлива для современных ВВЭР — это целая сложная и высокоточная машиностроительная отрасль, производящая ТВЭЛы и собирающая из них топливные сборки — ТВС.

А для газоохлаждаемых реакторов придумали совершенно иное топливо, так как в потоке газа работать проще. Это просто графитовые шарики, в которых практически графитовая пыль смешана с ураном. Их насыпают в большую "банку", которая представляет собой активную зону реактора, и они там нагреваются, а через них продувают гелий. Такое топливо уже способно работать при температуре в 8500оС, заработает и при 10000оС. А это и есть условия термохимического цикла, либо же хорошего цикла на газовой турбине. То есть мы получаем одноконтурный реактор, выбрасывая по дороге все эти парогенераторы и кучу арматуры.

"ЗАВТРА". Ставим большую турбину и внутри этого цикла гоняем гелий? А если, допустим, у нас дырочка появилась в реакторе или турбине?

Валентин ГИБАЛОВ. Есть такая проблема, которая, собственно, и поставила крест на этой красивой идее в своё время. Появляется дырочка, у нас весь теплоноситель, который ещё и под большим давлением, уходит наружу, и мы остаёмся без охлаждения. Даже если реактор заглушен, у него остаётся остаточное тепловыделение, которое, как мы знаем, прекрасно губит любой реактор. Вот вам и новая Фукусима…

А газовый реактор ведь не маленький, оболочка получается диаметром метров в 30, и всё это рассчитывается на давление в 100 атмосфер, иначе газом просто не отвести всё тепло, что выделяет реактор. Можно, конечно, такой реактор под воду спрятать, на морское дно, например, — будет внешнее давление, но это экзотика. Есть и другой вариант — конвективное охлаждение, но под него надо раздуть размеры реактора, к которому подводят охлаждающие каналы и так его охлаждают. Китайцы — основные запевалы в направлении газоохлаждаемых реакторов, они строят сейчас два таких энергоблока.

"ЗАВТРА". Здесь надо сказать, что китайцы не сами делают — они взяли немецкий опыт. Немцев в своё время очень сильно психологически задавила наша авария в Чернобыле, и они тогда свои реакторы закрыли. Хотя их газоохлаждаемые реакторы были уже почти готовы.

Валентин ГИБАЛОВ. Там тоже была авария, как раз на немецком газоохлаждаемом реакторе, в конце 1980-х. И под это дело, да ещё на фоне Чернобыля, реактор в ФРГ просто ликвидировали. Китайцы купили какой-то объём немецких технологий, а что-то просто скопировали. Но интересно, что их реактор мощностью в 1/12 от водо-водяного ВВЭР-1200 размером получился в три раза больше, чем российский. То есть для газа надо иметь гигантский корпус реактора. И эту проблему пока только думают, как решить.

"ЗАВТРА". Хорошо, это первая из шести концепций. А какие есть ещё?

Валентин ГИБАЛОВ. Вторую и третью мы уже сегодня затронули. Это свинцовый (БРЕСТ) и быстрый натриевый (БН) реакторы.

"ЗАВТРА". А оставшиеся три варианта какие?

Валентин ГИБАЛОВ. Оставшиеся три варианта — это прежде всего реакторы на суперкритичной воде, есть такое "странное" состояние, в котором нет границы между паром и жидкостью, его называют "среда", и на такой технологии уже работают угольные ТЭС. Смысл в том, что это вещество не кипит. То есть его нагреваешь, у него изменяется давление, но оно не претерпевает фазовых переходов. Оно остаётся примерно таким же, однородным. С ним проще, с одной стороны, работать. С другой стороны — не проще, потому что в реакторах в условиях нейтронного облучения ничего не изучено. При таких высоких температурах ещё не испытывали все конструкционные материалы. То есть никто не знает, как будет протекать коррозия всех этих элементов, как их будут разрушать нейтроны. Температура выше, давление сильно выше, но это очень перспективная идея. Она позволяет на обычных водо-водяных реакторах сделать практически замкнутый ядерный топливный цикл, имея коэффициент воспроизведения в районе 1,1. Сейчас на обычных ВВЭРах он 0,4-0,5. То есть загрузили 100 кг, а вынули 40 кг остатков. А на сверхкритике можно вынуть 110 кг, загрузив всего 100, как на бридере.

Кроме того направление высокотемпературных газовых реакторов делят обычно надвое: есть просто газоохлаждаемые, о которых мы уже сказали, а есть именно под термохимический цикл, даже под плавление стали, и оно выделено в отдельное направление, так как требует запредельных температур.

"ЗАВТРА". Есть отдельно газоохлаждаемое, а есть газоохлаждаемое со всякими термохимическими циклами?

Валентин ГИБАЛОВ. Да, это пятое направление. Ну и, наконец, шестое перспективное направление — это вообще полная экзотика. Реакторы на расплавах солей. В них мы берём уран или торий, но не в форме металла, а в форме соли, например, фторида. Получаем смесь солей, которые можно расплавить, и температура плавления их будет около 4000оС, и мы получаем реактор, в котором нет ничего!

"ЗАВТРА". То есть вот у него топливо и это же — теплоноситель? Ну, и охладитель, так как всё это работает в одном контуре?

Валентин ГИБАЛОВ. Да. Если активная зона современных реакторов — это очень сложное машиностроительное изделие, с точной механикой и массой деталей, то в реакторе на расплаве солей внутри пусто. Там налита просто эта самая соль, смесь солей, которая и идёт на теплообменники. Почему же эти реакторы не завоевали мир, если они такие простые и красивые? Основная проблема в том, что при делении урана он образует половину таблицы Менделеева, и у нас получается расплав не двух веществ, а нескольких десятков. И подобрать материалы, которые в условиях температуры 600оС, радиации и нейтронов стояли бы 30 лет в потоке из такой адской химической смеси, очень трудно. Поэтому шестой тип реактора и самый простой, но и самый трудный в создании.

"ЗАВТРА". Так что, есть у нас надежда на новые, безопасные и эффективные, реакторы?

Валентин ГИБАЛОВ. Конечно, атомная индустрия останется и будет развиваться. Новое поколение реакторов будет трудно строить в одиночку, ни Россия, ни США, ни Китай не вытянут эту задачу. То есть опять встаёт вопрос, что атомная энергетика — дело международное, дело сложное, но при этом неизбежное и очень нужное.

Беседовал Алексей АНПИЛОГОВ