Для сторонников высокотемпературных реакторов осень 2009 года принесла две новости с противоположным знаком. Южноафриканский проект PBMR находится на грани банкротства и занят поиском инвесторов, всё ещё не разочаровавшихся в этом направлении реакторной технологии. А строительство его китайского собрата HTR-PM может быть начато до конца года.

Электронное издание AtomInfo.Ru публикует дискуссионное письмо одного из наших читателей. Имя автора известно редакции, однако по его просьбе мы его не раскрываем и размещаем, после литературной обработки, под псевдонимом "Научный сотрудник".

Первые попытки

История высокотемпературных реакторов берёт своё начало в далёком 1944 году, в Америке. Интересно, что первые ВТГР были стационарными. Они набирались из графитовых колонн, в которые внедрялись микрочастицы. Движения твэлов в них не предусматривалось. По активной зоне переносился только гелий.

За проектом призматических ВТГР стояла "General Atomic" - совместное предприятие, созданное "Gulf Oil" и "Royal Dutch Shell". Его первым прототипом служил реактор "Пич-Боттом" мощностью 40 МВт(эл.), построенный в 1967 году. С 1979 по 1988 год работала и следующая установка - АЭС "Форт Сен-Врен" с реактором мощностью 330 МВт(эл.). Конечной целью американцев было создание высокотемпературной АЭС на 1200 МВт(эл.).

Реактор ВТГР нужен для того, чтобы давать на выходе высокие температуры, недостижимые в легководных реакторах. Но главное преимущество ВТГР стало и его главным недостатком. Какой материал в состоянии работать нормально при температурах 1000°C? Образно говоря, инженерам "General Atomic" предстояло решить задачу о том, в чём хранить жидкость, которая растворяет всё. И они с этой задачей не справились до конца.

История ВТГР быстро разделилась на два направления. Приверженцы первого старались сохранить одноконтурную схему, как можно больше сократив расстояние между активной зоной и турбиной. Самые отчаянные предлагали даже встроить турбину прямо в зону.

Апологеты второго вводили в проекты второй паровой контур, как это было сделано на призматических реакторах, но появление второго контура сразу заставило забыть о 1000°C на турбине. Преимуществом двухконтурной схемы называлась большая, по сравнению с одноконтурной, управляемость реактора.

АЭС "Форт Сен-Врен" (Fort St. Vrain) располагалась на площадке в Колорадо, в 56 км к северу от Денвера. Паровой контур реактора в Форт Сен-Врен обеспечивал пар с давлением 16,5 МПа и температурой 538°C. Входная и выходная температуры в первом (гелиевом) контуре составляла 404°C и 777°C, соответственно.

Судьба призматических двухконтурных ВТГР вышла печальной. На американских установках одна за другой пошли аварии. Пар из второго контура попадал в первый через неплотности в парогенераторах. Графит впитывал пар, а в составе пара, естественно, и водород - сильный поглотитель. Реакторы теряли критичность и глохли. Высушивать графит удавалось, хотя и с большим трудом, а вот репутация таких установок так и осталась подмоченной.

Разбирая ход аварий с забросом пара, создатели первых ВТГР пришли к парадоксальному выводу - для безопасности установки следует использовать не урановое, а ториевое топливо. Торий как поглотитель лучше урана, так как у тория сильный резонансный интеграл. При забросе пара смещается спектр нейтронов - сдвигается в область большого резонансного поглощения, что позволяет автоматически глушить реактор.

Но введение тория только усложнило задачу. Представьте себе, что к неотработанной до конца технологии высокотемпературных реакторов добавилась неосвоенная технология ториевого топлива. Попытка совладать сразу с двумя бумажными технологиями (ВТГР и торий) погубила германский проект THTR-300.

Проект ториевого высокотемпературного реактора THTR-300 был разработан в ФРГ при поддержке центрального германского правительства и земли Северный Рейн - Вестфалия. Строительство демонстрационного блока началось в 1971 году. Работы затянулись по причине неоднократно пересматривавшихся в сторону ужесточения требований по лицензированию.

Синхронизация THTR-300 с энергосистемой произошла только в ноябре 1985 года. Уже через четыре года было принято решение о его окончательном останове.

Топливные элементы THTR-300 представляли собой шары диаметром 6 см, внутри каждого из которых находилось 35 тысяч микротвэлов с диаметром 0,5-0,7 мм. В каждом из микротвэлов содержалось по 1 г ²³⁵U и 10 г ²³²Th. Замедлителем выступал графит, как входящий в состав твэлов, так и дополнительно введённый в зону в виде шаров, сделанных из чистого графита.

Причины отказа Германии от THTR-300 носят комплексный характер. О сложности перехода на торий сказано выше. Торий закрыл также для THTR зарубежный рынок, так как ториевые реакторы требовали уран почти 100%-ного обогащения, что немедленно вошло в противоречие с нераспространением.

Свой вклад внёс Чернобыль, негативно отразившийся на настроениях германской общественности. Последней каплей стало поведение владельцев THTR, которых пришлось привлекать к судебной ответственности за нечестную конкуренцию.

Они попытались списать на Чернобыль собственные выбросы, рассудив, что на фоне постчернобыльской истерии в Европе их грехи никто не заметит. Но мониторинг состава выбросов в Германии показал, что, по крайней мере, часть из них происходит из THTR, а не из советского аварийного реактора, и дело закончилось весьма конфузным и неприятным для германской атомной отрасли судом.

Южноафриканское возрождение

После США и Германии, эстафетную палочку приняла Южная Африка. Страна нуждалась в новом атомном символе, который позволил бы ЮАР сохранить после демонтажа военной программы статус передовой ядерной державы, ведущей самостоятельные реакторные разработки. Второе, что требовалось - занять чем-то полезным специалистов, оставшихся не у дел после разоружения.

В 1998 году стартовал проект, получивший название PBMR - Pebble-Bed Modular Reactor. Спустя месяцы южноафриканцы выкупили у германских коллег лицензии на основные технологии, применявшиеся в германских ВТГР, в том числе, лицензию на шаровые твэлы. С 2000 года существует компания PBMR, бывшая на первых порах 100%-ной дочкой южноафриканского энергетического гиганта "Eskom".

На первый взгляд, проект PBMR развивался нормально, но в нём были вещи, заставлявшие насторожиться. Проектанты из ЮАР не внесли в полученные от Германии технологии ничего принципиально нового, что позволило бы сказать - в Германии такие реакторы не пошли по таким-то и таким-то причинам, и в ЮАР было сделано то-то и то-то, чтобы извлечь уроки из германских ошибок.

Искушённый читатель в этом месте должен воскликнуть, что автор вводит всех в заблуждение. Ведь, в отличие от германских проектов, реактор PBMR имеет одноконтурную схему, и гелий из активной зоны идёт напрямую на турбину.

Температура гелия на входе в активную зону PBMR составляет 500°C, а его входное давление - 90 бар. Газ проходит зону в направлении сверху вниз и покидает её, нагретый до 900°C. Далее гелий следует на турбину, выходит из неё при температуре 500°C и давлении 26 бар, охлаждается, сжимается, вновь нагревается и подаётся на вход активной зоны.

Более подробно о проекте PBMR можно прочитать в публикации AtomInfo.Ru PBMR - Африка делает сама.

Но вспомните начало статьи и абзац о двух направлениях в развитии ВТГР. Одноконтурная схема, такая же, как принятая в африканском реакторе, обсуждалась на самых ранних стадиях зарождения высокотемпературных технологий.

От одноконтурного решения отказывались по следующей причине. В прямом газотурбинном цикле по кругу ходят сотни тысяч твэлов. При испытаниях на чистом гелии турбина работала нормально, но летающие вместе с газом топливные шары становятся источником пыли - от столкновений, механических разрушений и так далее.

Теперь представим себе, что такое пыль в потоке газа, двигающемся со скоростью 100 м/с? Это абразивный поток. Сколько времени турбина сможет простоять в абразивном потоке? Конкретного ответа на этот вопрос разработчики PBMR не дают.

Конечно, есть технические решения, направленные на борьбу с механическими примесями в гелии. Можно, например, предусматривать вымораживающие системы, удаляющие из гелия посторонние частицы. Это даст свой эффект, но полной очистки контура добиться не получится, а значит, требуются длительные эксперименты и опытная эксплуатация пилотных установок, чтобы установить, как скоро турбины в одноконтурной схеме будут выходить из строя.

Второй вопрос - непонятно, как южноафриканцы собираются обеспечивать надёжное управление реактором в прямом газотурбинном цикле. Копий по этому поводу было сломано немало.

Есть и чисто спекулятивное обстоятельство, заставляющее морщиться многих. Создатели PBMR называют его "маленьким реактором". Он, действительно, маленький по мощности. Но если взять его размеры, то маленькой установкой назвать его никак нельзя. Энергонапряжённость PBMR - это величина порядка 10 кВт с литра. При таких низких параметрах, геометрически PBMR окажется сравнимым с тысячниками-легководниками.

А ведь размеры прямо влияют на капвложения! О дороговизне своей установки наши коллеги из ЮАР по-детски умалчивают, настаивая на своём определении PBMR как маленького реактора. Да, он мал по мощности, но по капвложениям, по ценам на корпус и другое основное оборудование и трубопроводы он велик.

