Анатолий Зродников: о малых и больших

AtomInfo.Ru, ОПУБЛИКОВАНО 05.12.2019

Профессор Анатолий Васильевич ЗРОДНИКОВ отметил 20 ноября 2019 года свой 75-летний юбилей.

Электронное издание AtomInfo.Ru присоединилось к поздравлениям коллег и попросило Анатолия Васильевича ответить на несколько вопросов.

ПРОДОЛЖЕНИЕ ПОСЛЕ ФОТО

Анатолий Зродников

Выводы академика Капицы

Анатолий Васильевич, малая атомная энергетика сегодня стала одной из популярных тем для обсуждения. Что Вы думаете о её возможностях и перспективах?

Как известно, вся ядерная энергетика мира начиналась с Первой АЭС, которая представляет собой не что иное как атомную станцию малой мощности.

Сегодня в России на долю ядерной энергии в общей электроэнергетике приходится примерно 18% (в мире - порядка 11%), а вот в топливно-энергетическом комплексе (ТЭК) вкладу атомной энергии соответствуют всего 3%.

Почему наша доля в ТЭК настолько мала? Потому что ТЭК вынужден обслуживать большой ряд промышленных процессов с интенсивным потреблением тепловой энергии (см. Рис.1, >100МВт необходимы на каждом производстве), которое не может обеспечиваться современной ядерной энергетикой.

К сожалению, современная ядерная энергетика пока низкотемпературная, то есть не способная генерировать тепловую энергию с высоким температурным потенциалом, требуемую для проведения таких процессов.

Рис.1.
Диапазон рабочих температур для промышленных процессов
с интенсивным потреблением тепловой энергии.
Источник данных: проект Michelangelo Network F5.

Есть простая аналогия, которую я часто привожу студентам. Самолёт с двигателем низкой мощности может ездить по земле, но никогда не взлетит, так как не сможет разогнаться до скорости, при которой подъёмная сила будет достаточной, чтобы оторвать его от земли.

Точно также, обрезав технологический процесс по мощности, мы не сможем сделать его рентабельным или вообще не сможем его провести.

Можно считать, что 100 МВт и 800°C - это та граница, начиная с которой ядерная энергетика становится интересной для широкого круга промышленных потребителей, при этом базовой отраслью экономики может быть только перспективная энергетика больших мощностей.

Но малую атомную энергетику некоторые называют энергетикой следующего поколения, способной вывести нашу отрасль из того непростого положения, в котором она сегодня оказалась.

В октябре 1975 года академик Пётр Леонидович Капица сделал на научной сессии, посвящённой 250-летию АН СССР, замечательный доклад под названием "ЭНЕРГИЯ И ФИЗИКА". С тех прошло много лет, но никто не только не смог опровергнуть его выводы, но даже не осмелился покритиковать их.

Пётр Леонидович говорил в своём докладе об ограничениях, существующих в природе для плотности потока энергии. Часто эти ограничения не принимаются во внимание, и это ведёт к бесперспективным затратам на, казалось бы, интересные проекты. Он детально рассмотрел много примеров из физики преобразования различных видов энергии и возникающих при этом проблем энергетики.

В качестве одного из них приведу использование геотермальной энергии: "Преимущество этого метода для энергетики больших мощностей, несомненно, очень велико, энергетические запасы здесь неистощимы, и, в отличие от солнечной энергии, которая имеет колебания не только суточные, но и в зависимости от времён года и от погоды, геотермальная энергия может генерироваться непрерывно".

Продолжу цитату: "Современный подход к этой проблеме основывается на том, что в любом месте земной коры на глубине в 10-15 км достигается температура в несколько сот градусов, достаточная для получения пара и генерирования энергии с хорошим КПД".

Но при попытке осуществить этот проект на практике, отмечал Капица, мы натолкнёмся на ограничения, связанные с плотностью потока энергии.

Теплопроводность горных пород мала, и при имеющихся градиентах температур внутри Земли для подвода теплоты промышленных масштабов потребуются очень большие поверхности теплообмена (площади), что "весьма трудно выполнимо на глубине 10-15 км".

В ядерной энергетике достижима очень высокая плотность потока энергии, и в этом её преимущество перед основными конкурирующими энергоисточниками. Лучше всего это преимущество реализуется для перспективной ядерной энергетики больших мощностей с реакторами, способными генерировать высокопотенциальную тепловую энергию.

Узкие места малой энергетики

На самом деле, малая наземная энергетика - тема не новая. В своё время у нас были энтузиасты, предлагавшие создать маленький БН (а у американцев до сих пор сохранились такие идеи).

Как полушутя-полусерьёзно высказался правитель одной арабской страны: "Сделайте реактор таким, чтобы он помещался в багажнике моей автомашины и можно было не беспокоиться о топливе".

