Американские бридеры остановила политика

Текст: Татьяна ДАНИЛОВА

Еще в 1962 году Комиссия США по атомной энергии считала реакторы-размножители на быстрых нейтронах ключом к неисчерпаемым энергетическим кладовым. Но уже в начале 1980-х интерес к ним угас, а программы разработки и строительства были свернуты. Отказ от развития этого направления, как показывает исторический анализ, не был продиктован научными или технологическими трудностями; он был мотивирован политически и до сих пор сказывается на международных отношениях.


Фото: Flickr/United States Government Work, Flickr/ NRCgov, nuclear.gepower.com
Утром 26 апреля 1944 года Энрико Ферми, Лео Сциллард, Юджин Вигнер, Элвин Вайнберг и еще несколько человек собрались на семинар, чтобы обсудить возможности использования ядерного деления для отопления и освещения городов.

В этот день Э. Ферми выступил с докладом, представив теорию — графическую модель конфигурации реактора на быстрых нейтронах и первую оценку воспроизводства. Он предположил, что такие устройства могли бы производить больше топлива, чем они потребляют; это открывало путь к энергетике с практически неисчерпаемыми ресурсами. В условиях дефицита делящихся материалов это было равносильно открытию философского камня.

В те годы и в той ситуации путь от теории до ее воплощения «в железе» был как никогда краток. Уже к концу 1945 года Уолтер Зинн, руководитель «площадки А» Манхэттенского проекта, а затем директор Аргоннской национальной лаборатории, одобрил план получения 239Pu из 238U с помощью быстрых нейтронов деления. Он убедил Комиссию по атомной энергии присвоить проекту реактора-размножителя высокий приоритет и настоял на собственном руководстве проектом.

Первый реактор на быстрых нейтронах CLEMENTINE мощностью 25 кВт с ртутным теплоносителем соорудили уже в 1946 году. Он располагался на площадке Омега (ТА-2) в Лос-Аламосе и служил для исследовательских целей — в основном как источник нейтронов. На полную мощность CLEMENTINE вышел в 1949 году, а уже в 1950-м был заглушен из-за неправильного функционирования управляющего стержня.

Однако нужны были реакторы не только для наработки оружейного плутония, но и для производства радиоизотопов, и для проведения исследований более общего характера. Рос интерес к использованию реакторов для получения электроэнергии. И в 1948 году началась разработка Экспериментального размножающего реактора-1 (EBR-1) с охладителем из сплава натрия и калия, он же «Чикагский котел», он же «Адский котел Зинна».

20 декабря 1951 года реактор мощностью 1,2 МВт не только достиг критичности, но и зажег четыре двухсотваттные электролампы. Его топливом был оружейный уран (степень обогащения 94%). И 4 июня 1953 года Комиссия по атомной энергии объявила, что EBR-1 первым в мире продемонстрировал получение плутония из урана.

Беда в том, что реактор имел быстрый положительный коэффициент реактивности, то есть у повышения мощности была положительная обратная связь. В ноябре 1955 года во время эксперимента произошло частичное расплавление (40–50%) активной зоны. Поврежденную активную зону удалили, а реактор отремонтировали. EBR-1 проработал до закрытия в конце 1963 года. Именно этот проект заставил ученых задуматься о проблемах безопасности охладителя из жидкого натрия и жидкого калия (от него в дальнейшем отказались) и о возможности взрывной критичности.

Таблица 1. Быстрые реакторы США от запуска до останова
Под руководством адмирала Хаймана Риковера велись эксперименты с реактором-прототипом на быстрых нейтронах SIG для двигательных установок подводных лодок. SIG с топливом из ВОУ проработал с весны 1955 года до закрытия в 1957 году: Х. Риковер отказался от быстрых реакторов для морских силовых установок, сочтя их слишком сложными в эксплуатации, небезопасными и дорогими.

В отделе морских реакторов Комиссии по атомной энергии рядом с Х. Риковером трудился Милтон Шоу, который в 1965 году стал директором одного из подразделений Комиссии — департамента разработки реакторов и технологий. К М. Шоу мы еще вернемся.