Экономика сегодня стала решающим фактором, который определяет судьбы инновационных проектов. Выше перечислялись причины, заставившие немцев закрыть THTR, но была забыта ещё одна - киловатт-час на THTR стоил в 2,5 раза дороже, чем у обычных реакторов.

И в проекте PBMR не сделано практически ничего, чтобы сократить этот разрыв. Простое удаление второго контура снижает стоимость киловатт-часа на 10-15%, но никак не в 2,5 раза, да и этот выигрыш может обернуться проигрышем из-за частой замены выходящих из строя в абразивном потоке турбин.

В компании "Eskom", по всей видимости, проанализировали все эти обстоятельства и пришли к однозначным выводам. Энергетики начали постепенно отказываться от своей дочки, продавая её акции зарубежным инвесторам. Если судить по последним новостям на AtomInfo.Ru, то проект PBMR находится сейчас на стадии банкротства и может быть закрыт в следующем году.

Надежда на внешних инвесторов слаба. Долгое время проектом PBMR интересовались американцы. Почему? Они полагали, что сумеют пройти процедуру лицензирования в комиссии по ядерному регулированию США проще и быстрее, чем с новыми модификациями легководников, так как PBMR - это новый проект с чистой кредитной историей.

Однако и здесь приверженцев ВТГР подстерегала неудача. Американские регуляторы по факту отказались рассматривать заявки на новые технологические решения, выходящие за рамки proven technology. Ожидать вердикта от атомнадзора США по проекту PBMR придётся долгие годы, если не десятилетия. Но зачем тогда вкладывать деньги в не лицензированный и поэтому не реализуемый проект?

Азиатское продолжение

Следующими за высокотемпературные технологии взялись в Азии. В Японии после долгих колебаний был построен исследовательский реактор HTTR мощностью 30 МВт(эл.) призматического типа. Его пустили в 1998 году. Понять, насколько задержались японские ВТГР, можно, обратившись к архивам МАГАТЭ - в 1975 году, то есть 34 года назад, Япония говорила о строительстве призматического ВТГР мощностью до 1160 МВт(эл.).

Вслед за Японией, к высоким температурам двинулся Китай. В отличие от Японии, Китай идёт по пути Южной Африки. То есть, китайские HTR, будь то исследовательский HTR-10 или демонстрационный HTR-PM, основаны на купленных у Германии лицензиях.

Это стоило бы подчеркнуть отдельно. Китайская инновационная разработка в области ВТГР представляет собой не более, чем слегка подправленный клон германских технологий 1968 года. Причём Германия сумела на практике получить на выходе из активной зоны 950°C, а Китаю, прежде чем двигаться дальше, ещё только предстоит повторить старые германские достижения.

Вывод о 950°C для германского высокотемпературного реактора AVR сейчас оспаривается, опираясь на рассекреченные документы германской атомной отрасли. Реактор AVR, на который в неявном виде ссылается автор статьи, действительно имел разрешение надзорных органов на работу с температурой выхода из зоны 950°C, но это разрешение было быстро отозвано.

Причина отзыва банальна. При таком подогреве гелия в активной зоне, температура топлива доходила до 1400°C, что на 200°C превышало проектные пределы. - AtomInfo.Ru.

Желание всё новых и новых стран, будь то ЮАР, Япония или Китай, попробовать свои силы в высокотемпературной атомной энергетике можно только приветствовать, ведь цели их благородны. Мирный атом работает в наши дни только на производство электричества, и даже в этом секторе занимает весьма скромные позиции.

Наше знамя - Франция, но, помимо Франции, трудно назвать страну, где атом превалировал бы при генерации электричества. А электроэнергетика - это треть, если не четверть от общего энергетического баланса. Атомным технологиям нужно приходить в промышленность, в транспорт, чтобы внести должный вклад в благое дело борьбы за экологически чистую энергетику.

Реакторы ВТГР могли бы помочь в достижении этих целей, но, к сожалению, всерьёз рассчитывать на них в ближайшие десятилетия нельзя. Подобно термояду, технология ВТГР была, есть и будет будущим энергетики.

Задайте прямой вопрос любому из сторонников высокотемпературных реакторов - с какими проблемами мы столкнёмся, если завтра у нас появятся ВТГР? Если ваш собеседник будет честен с вами, то он ответит - слава Богу, ни с какими, потому что завтра они не появятся.

ИСТОЧНИК: Научный сотрудник, для AtomInfo.Ru

ДАТА: 28.10.2009

Темы: ВТГР, PBMR, Мнения