Я относился к этим идеям скептически. Даже 300 МВт единичной мощности, как мне представляется, мало, если мы ведём речь о крупномасштабной промышленной энергетике будущего.

Вы знаете, что в прошлом тысячелетии в ФЭИ была сделана малая транспортабельная АЭС ТЭС-3 на гусеничном ходу. Куда её только ни пытались внедрить! Предлагали даже соболиные фермы с её помощью обогревать. Потенциальные гражданские потребители от неё в итоге отказались по причинам кадрового характера.

Считаю, что ни в коем случае нельзя распускать наземную малую атомную энергетику по миру, так как это сильно увеличивает риски аварий и может плохо сказаться на безопасности.

Возьмём быстрые натриевые реакторы. В индустриальных условиях площадки АЭС с несколькими ядерными блоками большой мощности противопожарная безопасность гарантировано обеспечивается наличием единой круглосуточной службы со специально обученным персоналом, владеющим специальным оборудованием, методами и средствами тушения натриевых пожаров.

Можно всё это перенести на БН малой мощности? Наверно, можно, но сколько при этом будет стоить киловатт-час производимой электроэнергии?

Иными словами, тому арабскому правителю, который хотел реактор в багажник, пришлось бы возить за собой пожарные машины, грузовые фуры с материалами, и так далее?

А также ещё и многочисленную охрану. Хотя, в случае правителя, последний пункт выполняется и без ядерного автомобиля.

В малой энергетике имеются и другие узкие места. Например, вопрос о персонале малых АЭС.

Мы говорим, что основным достоинством малой энергетики является автономность, малые реакторы идеально подходят для удалённых районов, и одновременно признаём, что управлять малыми реакторами должны высококвалифицированные люди с хорошим образованием.

Но это означает, что эти люди должны согласиться переехать на работу в совсем другие социальные условия. Подумайте сами, насколько это реально сегодня для гражданских отраслей (не будем касаться возможных военных применений).

Ответ может быть таким. В будущем у малых реакторов появятся централизованные пункты управления через спутники, и выезды к местам их службы станут кратковременными мероприятиями.

Я не только знаком с этой идеей, я сам когда-то выступал как её приверженец. Но нельзя полностью переложить ядерную безопасность на роботов и дистанционное управление, не говоря уже о физической безопасности. Кроме того, дистанционное (спутниковое) управление могут перехватить злоумышленники.

Разве были такие попытки в реальности?

Как вы знаете, мне в своё время довелось работать по тематике космических ядерных энергетических установок для разведывательных спутников. У нас подобные ситуации назывались так: "Опять Джон тумблер включил!".

Не хочу, чтобы сложилось впечатление, что я категорический противник малой атомной энергетики. Как минимум, она не станет лишней. Там, где это выгодно, в суровых климатических условиях, где нет других разумных способов получения электроэнергии, в таких местах малые АЭС могут быть востребованы.

Сегодня это, в частности, космическая ядерная энергетика, морские корабельные и подводные применения, теплоснабжение малых городов и автономные поселения с высоким уровнем технологического и экономического развития (прежде всего наукограды, закрытые атомные города, автономные военные гарнизоны и др.).

Кстати, в конце 90-ых годов прошлого века Физико-энергетическим институтом вместе со смежными организациями была выполнена интересная разработка - Реакторная Установка Теплоснабжения с Атмосферным давлением (РУТА), предназначенная для отопления населённых пунктов, отдельных жилых районов.

Главная особенность реактора этой установки - отсутствие избыточного давления воды в так называемом первом контуре (бассейне реактора). Это исключает возможность возникновения аварийных ситуаций. В сети можно найти несколько образных описаний конструкции установки, приведу одно из них в сокращённом варианте.

РУТУ можно представить в виде "рюмки", ножка которой уходит на несколько десятков метров в землю. В ножке расположена активная зона и органы управления реактором, а сверху, в "рюмке" - вода, налитая не до краёв.

Вода, нагреваясь в активной зоне, поднимается вверх, в теплообменники, расположенные в верхней части бассейна, где она отдаёт теплоту воде второго контура и вновь опускается вниз для подогрева в активной зоне. При этом давление в первом контуре атмосферное, а максимальная температура горячей воды в системе не превышает 100°С.

Фактически, это просто самый современный автоматизированный низкотемпературный атомный котёл, многие вопросы безопасности для которого решаются проще, а размещать такой аппарат можно непосредственно в городе.

Конструкцию установки отличает высокая безопасность, надёжность, простота, а также возможность длительной автономной работы.

Установкой заинтересовался даже Герман Греф, которого тогда очень волновала проблема теплоснабжения Арктики. Была разработана, рассмотрена и утверждена Декларация о намерениях сооружения головного образца установки в Первом наукограде России - Обнинске. На этом всё и остановилось, в начале нового века стало не до того.