Тем временем для изучения поведения плутониевого топлива в быстрых реакторах в 1961 году в Лос-Аламосе построили и запустили 20-мегаваттный LAMPRE-I с натриевым охлаждением и плутониевым топливом. Эксперименты на этом устройстве показали, что материалы активной зоны при высоких температурах и в высокорадиоактивной среде ведут себя не так, как предсказывалось, задачи этого сооружения сочли выполненными и заглушили его уже к середине 1963 года.

Следующий проект АНЛ, экспериментальный реактор-размножитель бассейнового типа EBR-2 на металлическом ВОУ-топливе, начали строить в 1958 году. Новичок достиг критичности в 1961 году и показал осуществимость реактора-размножителя с натриевым охлаждением как источника электроэнергии, честно проработав 30 лет, до 1994 года. В его комплекс входила установка топливного цикла (УТЦ), которая в 1964–1969 годах перерабатывала топливо для его повторного использования. Но задачи переработки топлива и контроля состояния реактора пришлось отложить на будущее.

EBR-2 был разработан с прицелом на замкнутый ядерный цикл — при его создании официально декларировались полная переработка отработавшего топлива, выделение из него остаточного урана и плутония и повторное использование этих изотопов на площадке EBR-2. Сразу скажем, что ничего из этого реализовать не удалось. Зато на EBR-2 полностью отработали технологию жидкого натриевого охладителя и впервые реализовали систему пассивной безопасности, наличие которой сегодня обязательно для всех новых проектов реакторов.

В 1947 году Уолкер Кислер, президент и гендиректор компании Detroit Edison, серьезно воодушевился идеей индустрии атомной генерации с реакторами на быстрых нейтронах. Так начались контакты между частным гражданским бизнесом и «чисто военной» Комиссией по атомной энергии. Исследование Dow-Detroit Edison, проведенное с подачи У. Кислера, показало потенциал атома для производства энергии, «даже если сами реакторы пока еще недостаточно экономичны для этого». А в следующем, 1952 году У. Кислер занялся организацией разработки проекта реактора-размножителя на быстрых нейтронах мощностью 66 МВт с натриевым охлаждением, на топливе из ВОУ, названного в честь Э. Ферми.
Experimental Breeder Reactor II
Систему пассивной безопасности EBR-2 все же протестировали в апреле 1986 года, за пару недель до аварии на ЧАЭС. Вначале отключили главные насосы системы охлаждения первого контура. Не включая аварийных систем охлаждения, реактор на полной тепловой мощности удалось заглушить всего за пять минут.

В тот же день отключили насосы первого (натриевого) контура, а потом расход водного теплоносителя во втором контуре. Но реактор вышел в полное охлаждение за счет поглощения тепла конструкцией, а также нагрева и частичного кипения натрия.

Однако в 1994 году, всего за три года до завершения проекта, Конгресс закрыл его. УТЦ преобразовали в установку для электрохимической обработки отработавшего топлива EBR-2 с целью его захоронения в национальном геологическом хранилище. Эта обработка нужна, так как топливо содержит натрий, реагирующий с водой с образованием водорода. В соглашении Лаборатории со штатом Айдахо говорится, что топливо приведут в нужное состояние к 2035 году.


на фото: Машинный зал Experimental Breeder Reactor II
Запуск Ферми-1 провели уже в 1957 году, а в 1963-м он достиг критичности, но в октябре 1966 года случилась авария — частичное расплавление двух топливных сборок из-за блокирования перекачки натрия куском циркония, который оторвался от топливной сборки. В этих двух сборках топливо сместилось, а еще семь сборок разбухли из-за перегрева. Ремонт занял почти четыре года. Но в 1972 году последовал отказ от продления лицензии на эксплуатацию реактора, а еще через три года этот проект закрыли окончательно, признав его коммерческую неудачу.

Зато Ферми-1 дал импульс программе разработки быстрого жидкометаллического размножающего реактора, который намеревались коммерциализовать еще до конца века. Это был поиск ключа к эффективному переходу программы быстрых размножающих реакторов от стадии разработки технологии к крупномасштабному коммерческому использованию.

Выводы из опыта эксплуатации быстрых реакторов были ожидаемы: необходимо продолжить эксперименты.

Переход от удачного EBR-2 к демонстрационному реактору на Клинч-Ривер (еще один неосуществленный проект) не получится осуществить «одним прыжком», решила в 1965 году Комиссия по атомной энергии. Нужен реактор с промежуточной мощностью для проверки топлива. К тому же в 1960-х годах атомщики решили обратиться к керамическому топливу из смешанных оксидов — МОХ-топливу, смеси оксидов плутония и урана. На этом топливе в Арканзасе заработал Юго-западный экспериментальный быстрый реактор на оксидах (SEFOR, Southwest Experimental Fast Oxide Reactor) мощностью 20 тепловых мегаватт с натриевым охладителем.

Его построила и эксплуатировала General Electric по заказу Комиссии по атомной энергии. На SEFOR исследовали рабочие характеристики реактора с МОХ-топливом, в частности, изучали влияние доплеровского коэффициента тепловой обратной связи в МОХ-топливе, позволяющего работать при температурах выше допустимых для металлического топлива.

Теория подтвердилась: отрицательный температурный коэффициент реактивности, связанный с применением топлива на смеси оксидов, действительно повышает безопасность быстрых реакторов в аварийных условиях, включая возрастание температуры топлива. На этом все закончилось: SEFOR заглушили, топливо и охладитель удалили, реактор передали университету Арканзаса, который никогда его не запускал.

Fast Flux Test Facility
Опытная установка FFTF с быстрым потоком мощностью 400 МВт (тепловых) была построена в 1974 году. Это был быстрый реактор с МОХ-топливом и натриевым охлаждением, не имевший бланкета для размножения дополнительного плутония.

До апреля 1992 года на FFTF проверяли разные аспекты конструкций и эксплуатации, в том числе возможности пассивного удаления тепла радиоактивного распада из активной зоны реактора путем конвекции охладителя из жидкого натрия.

После неудачи с реактором Клинч-Ривер от установки пользы было мало, а производство радиоактивных изотопов для применения в медицине или оружейного трития оказалось неэффективным. И в 1993 году опытную установку заглушили.

на фото: Макет ядра Fast Flux Test Facility
Милтон Шоу и жидкометаллические реакторы
Бодрый старт американской бридерной программы прервался во многом из-за недочетов конструкции Ферми-1 и недостаточного понимания специфики поведения материалов в потоке высокоэнергетических нейтронов. Но не только по этим причинам.

Еще в 1960 году Комиссия по атомной энергии рекомендовала правительству программы разработки быстрого жидкометаллического размножающего реактора (Liquid Metal Fast Breeder Reactor, LMFBR) для крупномасштабного коммерческого использования. За эту программу в 1960-х годах тоже отвечал М. Шоу, старый протеже адмирала Х. Риковера.

Национальные лаборатории к этому времени разработали массу реакторов, от кипящих до ториевых жидкосолевых и высокотемпературных газоохлаждаемых. Вопросы их безопасности становились все насущнее. Но именно тогда Комиссия сократила исследования вопросов безопасности, в частности того, как топливные стержни поведут себя при аварии с потерей охладителя. Ученые и инженеры национальных лабораторий хотели спроектировать максимально вероятную аварию потери охладителя гражданским легководным реактором.

Но М. Шоу был убежден, что толку от таких экспериментов немного. Легководные реакторы он считал вполне зрелой технологией, для безопасности которой достаточно строгого контроля качества компонентов, обучения операторов предотвращению ошибок, толстых книг с нормативами для каждой детали реакторов и тщательного надзора, а внимание надо сосредоточить на вопросах безопасности реактора следующего поколения, то есть реактора-размножителя.

Таким образом, моделирование безопасности, наряду с разработкой испытательного оборудования, в 1968 и 1969 годах было прекращено, а финансирование перешло к программе жидкометаллических быстрых реакторов (LMFBR). В июле 1967 года Конгресс США одобрил строительство Опытной установки с быстрым потоком (Fast Flux Test Facility, FFTF) со сметой $87,5 млн, а в Аргонне был создан офис управления LMFBR, непосредственно подчиняющийся M. Шоу.

Решение M. Шоу стало песчинкой, вызвавшей настоящую лавину, которая похоронила программу реакторов-размножителей на быстрых нейтронах. Против прекращения исследований в области безопасности выступили многие исследователи и инженеры во главе с директором Окриджской Национальной лаборатории Элвином Вейнбергом. В знак протеста против политики М. Шоу в 1971 году подал в отставку глава Комиссии по атомной энергии Гленн Сиборг, лауреат Нобелевской премии, стоявший у истоков ядерной физики и ядерной медицины.

В 1972 году М. Шоу разбил бюджет по исследованиям безопасности реакторов — все $53 млн — на равные доли: половину он ассигновал на вопросы безопасности легководных реакторов, которых было в США уже сто, а другую половину — на реакторы-размножители, которых в коммерческой эксплуатации не было вовсе. Этот компромисс никого не устроил.

Итогом всей этой реструктуризации реакторных программ Комиссией по атомной энергии в 1970 году была потеря импульса как для разработки реактора-размножителя, так и для исследований вопросов безопасности реакторов. Возмущенные исследователи и инженеры массово уходили в антиядерное движение, перспективные исследования и разработки реакторов практически сошли на нет, а легководные реакторы остались единственным вариантом гражданской атомной энергетики. Так разработанная М. Шоу стратегия финансирования только тех исследований, которые связаны с LMFBR, создала нехватку инноваций в американской атомной отрасли.

И в 1973 году Комиссия по атомной энергии сдалась — образовала отдел по исследованиям безопасности реакторов и приняла ответственность за исследования по легководным реакторам. Спустя несколько недель М. Шоу ушел в отставку, а в 1974 году Конгресс разделил Комиссию по атомной энергии на Комиссию по атомному регулированию (NRC) и Управление по энергетическим исследованиям и разработкам, позднее подчиненное министерству энергетики.

Но было поздно. В 1969 году родился Союз обеспокоенных ученых, за ним пошли многочисленные антиядерные группы и защитники окружающей среды. Родился термин «плутониевая экономика». Этот ярлык приклеили ко всей программе энергетических быстрых реакторов-размножителей. (Злые языки и по сей день называют этот уничижительный ярлык плодом деятельности лоббистов углеводородной энергетики, встревоженных перспективами энергетических быстрых реакторов.)

А что же жидкометаллические быстрые реакторы? В коммерческую эксплуатацию первый LMFBR предполагалось пустить в 1984 году.

Еще в 1967 году LMFBR был крупнейшей разработкой гражданской энергетики и оставался таковой до 1977 года, когда президент Джимми Картер добился снятия демонстрационного проекта размножающего реактора на Клинч-Ривер. Этот проект, поглотивший более миллиарда долларов, так и не был реализован, причем не столько из-за его расчетной высокой стоимости, сколько по политическим причинам. Но не будем забегать вперед.

PRISM
В 1984 году в АНЛ началась разработка концепции интегрального быстрого реактора (IFR); EBR-2 и УТЦ превратились в исследовательскую и демонстрационную установки.

Идея оказалась так привлекательна, что время от времени возрождается в виде довольно многообещающих проектов; один из примеров — PRISM компании GE Hitachi Nuclear.

… И другие
В США разрабатывались и другие типы быстрых реакторов. Например, быстрый размножающий реактор с газовым (гелиевым) охлаждением и без графитового замедлителя, который продвигала General Electric. И два типа реакторов на тепловых нейтронах: легководный размножающий реактор и размножающий реактор на расплавленных солях.

Размножающие реакторы на быстрых нейтронах были предназначены для получения плутония из 238U, а конструкции размножающих реакторов на тепловых нейтронах оптимизированы на получение ²³³U из ²³²Th.

Еще один реактор-размножитель — на этот раз на расплаве солей — предложили Эд Беттис и Рэй Брайант из Окриджской Национальной лаборатории.

Тогда, в начале 1950-х годов, на гребне атомной романтики пытались разработать самолет на атомной энергии. Был предложен реактор, в котором топливо и охладитель находятся в расплаве смесей солей фторидов. Соль протекает через активную зону реактора, через промежуточный теплообменник и затем снова попадает в активную зону.

В Окридже даже построили два таких реактора: самолетный прототип мощностью 1,5 тепловых мегаватта (проработал 100 часов в октябре 1954 года) и более серьезное устройство, Molten-Salt Reactor Experiment (MSRE) мощностью 7,4 тепловых мегаватта. Его работа в 1965–1969 годах доказала техническую осуществимость бридера на расплаве солей. Но было ясно, что до реализации этой привлекательной идеи придется решить массу технологических, инженерных и научных проблем.

Тогда за дело взялись с размахом и всерьез: в 1972 году ОНЛ предложила объединить эксперименты с реакторами-размножителями на расплавах солей в крупную 11-летнюю программу разработки, оценив ее в $350 млн. Одновременно шла работа над уже упоминавшейся программой жидкометаллического быстрого реактора, которую мы не станем здесь разбирать за отсутствием результатов.

Финансирование этой программы в 1948–1974 годах составило примерно $1,8 млрд, и она камнем легла на пути жидкосолевых разработок. Окриджской лаборатории приказали прекратить возню с жидкосолевым размножителем. Но в следующем, 1973 году ОНЛ представила более глубоко проработанное предложение потратить вдвое больше — примерно $720 млн в течение 11 лет. Его снова отклонили и снова приказали закрыть это направление.

Черный день — формальный и фактический отказ от приостановленной ранее программы разработки реакторов на быстрых нейтронах — настал в 1983 году. Правда, министерство энергетики сохранило программу пирообработки 3,35 метрической тонны отработавшего и залитого натрием топлива EBR-2 и FFTF в Национальной лаборатории Айдахо. В 2006 году министерство энергетики провело оценку обработки этим способом оставшихся 2,65 тонны такого топлива за восемь лет за $234 млн, включая обработку отходов и их удаление. Расчетная стоимость переработки килограмма отходов достигла $88 тыс.

Аргоннская национальная лаборатория и Управление программой ядерной энергии в министерстве энергетики все еще ищут пути для разработки реакторов на быстрых нейтронах в США. Интегральную концепцию быстрых реакторов они поддерживают и сами, и через Международный форум IV поколения, и с помощью различных инициатив типа Глобального партнерства по ядерной энергии (ГПЯЭ). До сих пор, однако, эти инициативы содержали в основном исследования на бумаге.

Нет худа без добра, заявляют оптимисты: резкое сокращение финансирования исследований и разработок по быстрым реакторам привело к усилению международного сотрудничества в этой области. Так что если «философский камень» и будет найден, то лишь общими усилиями и на общее благо.
Пуск Molten-Salt Reactor Experiment (MSRE) мощностью 7,4 тепловых мегаватта
Изгнание демонов «плутониевой экономики»
В 1962 году Комиссия по атомной энергии опубликовала доклад, встреченный учеными и обществом с небывалым энтузиазмом. В докладе указывалось, что быстрые реакторы-размножители — наряду с тепловыми реакторами-размножителями, использующими ²³³U и ²³²Th, — могут обеспечить достаточное количество расщепляющегося материала для топлива атомных электростанций на сотни и даже тысячи лет.

Эти радужные перспективы обрадовали не всех. Сегодня мы задним числом можем проследить ход операции по демонизации плутония и реакторов-размножителей на быстрых нейтронах.

Антиядерные настроения к концу 1960-х годов многократно умножились, выступления и демонстрации за мир исчислялись сотнями, но политики США были вынуждены прислушаться к обществу не только по этой причине. Дело в том, что на рубеже 1970-х годов в стратегических ядерных вооружениях между СССР и США сложился примерный паритет, и США перестали чувствовать себя неуязвимыми.

В 1968 году был заключен Договор о нераспространении ядерного оружия. И в США практически сразу же развернулись дискуссии об угрозе, которую программа бридеров представляет для режима нераспространения, поскольку в этой технологии происходит наработка плутония — одного из самых смертоносных веществ, известных человеку, если он используется при взрыве атомной бомбы. Многочисленные публикации подчеркивали смертельную опасность этого вещества и угрозу, которую оно несет человечеству.

Администрации Джеральда Форда, а затем и Д. Картера провозгласили нераспространение приоритетом в развитии ядерной энергетики. В апреле 1977 года президент США Д. Картер призвал отложить на неопределенный срок строительство коммерческих быстрых реакторов. Федеральное правительство запретило использование плутония в коммерческих силовых установках из-за угрозы режиму нераспространения.

Работы по созданию замкнутого ядерного топливного цикла прекратились. Остановились и разработки реакторов на быстрых нейтронах, в которых США занимали передовые рубежи. Готовое оборудование АЭС с реактором на быстрых нейтронах в Клинч-Ривер демонтировали. Стали накапливаться проблемы с хранением отработавшего ядерного топлива и радиоактивных отходов. А главное — произошла потеря опыта и ядерных знаний.

Другая составляющая кампании (а она идет и по сей день) заключалась в том, чтобы сделать плутоний максимально коммерчески непривлекательным. Публику подталкивали к выводу, что если слишком дорого использовать в топливном цикле плутоний, который уже почти чист, то еще дороже будет разработать и реализовать топливный цикл, который начинается с отработавшего топлива.

Ведь переработка использованного топлива в сравнении с уже чистым материалом потребует еще нескольких этапов, утверждают ученые Принстона и Массачусетского технологического института, составляющие костяк Союза обеспокоенных ученых.

Еще одним последствием демонизации бридеров стала приостановка действия Соглашения об утилизации плутония, заключенного между США и Российской Федерацией в 2000 году и ратифицированного в 2011 году. В этом соглашении стороны изъявляли готовность утилизировать по 34 тонны оружейного плутония. Сделать это предлагалось путем необратимого перевода плутония в иные формы, в том числе в МОХ-топливо, или иначе. Начало утилизации планировалось на 2018 год.

В России для производства МОХ-топлива для реакторов БН-800 выбрали площадку на Горно-химическом комбинате в Железногорске. Производство запустили в 2015 году. Обошлось это в 7 млрд руб.

В США строительство завода по произвозству МОХ-топлива из плутония MFFF (Mixed Оxide Fuel Fabrication Facility) со сметой в $5 млрд в Саванна-Ривер началось в 2007 году силами Duke Cogema Stone (ныне — Shaw-AREVA MOX Services), но с 2013 года проект испытывает проблемы с финансированием. Строительство остановлено на уровне готовности около 70 %. Ежегодно на поддержку проекта уходит еще $350 млн, а на достройку потребуется (оценочно) $17 млрд.

Министерство энергетики США заявляет о неудачном проекте, о вине подрядчика, но не берет на себя ответственность за провал и, уж конечно, молчит о том, что США упустили время и не обладают технологиями реакторов на быстрых нейтронах, которые могли бы использовать подготовленное МОХ-топливо. Отраслевые аналитики, однако, считают, что министерство сделало все, чтобы проект так и не был реализован.

Совпадение это или нет, но строительство встало после назначения Эдварда Мониза министром энергетики. Э. Мониз назначил начальником штаба бывшего президента Союза обеспокоенных ученых Кена Кноблоха. Последние 30–40 лет утверждалось, что превращение плутония в МОХ-топливо для легководных реакторов на порядки дороже, чем обогащение природного урана и производство обычного низкообогащенного уранового топлива. И Э. Мониз с К. Кноблохом, похоже, посвятили свои труды реализации этого самосбывающегося пророчества.

Также они приложили усилия к вытеснению потенциально более ценного варианта повторного использования плутония — топлива из металлического сплава для быстрых реакторов. Философский камень выгоден всем, кроме золотодобытчиков.

У них все получилось. Именно Э. Мониз с К. Кноблохом выдвинули проект разбавления плутония неким секретным составом и его последующего захоронения (что тоже не было реализовано).

Дальнейшее хорошо известно. В связи с тем что американская сторона оказалась не готовой к реализации Соглашения и не смогла обеспечить его технологически, 3 октября 2016 года президент России подписал законопроект о приостановлении Соглашения с США о переработке оружейного плутония.
При подготовке статьи использовались материалы:
– Pool R. Beyond engineering: Searching for safety // Oxford University Press. 1997.
– Cochran T., FeivesonH., Hippel F. von. Fast Reactor Development in the United States // Science and Global Security. 2009. № 17. Р. 109–131.
– Hippel F. von. The Rise and Fall of Plutonium Breeder Reactors // International Panel on Fissile Materials. 2000.
– Rofer C. Milton Shaw — How Someone You've Never Heard Of Shaped Nuclear Power in America (статья по материалам E. Rophe. «Regulation of Nuclear Power: The Case of the Light Water Reactor. RAND Report R-2104-NSF, June 1977).
– Adams R. Atomic Insights.
– Публикации NRC.


ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ НОМЕРА