На вопросы электронного периодического издания AtomInfo.Ru отвечает советник генерального директора ГНЦ РФ-ФЭИ, главный научный сотрудник ГНЦ РФ-ФЭИ, научный руководитель работ по реактору СВБР-100 д.т.н., профессор Георгий Ильич ТОШИНСКИЙ.

Два свинцово-висмутовых реактора - российский и американский

Георгий Ильич, есть два события, о которых мы хотели бы поговорить. Первое произошло совсем недавно - это принятие инновационной ФЦП, в которой фигурирует проект СВБР-100. Второе случилось в прошлом ноябре, когда на зимней конференции ANS был представлен свинцово-висмутовый проект реактора "Hyperion". Не станут ли эти реакторы конкурентами друг другу?

С одной стороны, если рассматривать применение технологии свинцово-висмутового теплоносителя, то это конкуренты. В мире таких реакторов пока нет. В соответствии с федеральной целевой программой, свинцово-висмутовый реактор будет построен в России. Недавно мы узнали, что установку с таким же теплоносителем собираются построить - причём в более короткие сроки - Соединённые Штаты, для чего создана компания "Hyperion Power Generation" (HPG).

С другой стороны, наш и американский реактор не конкурируют друг с другом, поскольку находятся в разных мощностных нишах. СВБР-100 - это модульный реактор мощностью 100 МВт(эл.) с возможностью набора из модулей блоков большей мощности. "Hyperion" имеет объявленную номинальную мощность 25 МВт(э). Он имеет другую мощностную нишу - от 25 до 100 МВт.

Особо отмечу, что мощность 100 МВт(э) для СВБР-100 была выбрана не случайно. Это минимальная мощность - и, соответственно, минимальные размеры реактора - для которого может быть получен коэффициент воспроизводства (КВ) при работе на MOКС-топливе несколько больше единицы. При этом в замкнутом ядерном топливном цикле (ЯТЦ) реактор СВБР-100 будет работать в режиме топливного самообеспечения, без подпитки природным изотопом ²³⁵U. Поэтому СВБР-100 прекрасно вписывается в топливную инфраструктуру крупномасштабной атомной энергетики с замкнутым топливным циклом.

Реактор же меньших размеров и меньшей мощности из-за большой утечки нейтронов и, следовательно, низкого КВ будет неэффективно использовать природный уран. И с этим обстоятельством обязательно столкнутся разработчики реактора "Hyperion". Это станет особенно важным при большом количестве таких реакторов (авторы называют 4000 штук).

Но в России был проект СВБР-10, свинцово-висмутовый реактор с мощностью 10 МВт(э).

Такой эскизный проект действительно есть, он сделан. Но он пока не востребован, потому что заказчика, который был бы готов заплатить за него деньги, нет. Конечно, СВБР-10 - это интересный реактор, его можно было бы начинать строить без сооружения опытно-промышленного энергоблока, так как он отличается большой степенью преемственности уже отработанных технических решений.

Чем авторы проекта "Hyperion" объясняют свой выбор уровня мощности?

В тех публикациях, которые доступны, содержится весьма скудная техническая информация. В них нет объяснений и обоснований, в них просто приводятся некоторые характеристики.

Я бы обратил внимание даже не на мощность, а на сделанный американцами выбор топлива. Они предлагают использовать нитридное топливо, причём не мононитрид урана, а, так называемый, полуторный нитрид, то есть, U₂N₃, менее плотный, ухудшающий нейтронно-физические характеристики, и менее термостойкий. Объяснений, почему сделан такой выбор, не приводится. Я не вижу большого смысла в использовании U₂N₃.

То есть, американцы выбрали топливо, которое, мало того, что не проверено экспериментально, оно ещё и хуже, чем предлагаемое в российских разработках.

Да, так и есть, и делается это всё бездоказательно, без объяснений и комментариев.Я могу объяснить появление подобных "странных" проектных решений только тем, что работы над реактором "Hyperion", по всей видимости, находятся на самой начальной стадии разработки концепции. Возможно, что авторы сами ещё не знают, как будет выглядеть их установка. Отсюда и удивительные умолчания о рабочем теле промежуточного контура, и так далее.

Почему, как Вы думаете, американцы внезапно перешли на свинец-висмут и отложили в сторону свой предыдущий проект с уран-гидридным топливом?

Я могу только предполагать. На реактор "Hyperion" с топливом из гидрида урана выдан американский патент, авторство принадлежит Отису Петерсону, бывшему сотруднику LANL. Сам патент лишь удостоверяет то, что предлагаемое техническое решение имеет существенную новизну, но ничего говорит о реализуемости и полезности.

На мой взгляд "Hyperion" с гидридом урана и тепловыми трубами является классическим примером "бумажных реакторов", о которых в своё время в очень остроумной заметке говорил адмирал Хайман Риковер.

Не хотелось бы вдаваться в подробности, поэтому скажу коротко. Уран-гидридный "Hyperion" сделать может быть и можно, но как энергетический реактор работать он не будет. И говорить о его высокой безопасности тем более не приходится, потому что водород сам по себе источник опасности.

Видимо, в компании HPG поняли ситуацию и осознали, что для реализации реактора "Hyperion" в его первоначальном виде им потребуются длительные НИОКР. А потребители на реакторы малой мощности есть уже сегодня, и они хотят получить реакторы в 2015 году, а не в 2025. Как я понимаю, этим и объясняется, что американцы перешли на реальный проект, который может быть осуществлен и не содержит вопросов, требующих выполнения фундаментальных НИР.

Реактор из "Обн-Аламоса"

Но вместе с тем, успех проекта определяется квалификацией людей, которые над ним работают, и имеющимся у них опытом. Среди лиц, которые упоминаются в Интернете в связи с американским проектом, я не увидел специалистов в данной области техники.

Конечно, располагая финансовыми ресурсами, можно привлечь специалистов разного профиля. После трёх конференций "Тяжелые жидкометаллические теплоносители в ядерных технологиях", проведенных нашим институтом с участием зарубежных ученых, эта технология стала широко известной в мире, и сегодня в более чем полутора десятках стран ведутся достаточно серьёзные исследования по применению свинца-висмута в атомной энергетике. Но это уровень, в основном, концептуальных НИР, а не ОКР, направленных на реализацию в сжатые сроки проекта конкретного реактора.

Во многих странах развиваются концепции таких реакторов и, действительно, многие из этих концепций имеют право на жизнь и интересны. Но кроме квалификации специалистов, для их успешной реализации нужен ещё и опыт. А реальным опытом разработки сооружения и эксплуатации реакторов с теплоносителем свинец-висмут сегодня обладает только Россия.

Хотя в публикациях по реактору "Hyperion" можно увидеть ироничное упоминание, что реакторы АПЛ разработаны в "Лос-Арзамасе".

Это, конечно, интересный пассаж. Я понимаю его смысл в привязке к атомной бомбе. Первая советская атомная бомба действительно была скопирована с американской. Но иметь чертежи недостаточно для реализации проекта. Всё равно должны быть сконцентрированы силы, обеспечена очень высокая квалификация учёных, инженеров, конструкторов. Всё это в Советском Союзе было сделано.

Что касается реактора с теплоносителем свинец-висмут, то тут правильнее сказать, что если он в Америке и появится, то это будет проект разработанный в "Обн-Аламосе". Ведь основы этой технологии были заложены Александром Ильичом Лейпунским более 50 лет назад, и они развивались в Обнинске. Американцы не смогли освоить эту технологию.

Сегодня только две организации реально владеют опытом работ со свинцово-висмутовыми реакторами - ФЭИ и ОКБ "Гидропресс". Обе они задействованы в проекте СВБР-100.

Без практического опыта в руках, будет неизбежно сделано много ошибок при технической реализации конкретного проекта, потому что есть очень много мелочей, которые определяют и надёжность, и безопасность. На этом, я думаю, может споткнуться в итоге американская команда.

Как метко сказал наш А.С. Пушкин: "Опыт, сын ошибок трудных". И это совершенно верно - нельзя его (опыт) игнорировать.

Тем не менее, американцы объявляют такие цели - 2013 год ввод первого блока и стоимость 50 млн долларов.

Видите ли, американцы очень предприимчивые люди. Если бы речь шла о новой модели автомобиля, новой модели телевизора, где на момент запуска рекламной кампании опытный образец уже есть, испытан и может быть запущен в серию, то у них всё бы получилось.

Но в случае реактора "Hyperion" агрессивная рекламная кампания, на мой взгляд, мало обоснована. Я понимаю, американцы нашли красивый рекламный ход с изображением очереди за их реакторами - "Покупай или опоздаешь!". Но названные ими сроки и стоимость просто не реальны.

Выбор клиентов

Получить лицензию NRC на сооружение и эксплуатацию реактора "Hyperion" будет не так-то просто, мы считаем.

Я с этим совершенно согласен, потому что ключевой элемент любого реактора - топливо. А топливо не испытано. Как можно получить лицензию на эксплуатацию, не имея испытанного топлива? Я уже не говорю о том, что сегодня нитрид урана нигде в мире не производится.

Подтверждение работоспособности топлива это длительный процесс. А нужно ведь ещё определиться, где проводить с ним эксперименты. Мы по своему опыту знаем, что отработка топлива это большая серьёзная задача.

Есть наглядный пример, что не всё с малыми реакторами так просто, как кажется. Было широко разрекламировано, что японская фирма "Тошиба" построит в кредит на Аляске в Галене натриевый быстрый реактор 4S на 10 МВт(э). Место для строительства было выбрано суперудачно, потому что там очень дорогая электроэнергия. Это очень важно, так как при уменьшении мощности АЭС экономические показатели ухудшаются.

Но нужно помнить, что этот реактор уникальный, он никогда нигде ещё не был построен и не работал. Поэтому NRC правильно требует, что необходимо сначала испытать реактор, чтобы гарантировать покупателям его безопасную и надёжную работу.

Интересно попробовать предсказать, кто может быть потенциальными клиентами для реакторов "Hyperion". Авторы предполагают, что они смогут его продать американским военным, над которыми есть свой ведомственный атомнадзор, что позволяет избежать встречи с NRC.

Я сомневаюсь в том, что военные США примут для флота или для военных баз реактор с совершенно непроверенной конструкцией. Для них довод об успешной работе свинцово-висмутовых реакторов на российских АПЛ выглядит совершенно неубедительно. Им нужно получить подтверждение, что данная конкретная реакторная установка работает надёжно как положено по её назначению.

Если не гражданские и не военные, то резонно предположить, что первых покупателей на реакторы "Hyperion" будут подыскивать за рубежом. Причём, по всей видимости, не в Европе, где также сильна служба атомнадзора.

В конце концов, в тех странах, где нет своего атомнадзора, будет присутствовать МАГАТЭ или международные организации, которые не допустят строительства непроверенного на деле реактора.

Существует такое понятие - "первый в своём роде". Для любой новой технологии должен быть построен первый в своём роде реактор, на котором были бы подтверждены проектные характеристики: надёжность, безопасность и экономические показатели.

Иногда нам говорят, а зачем вы строите опытно-промышленный СВБР-100, когда у вас на лодках работали подобные реакторы? Мы хорошо понимаем - как бы нам ни хотелось ускорить этот процесс, перепрыгнуть такой этап нельзя. Опыт, полученный для подводных лодок, очень важен, но он непредставителен для гражданской энергетики.

Игнорирование естественного хода развития чревато большими экономическими потерями, рисками, связанными с безопасностью, с компрометацией атомной энергетики в целом.

СВБР-100

Не можем не воспользоваться случаем и не задать несколько вопросов по СВБР-100. Каково сейчас состояние проекта?

Вы знаете, что было объявлено о создании государственно-частного совместного предприятия ОАО "АКМЭ-Инжиниринг". Известно, что проект будет финансироваться на паритетных началах - частично из госбюджета, частично от частного инвестора.

Это предприятие только что создано, буквально перед самым Новым годом. Графики работы подготовлены, но я бы не стал сегодня говорить о том, в каком году будет поднят флажок пуска. Это будет зависеть от многих обстоятельств.

Моё личное мнение заключается в том, что опытно-промышленный реактор IV-го поколения реально построить за 6-7 лет. Разумеется, при условии, что будет сквозное финансирование без перерывов на утверждение различных стадий проекта и реализован совмещённый график выполнения конструкторских, проектных, строительно-монтажных работ и изготовления оборудования.

Надеюсь на то, что именно так и будет. В конце концов, у нас есть уверенность в жизнеспособности технологии, благодаря опыту подводных лодок. Если бы АПЛ со свинцово-висмутовыми реакторами не существовали, то СВБР перешёл бы в разряд бумажных реакторов, реализация которых потребовала бы значительно больших усилий, времени и средств.

В прессе упоминалось, что есть несколько кандидатных площадок под первый блок с СВБР.

Да, рассматриваются три площадки. Комментировать эту тему пока ещё рано. Давайте вернёмся к этому вопросу попозже.

Реакторы-"самоеды"

И ещё одна тема, которую нам хотелось бы обсудить. В прошлом году в США наметился интерес к реакторам-"самоедам". Появились патенты по этому поводу, проводятся работы, в частности, по концепции реакторов с бегущей волной (Traveling Wave Reactor - TWR), финансируемые Биллом Гейтсом.

Эта идея не новая. "Самоед" - реактор на быстрых нейтронах, который, будучи однажды запущенным, способен потреблять только ²³⁸U и при этом поддерживать критичность.

Нужно сказать, что первоначально эта идея была высказана в 1958 году на II-ой Женевской конференции советскими учёными из "Курчатовского института" Савелием Моисеевичем Фейнбергом и Евгением Петровичем Кунегиным. После этого во многих странах стали заниматься подобного типа реакторами.

Я могу отослать интересующихся к статье интернационального авторского коллектива в журнале "Nuclear Engineering, Vol. 151, No. 2, pp. 177-191", где описаны все возможные концепции реакторов. Американский реактор TWR - это, фактически, "свеча" Хироси Секимото, профессора Токийского технологического института. Именно такую идею он обосновал расчётами и много раз докладывал на международных семинарах и конференциях.

Идея реактора с бегущей волной состоит в том, что есть длинная активная зона, которую "поджигают" с одного конца, и по зоне идёт волна выгорания и накопления плутония. Такой реактор можно сравнить с зажжённой сигаретой, где зона горения постепенно перемещается, оставляя после себя пепел. Чем длиннее сигарета, тем дольше она горит. В реакторе же позади зоны горения остаются невыгоревшие ²³⁸U, плутоний и накопленные продукты деления.

Одна из главных трудностей TWR - для него нужны очень длинные твэлы. Все стремятся, чтобы активная зона была короче, это позволяет уменьшить значение положительного пустотного эффекта реактивности, характерного для натриевых быстрых реакторов, а также снизить гидравлическое сопротивление, расход энергии на прокачку теплоносителя через реактор. Но в TWR всё наоборот, активная зона должна быть очень длинной, иначе эффективность использования энергетического потенциала природного урана будет невысокой. Это делает такую концепцию внутренне противоречивой.

Другая сложность связана с тем, что для реакторов-"самоедов" необходимыми условиями реализации являются достижение очень большого выгорания, не менее 20% в среднем по тяжёлым атомам, и очень высокой повреждающей дозы быстрых нейтронов на конструкционные материалы, порядка 400 с.н.а.

При большом выгорании неизбежно большое газовыделение, что требует увеличения длины газовой полости внутри и без того длинного твэла. Неизбежны, в связи со сверхдлинной кампанией материаловедческие трудности, так как требования к материалам в "самоедах" выходят далеко за те параметры, которые мы сейчас можем реально обосновать.

Если сформулировать ответ в одном предложении, то "самоеды" находятся на этапе НИР, и для них не до конца определены те проблемы, которые придётся решать при их проектировании. Кроме того, открытым остаётся вопрос, что делать с ОЯТ, в котором находится много невыгоревшего плутония. Здесь необходимы системные исследования.

Как Вы думаете, чем обусловлен повышенный интерес к "самоедам", наблюдаемый в наши дни?

Это красивая идея, интересная концепция, позволяющая устранить внешний топливный цикл. Для них не требуется переработка топлива или обогащение урана, и при этом "самоед" может использовать 20-30% энергопотенциала природного урана, что в 20-30 раз выше, чем для реакторов на тепловых нейтронах. Если бы "самоеды" были готовы к коммерциализации сегодня, то проблема дефицита природного урана была бы отодвинута на многие столетия.

Но тут скрывается определённое лукавство. Реактор-"самоед" требуется запустить, а для первой загрузки ему нужен или плутоний, или обогащённый уран. То есть, в любом случае нам придётся сохранить на многие десятилетия технологии или переработки ОЯТ, или обогащения урана. Следовательно, проблема нераспространения чувствительных ядерных технологий также остается.

Конечно, реактор-"самоед" очень интересен. Наш институт работал над таким проектом и довёл его до определённого состояния. Но мы поняли, что есть большие трудности с его реализацией, потребуются слишком большие затраты в обоснование работоспособности конструкции, и поэтому, с учётом упомянутых выше системных проблем, было принято решение о прекращении этих работ.

Несмотря на это, проведение дальнейших исследований по TWR (также как и по реактору "Hyperion" в его первоначальной версии) является полезным, так как позволяет поддерживать и развивать научно-технический потенциал ядерных энергетических технологий.

Американцы очень агрессивно патентуют идеи по "самоедам". Не грозит ли нам опасность потерять интеллектуальные права в этой области?

Нет, не грозит. У патентов есть определённые сроки действия - 20 лет, по окончанию которых запатентованное техническое решение становится доступным для общего пользования без каких-либо юридических и финансовых проблем. Я уверен, что время, которое потребуется на коммерциализацию самоедов, намного превосходит сроки действия американских патентов.

Спасибо, Георгий Ильич, за интересное интервью для электронного издания AtomInfo.Ru.

ИСТОЧНИК: AtomInfo.Ru

ДАТА: 04.02.2010

Темы: Свинец-висмут, Hyperion, ФЭИ, Интервью, Георгий Тошинский