Всё же, как мне представляется, у подобных реакторов есть определённые перспективы, есть своя ниша и в России когда-нибудь они все-таки пойдут.

Зато теперь бассейновыми реакторами для теплоснабжения занялись в Китае.

Да, китайцы заинтересовались похожей технологией с целью заменить в своих городах неэкологичные угольные ТЭЦ. А если китайцы за что-то взялись, то они это сделают.

Большая двухкомпонентность

Анатолий Васильевич, перейдём от малой энергетики к большой. В России принята концепция двухкомпонентной атомной энергетики с быстрыми и тепловыми реакторами.

Идея двухкомпонентной ядерной энергетической системы взялась не с потолка. Обсуждалась она достаточно давно.

В частности, по поручению моих коллег и соавторов В.Г.Асмолова и М.И.Солонина мне довелось публично выступать с докладом о двухкомпонентной ЯЭС России на НТС Росатома в 2006 году. Правда, тогда мы называли её просто системой быстрых и тепловых реакторов.

А если копнуть ещё глубже в историю, то двухкомпонентность пошла от Курчатова, который делил работы примерно так: "Тепловые реакторы беру себе, а быстрые отдаю Александру Ильичу Лейпунскому в Обнинск".

В прошлом было много споров, у специалистов были различные мнения о том, как должна развиваться ядерная энергетика.

В частности, Александр Ильич считал, что тепловые реакторы - не более чем эпизод в общей картине, потому что у тепловой энергетики с открытым топливным циклом есть нерешаемые системные проблемы, а именно, сырьевая ограниченность и огромное количество отходов на единицу полезной продукции.

Со временем пришло понимание, что с обеими проблемами энергетики на реакторах с тепловым спектром нейтронов можно справиться с помощью замыкания ядерного топливного цикла.

Но не простого замыкания! Французы свой цикл замкнули, но системных проблем не решили, так как у них нет быстрых реакторов. Именно наличие в системе быстрых бридеров позволяет нам почти полностью вовлечь в процесс производства энергии природный уран и решить проблему накопления ОЯТ и РАО.

Но и тепловые реакторы убирать из системы нельзя. Во-первых, прекрасно отработанная технология тепловых реакторов имеет высокий потенциал коммерческого использования, так что никто не собирается их досрочно закрывать.

Во-вторых, при работе в замкнутом топливном цикле единой ядерной энергетической системы у них появится новое качество - они существенно увеличат конкурентоспособность Росатома на мировом рынке ядерных энерготехнологий за счёт обеспечения экономии урана-235 при переводе их на МОКС-топливо и возможности их поставки за рубеж вместе с полным пакетом услуг замкнутого ЯТЦ.

Быстрые реакторы могут быть разными. На Ваш взгляд, что лучше - натрий или свинец?

Моё мнение известно, и оно не менялось. Сравните характеристики двух элементов из таблицы Менделеева, и вы поймёте, что с точки зрения физики активной зоны реактора свинец лучше натрия.

Но реакторная установка в целом - это на 90% тепловая машина, а для неё ставить вопрос в такой формулировке некорректно. Мы должны сравнивать теплоносители, а не химические элементы, и в этом случае ответ будет такой: "Как теплоноситель, "свинец" сильно уступает "натрию".

Собственно говоря, промышленной технологии свинцового теплоносителя нигде в мире пока нет, как нет пока, даже на бумаге, ни одного "свинцового" реактора.

"Натрий" - это прекрасный теплоноситель, который во всех режимах длительной ресурсной работы реакторной установки демонстрирует прекрасную совместимость с материалами реактора и тепловых контуров.

С 1959 года по 2002 год в ФЭИ работал реактор БР-5 (БР-10).В конце ресурса, когда слили теплоноситель, убедились, что все поверхности внутри контура блестят как зеркало, практически никаких отложений. Отечественный опыт работы с натриевым теплоносителем в ядерной энергетике насчитывает сегодня 150 реакторо-лет.

А вот когда мы только приступали к промышленному освоению ТТТ (технология тяжёлых теплоноситей) и в первый раз открыли крышку экспериментального "свинцово-висмутового" реактора на нашем стенде, то просто ахнули - вся зона была забита окислами.

"Свинцовые" реакторные технологии принципиально отличаются от известных в энергетике сегодня технологий из-за уникальных фундаментальных свойств свинца.

В частности, плотность свинцового теплоносителя больше плотности элементов конструкции активной зоны "свинцового" реактора, так что при аварии с плавлением зоны элементы последней будут всплывать, а не тонуть. Если мы сейчас делаем ловушки кориума внизу, то для свинцового реактора придётся придумывать что-то и обеспечивать недопущение при аварии вторичных критмасс в верхней части активной зоны.

Кроме того, установки с тяжёлым теплоносителем имеют специфические проблемы по сейсмике, ресурсоспособности, ремонтопригодности и многие другие не до конца понятные нам особенности, которые сегодня нельзя ни подтвердить, ни опровергнуть всем 75-летним опытом мировой ядерной энергетики.

Так что свинцу нужно пройти длинный путь промышленного освоения, прежде чем можно будет ответить на вопрос, сможет ли он стать эффективным теплоносителем в ядерной энергетике. Натрию понадобилось для этого около полувека.

Ближайшие задачи

Вопрос, задаваемый многими: "Зачем спешить с переходом к двухкомпонентной системе? Урана у нас хватает, наши запасы примерно 500 тысяч тонн, и мы могли бы подождать с началом ввода быстрой компоненты, быстрых реакторов".

А ещё есть месторождение в Танзании, а ещё в мире есть океаны с ураном в морской воде. Но всё равно, начинать переход к двухкомпонентной системе нужно сегодня, а лучше - вчера.

Если мы не приступим к этому переходу сейчас, то нас опередят китайцы. Они хотят это сделать, могут это сделать и очень торопятся это сделать.

Обратите внимание - они стартовали с сотрудничества с нами по своему БР-10, сейчас приобрели у нас БН-600, а ведь 600×2=1200. То есть, они вполне смогут в достаточно короткие сроки освоить наши технологии и выйти на свой коммерческий БН.

Ещё одна причина, почему мы не можем ждать - необходимо подготовить все требуемые для двухкомпонентной системы промышленные технологии.

Научные основы у нас есть, причём многое досталось в наследство от СССР, но нужно уметь реализовывать все необходимые процессы в промышленных масштабах, иными словами, нам нужны соответствующие промышленные технологии. В мире никто пока не знает, что делать с ОЯТ тепловых реакторов, в котором много плутония.

Поэтому задача номер один сегодня - плутоний. От нас требуется замкнуть топливный цикл по урану и плутонию, чтобы, вернув регенерируемые из ОЯТ уран и плутоний в реакторы, обеспечить нужный плутониевый баланс, в отличие от сегодняшней ситуации, когда плутоний только нарабатывается, но не потребляется.

Как начать перевод атомной энергетики России в режим двухкомпонентной системы? Нужно отложить в сторону все второстепенные проблемы и для начала отработать в условиях БН-800 промышленные реакторные МОКС-технологии топливообеспечения, промышленные технологии переработки МОКС-ОЯТ с фракционированием регенерата, замыканием топливного цикла и многократным рециклированием МОКС-топлива.

Что можно отложить? Например, миноры. Их тоже можно делить, но энергетический потенциал миноров пренебрежимо мал по сравнению с аналогичным параметром плутония, а вот "выжигать" их всё же нужно, не ради этого потенциала, а из-за их высокой радиотоксичности.

О них говорят очень много, но если спросить: "С какой скоростью накапливаются минорные актиниды в нашей энергетике?", то я отвечу: "От одного реактора ВВЭР-1000 за год образуется поллитровая баночка с минорами". И какой смысл обсуждать их непременно сейчас?

Иными словами, приоритетная задача наших дней - освоение коммерческого производства МОКС-топлива из реакторного (высокофонового) плутония?

Совершенно верно. Причём вы правильно сказали, что сейчас нам нужен именно МОКС. В пользу смешанного оксидного топлива говорит то, что на нём работает вся мировая энергетика.

Это не ошибка и не оговорка. Мы загружаем в тепловой реактор свежее урановое оксидное топливо, но в процессе работы реактора в активной зоне образуется плутоний, и изначально урановое топливо к концу микрокампании фактически превращается в МОКС.

Но есть ведь и предложения пускать БН-1200 сразу на нитриде.

Моё мнение очень простое: "Если вы дадите нитрид с приемлемыми характеристиками стоимости и выгоранием не ниже, чем у МОКС, я первый выступлю в вашу поддержку".

Но пока такие выгорания на нитриде не достигнуты даже в экспериментальных образцах твэлов, а чем меньше выгорание топлива, тем чаще будет требоваться переработка и тем дороже она встанет.

Спасибо, Анатолий Васильевич, за интервью для электронного издания AtomInfo.Ru.

Ключевые слова: Стратегия развития, Малая энергетика, Интервью, Анатолий Зродников, Статьи

---

Другие новости:

Подписан договор на выполнение СМР по проекту строительства энергоблока с реактором БРЕСТ-ОД-300

Сумма контракта составила 26,3 млрд рублей.

"Oklo" объявила о старте "Aurora"

Подробности неизвестны.

Генконференция МАГАТЭ утвердила Рафаэля Гросси новым гендиректором агентства

Он вступает в должность 3 декабря 2019 года.

---

---

---

---

Поиск по сайту: