НИОКР в поддержку проекта ASTRID

Smith, для AtomInfo.Ru, ОПУБЛИКОВАНО 09.07.2014

Мы публикуем статью, подготовленную для электронного издания AtomInfo.Ru, давним активным участником нашего форума. По его просьбе, в авторстве указывается только его ник на форуме Smith.

Статья подготовлена по материалам ESNII (European Sustainable Nuclear Industrial Initiative), касающимся европейской программы НИОКР в поддержку развития технологии быстрых реакторов с натриевым теплоносителем на период 2013-2015 годов.

Ввод в эксплуатацию демонстрационного энергоблока с реакторной установкой на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем ASTRID (Advanced Sodium Technological Reactor for Industrial Demonstration) мощностью 600 МВт(эл) запланирован на середину 20-ых годов.

Основные планы на 2013-2015 годы

Текущий статус работ

В ближайшие три года основные усилия разработчиков будут направлены на подготовку концептуального проекта ASTRID, углубление инженерного партнёрства между странами-участницами исследований, а также проведение необходимых НИОКР.

Период 2010-2012 годов (до старта этапа непосредственно проектирования) был отмечен прежде всего развитием партнёрских отношений между предприятиями и организациями, спектр компетенций которых охватывает всевозможные сферы:

- AREVA NP (технологии ядерного острова, включая АСУ ТП);

- EDF (будущий оператор и участник программы НИОКР);

- ALSTOM (поставщик турбоустановки);

- BOUYGUES (генеральный подрядчик при сооружении);

- COMEX NUCLEAIRE (проведение инновационных исследований в области робототехники и механики);

- TOSHIBA (поставщик крупных электромагнитных насосов);

- JACOBS (сооружение необходимой инфраструктуры);

- Rolls-Royce (развитие технологий в области теплообменников и системы обращения с топливом для быстрых натриевых реакторов);

- ASTRIUM (оценка надёжности, ремонтопригодности оборудования).

Основные инновационные элементы разрабатываемой реакторной установки ASTRID, основанные на уже имеющемся опыте эксплуатации натриевых реакторов и результатах проведенных НИОКР, представлены в Таблице 1.

Таблица 1. Инновационные элементы проекта ASTRID.

Опыт эксплуатации	Направления НИОКР	Вариант ASTRID
Проблема существования положительного натриевого пустотного коэффициента реактивности	Оптимизация параметров активной зоны для повышения безопасности в случае возникновения аварийных инцидентов. Исследование вариантов гетерогенной реализации активной зоны.	Инновационная активная зона CFV (запатентована в 2010 году), которая позволяет иметь очень низкий или даже отрицательный пустотный коэффициент реактивности. Существенно улучшаются характеристики активной зоны в случае, к примеру, неработоспособности системы охлаждения.
Проблема возможного контакта натрия и воды	Возможности ограничения потенциала общей выделяемой энергии в случае реакции натрия с водой, а также площади её распространения. Возможность замены воды на другие субстанции.	Применение модульных парогенераторов. Парогенераторы с натрием в трубах. Применение азота вместо пара/воды.
Проблема горения натрия	Инновации в системах обнаружения течей натрия. Изучение аэрозолей натрия.	Улучшенная система обнаружения течей (получен патент на систему, встроенную в тепловую изоляцию). Максимально герметичный объём (ограничение доступа кислорода, применение инертного газа).
Тяжёлые аварии	Применение ловушки расплава. Изучение поведения кориума и его взаимодействия с натрием.	Некоторые альтернативные варианты применения ловушки продолжают изучаться (к примеру, место расположения ловушки - внутри основного корпуса, вне корпусов или между двумя корпусами).
Отвод остаточного тепловыделения	Система вспомогательного охлаждения корпуса реактора.	Применение комбинации проверенных систем DHR и RVACS.
Проведение инспекций оборудования и ремонтов	Общее упрощение конструкций первого контура. Применение инновационных методов дистанционной диагностики натриевой внутриреакторной среды (к примеру, акустическое обнаружение), а также оперативной обработки полученной при этом информации.

По состоянию на конец 2012 года достигнуты следующие важные вехи в реализации проекта ASTRID:

- завершена стадия предпроектных работ, результаты которых были включены в обобщённый "Доклад о состоянии исследований в области разделения, трансмутации и новых реакторных технологий" ("Report on the status of R&D studies on separation & transmutation and on new generation reactors"), представленный правительству Франции;

- первый отчёт с анализом безопасности проекта ASTRID был представлен во французский регулирующий орган ASN в июне 2012 года. Документ рассматривался реакторным комитетом регулятора в течение 2013 года. Своё заключение ASN вынесет в этом году.

Во Франции первый документ, который должен быть предоставлен регуляторам в процессе лицензирования нового ядерного объекта - так называемый отчёт "Safety Options Report".

Данный документ, как правило, выпускается по завершению стадии концептуального проектирования (conceptual design). Однако ASTRID в 2012 году находился на более ранней стадии предпроектных работ (pre-conceptual design). На этом этапе был выпущен документ под названием "Safety Orientations Document", или DOrS. Речь в статье идёт именно о нём.

DOrS - документ общего характера. Он предназначен в помощь коллективу, отвечающему за концептуальное проектирование, и должен способствовать определению основных черт безопасности нового проекта.

Получить представление о содержании DOrS для реактора ASTRID можно из доклада группы французских авторов "Safety orientations during ASTRID conceptual design phase", представленного на конференции FR-13 (Париж, 2013 год).

По результатам уже проделанной работы CEA (французский комиссариат по атомной энергетике и возобновляемым источникам энергии) получил "зелёный свет" на то, чтобы провести разработку концептуального проекта установки в период 2013-2015 годов.

При этом в работах по проектированию реактора ASTRID и поддерживающих НИОКР в течение 2013 года было задействовано порядка 550 человек (Рис.1).

Рис.1. Структура организации работ по проекту ASTRID.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра.

Основными целями концептуальной стадии проектирования являются:

- проведение НИОКР в поддержку проектных решений, а также решений направленных на обеспечение безопасности;

- дальнейшее расширение промышленного и научного сотрудничества в рамках проекта ASTRID;

- окончательное решение сложных задач в области:

      * системы преобразования энергии;

      * взаимного расположения корпуса реактора, системы охлаждения и ловушки расплава;

      * локализации последствий возможных аварий;

- общая оптимизация конструкционных решений энергоблока в целях сокращения расходов;

- подготовка окончательного анализа безопасности реактора, который должен быть готов в 2015 году;

- подготовка к переходу на следующие этапы - технический проект (basic design) и непосредственно стадия строительства.

Детализация направлений НИОКР

Планируется, что большая часть НИОКР будет направлена на решение проблем безопасности разрабатываемой установки.

Активная зона и топливо

Работы по этой тематике будут сосредоточены на следующих моментах:

- подтверждение заявленных характеристик варианта активной зоны типа CFV (с низким пустотным коэффициентом реактивности), которая, по возможности, предусматривает не только предотвращение возникновения аварийных ситуаций, но и максимальное смягчение их последствий;

- определение оптимальных характеристик системы (систем) безопасности для повышения надёжности реакторной установки в дополнение к свойствам самозащищённости активной зоны CFV;

- дополнительные углублённые исследования в области материаловедения, в том числе с помощью исследования экспериментальных устройств, подвергшихся облучению в реакторе "Phenix";

- разработка инновационных нераспухающих дисперсноупрочнённых сталей ODS (Oxyde Dispersion Strengthened) для оболочек твэлов;

- разработка компоновки активной зоны, которая бы позволила наиболее эффективно использовать обеднённый и/или регенерированный уран для воспроизводства плутония, а также утилизировать минор-актиниды (МА).

Вопросы безопасности

Работы в этом направлении подразумевают:

- валидацию применяемых инновационных технологий и методов для минимизации утечек натрия, повышения производительности и надёжности средств обнаружения течей, а также проработку вариантов смягчения их последствий во избежание сколько-нибудь заметного химического воздействия на территорию за границами площадки размещения энергоблока;

- развитие передовых методов обнаружения реакции натрий-вода, усовершенствование конструкционных решений второго контура, позволяющих нейтрализовать любой подобный аварийный инцидент без заметных последствий для энергоблока в целом;

- развитие и валидация систем КИПиА и СУЗ активной зоны проектируемой реакторной установки;

- развитие и всестороннюю проверку комплексных методов моделирования, касающихся противоаварийной устойчивости энергоблока при тяжёлых авариях (например, в случае расплава активной зоны, падения самолета или очень сильных землетрясений).

Реактор и сопутствующие системы

НИОКР по этому направлению включают в себя:

- развитие всевозможной робототехники, систем осмотра внутриреакторного оборудования в натриевой среде, а также устройств для проведения ремонтных работ;

- развитие и испытание передовых экономичных парогенераторов с целью повышения общего КПД энергоблока;

- развитие концепции использования газа в теплообменниках, что должно позволить существенно устранить риск возникновения реакции натрий-вода;

- развитие перспективных топливных композиций, которые должны позволить увеличить интервалы между перегрузками при обязательном условии достижении запланированных показателей по производительности реактора;

- материаловедческие НИОКР в поддержку обоснования ресурса эксплуатации отдельных конструкций и деталей установки.

Рис.2. 3D-модель и поперечный разрез реактора ASTRID.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра.

Верификация и валидация расчетных кодов

В рамках этого направления исследований планируется:

- верификация и валидация расчётных кодов, которые будут использоваться на стадии разработки технического проекта и проведения окончательного анализа безопасности (отдельная важная тема - это коды для моделирования тяжёлых аварий);

- модернизация действующих или строительство новых экспериментальных установок в поддержку проверки кодов, а также для квалификации отдельных опций и систем реактора ASTRID (к примеру, подъёмно-транспортного оборудования, механизмов контроля стержней, теплообменников и т.д.)

В связи с чрезвычайно обширной программой запланированных НИОКР, одной из ключевых целей на 2013-2015 годы является организация европейского и международного сотрудничества в поддержку ASTRID.

Помимо всего перечисленного, в Евросоюзе не забывают и о необходимости повышения уровня образованности в области быстрых натриевых технологий в целях подготовки квалифицированных кадров для обеспечения быстрого и качественного строительства и дальнейшей безопасной эксплуатации установки.

Изучается, как минимум, два пути:

- возможность международного сотрудничества с действующими операторами быстрых натриевых установок;

- повышение количества образовательных программ по натриевому направлению в рамках ENEN (European Nuclear Education Network).

Разработка прототипа, лицензирование и сооружение

Проект ASTRID, помимо непосредственно энергоблока с быстрым реактором с натриевым охлаждением, включает в себя ещё и завод по производству топлива для реактора (предполагается, что его производительность составит порядка 5-10 тонн т.м. в год).

Конструкция реактора объединит в себе опыт проектирования и эксплуатации как уже остановленных, так и ныне действующих реакторов.

Проект ASTRID призван продемонстрировать на практике все преимущества энергетических технологий четвёртого поколения. При этом уровень безопасности реактора должен быть не ниже современных легководных установок третьего поколения, с обязательным учётом специфики натрия как теплоносителя.

В стационарном режиме эксплуатации реактор должен иметь высокий КИУМ (не ниже 80%).

Должна быть осуществлена демонстрация возможностей утилизации младших актинидов в более широком масштабе, чем это ранее уже было реализовано на французском реакторе "Phenix".

Инвестиционные издержки на разработку проекта и сооружение прототипа должны быть сведены, по возможности, к минимуму. При этом разработанные и апробированные в процессе эксплуатации технические решения в дальнейшем планируется реализовать и на коммерческом натриевом реакторе.

Вклад Евратома в совместные проекты

НИОКР, проведённые под эгидой Евратома в рамках 6-ой и 7-ой европейских рамочных программ исследований и технологического развития (Framework Programmes for Research and Technological Development), несомненно, внесли существенный вклад в изучение быстрых реакторов с натриевым теплоносителем и укрепление сотрудничества между странами, имеющими соответствующий опыт и/или интерес к развитию этого направления.

Вот наиболее важные из уже реализованных проектов:

- проект EISOFAR (European Innovative SOdium cooled FAst Reactor) был инициирован в рамках 6-ой рамочной программы исследований; этот проект был направлен на выявление, организацию и практическую реализацию значительной части необходимых НИОКР в поддержку натриевого направления;

- проект ADRIANA был нацелен на формирование дорожной карты для нужд инфраструктуры в поддержку НИОКР в рамках ESNII, и его результаты явились основой для новых предложений по проектам и вариантам международной кооперации.

Среди действующих проектов, которые дают на выходе весомые результаты в области оценки практической эффективности тех или иных инновационных решений, прорабатываемых для прототипа (ASTRID) и будущего коммерческого натриевого реактора, можно отметить следующие:

- проект Collaborative Project on European Sodium Fast Reactor (CP-ESFR) - это совместный проект, который является ключевым для европейской платформы Sustainable Nuclear Energy Technology Platform (SNETP). Его реализация внесла существенный вклад в структурирование НИОКР по натриевому направлению, а также подтверждение жизнеспособности некоторых инновационных технологических решений. Среди таких решений - система отвода остаточного тепловыделения и конструктивные решения по смягчению последствий в случае тяжёлых аварий. Кроме того, в рамках этого проекта велись работы по разработке стандартов безопасности для быстрых натриевых установок, тестированию новых инструментов моделирования и т.д.;

- SARGEN-IV - это двухгодичная программа, которая стартовала в 2012 году, её основной целью является выработка единой европейской методологии для оценки безопасности инновационных реакторов с быстрым спектром нейтронов;

- ценные результаты ожидаются от реализации материаловедческих проектов (GETMAT и MATTER) из 7-ой рамочной программы, которые проводятся в координации с отдельной европейской программой ядерных материалов (Program Nuclear Material);

- проект SILER посвящён исследованиям и разработке необходимых мер защиты от последствий сейсмических воздействий на объект;

- проект THINS направлен на решение вопросов термогидравлики и валидацию термогидравлических кодов;

- проект ANDES нацелен на достижение повышенной точности и валидации ядерных констант и моделей.

Все перечисленные проекты послужили формированию специализированной международной сети, в которую входят более чем 30 организаций из различных стран Европы.

В самое ближайшее время запланирована совместная реализация следующих стратегических проектов:

- проект MATISSE (инновационные материалы для безопасной и устойчивой ядерной энергетики), внутри которого выделяются следующие задачи:

      * моделирование изучаемых процессов;

      * НИОКР в обоснование материалов из карбида кремния;

      * инновационные оболочки твэлов;

      * деятельность в поддержку ESNII (изучение вопросов распухания аустенитных и мартенситных сталей, изучение вопросов деградации материалов в жидкометаллической среде и т.д.);

- проект ESNII+, эти совместные исследования будут сосредоточены на двух основных направлениях:

      - формирование дорожных карт и общее структурирование деятельности в рамках НИОКР;

      - НИОКР, направленные на всестороннее изучение вопросов безопасности (в части активной зоны, топлива, противодействия сейсмическим воздействиям, разработки необходимых приборов и оборудования).

Бюджет проекта на 2013-2015 годы

Финансирование проекта ASTRID официально было открыто в 2010 году после подписания соглашения между CEA и правительством Франции о выделении 650 миллионов евро на НИОКР и проектные исследования, включая НИОКР в поддержку взаимосвязанных проектов.

Разбивка указанной суммы по направлениям исследований на горизонте до 2017 года представлена в Таблице 2.

Следует отметить, что НИОКР в поддержку проекта ASTRID проводятся также и за счёт совместных европейских проектов, в частности, в рамках упоминавшегося выше CP-ESFR.

Таблица 2. Финансирование проекта ASTRID.

Направление	2010-2012	2013-2014	2015-2017	Итого
Проект реактора: промежуточный 1 промежуточный 2 конечный проект	75,0	52,0	210,0	75,0 52,0 210,0
Квалификация оборудования: полномасштабное экспериментальное	59,0 37,8	82,8 34,0		141,8 71,8
Квалификация а.з. ASTRID на крит.стенде: реконструкция крит.стенда фабрикация топлива	5,3	11,6	23,1 10,0	40,0 10,0
Проект завода по фабрикации топлива: промежуточный конечный проект	6,0	20,0		6,0 20,0
Противодействие тяжёлым авариям	13,5	9,0		22,5
Проект цеха по фабрикации топлива, содержащего МА: технико-экономическое обоснование	1,5	1,0		2,5
Итого, млн евро	198,1	210,4	243,1	651,6

График реализации проекта ASTRID (Рис.3) в данный момент носит ориентировочный характер и в дальнейшем может быть скорректирован по результатам НИОКР и возможных политических решений.

Рис.3. Дорожная карта реализации проекта ASTRID.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра.

Первые проработки проекта установки были сделаны ещё в 2010 году. Их целью было, в первую очередь, начать предметные обсуждения с регулирующими органами.

Первый этап концептуального проектирования (предпроектные работы) был завершён в конце 2012 года, одновременно правительству Франции был представлен отчёт о промежуточных результатах профильных НИОКР (в частности, по вопросам утилизации МА).

Второй этап концептуального проектирования стартовал в начале 2013 года, ожидается, что он продлится от двух до трёх лет. В дальнейшем планируется разработать технический проект энергоблока. Глобальная цель звучит так - реактор ASTRID должен быть введён в эксплуатацию около 2025 года.

Значение ASTRID для Евросоюза

Направление быстрых реакторов с натриевым теплоносителем в рамках ESNII позволит Европе развить уже имеющийся опыт проектирования и эксплуатации инновационных реакторных технологий, адаптированных к потребностям энергетики будущего, включая требования по безопасности.

Интеграция усилий европейских стран в области НИОКР для проекта ASTRID, по сути, станет продолжением работ, начатых в рамках CP-ESFR.

Планируется, что проект будет максимально открытым для новых участников, так как подобная открытость представляется необходимой основой для успешного освоения сложных инновационных технологий.

Кроме того, ожидается, что реализуемая система организации процесса исследований по проекту ASTRID позволит распределить финансовые риски между государственными структурами и промышленными организациями Европы.

Возможные риски

Поскольку проект развития быстрой натриевой технологии интегрирует в себе самые передовые разработки, а также является максимально комплексным (включает в себя не только проектирование, но и сооружение энергоблока, а также завода по фабрикации топлива), то риски можно ожидать, прежде всего, в области изменения запланированных сроков реализации тех или иных этапов.

Что касается вопроса возможной нехватки финансирования по ходу развития проекта, то подобный риск также присутствует. Это связано, прежде всего, с долгосрочностью планируемого коммерческого внедрения быстрых натриевых реакторов, которое запланировано только на 40-е годы XXI века.

Кроме того, не следует забывать о политической и общественной поддержке проекта, для чего необходимо регулярно проводить разъясняющие мероприятия, налаживать коммуникации.

Что же касается непосредственно технических решений проекта, то тут его инициаторы не ожидают каких-либо серьёзных проблем, так как на основании уже полученного опыта есть уверенность в том, что при наличии достаточных ресурсов и времени, целевые показатели будут достигнуты.

Кроме того, исследования, проведённые в 2010-2012 годах, уже позволили нивелировать некоторые риски путём:

- подтверждения реализуемости и эффективности некоторых основных нововведений, изначально предусмотренных в проекте ASTRID, таких как: активная зона типа CFV, использование газа в теплообменниках и т.д.;

- формирования партнёрской кооперации в промышленности, которая охватывает все необходимые этапы вплоть до фазы непосредственно сооружения.

Основным риском на ближайшую перспективу является возможная задержка с принятием решения о начале строительства реактора ASTRID, так как это повлечет за собой сдвижку сроков освоения быстрой натриевой технологии на коммерческом уровне.

Ключевые слова: Быстрые натриевые реакторы, Франция, Мнения, Smith, Статьи

---

Другие новости:

В КНДР скончался один из разработчиков ядерного оружия в стране генерал Чон Пен Хо

Генерала ценили за особый вклад в превращение Корейской народной армии в мощные элитные вооружённые силы.

Первый энергоблок АЭС Бушер вышел на 100% мощности после перегрузки топлива

Было перегружено 54 ТВС.

Степень готовности Олкилуото-3 составляет 86%

Степень готовности Фламанвилля-3 - 57%, китайских EPR - 89%.

---

---

---

---

Поиск по сайту: