БЕСЕДОВАЛА ОЛЬГА ГАНЖУР
«Сначала мы восходим к аксиомам»
Сегодня только ленивый не говорит о том, что атомной энергетике нужна новая технологическая платформа — иначе масштабного будущего у нее нет. Но однозначного решения о том, какие технологии лягут в основу этой платформы, пока нет. Ведущий сотрудник НИЦ «Курчатовский институт», специалист в области физики конденсированных сред и реакторных материалов Александр Шимкевич в интервью «Атомному эксперту» критикует самые популярные проекты: БН‑1200 и БРЕСТ-ОД‑300.

Политика редакции заключается в том, чтобы предоставлять экспертам в сфере ядерных технологий площадку для высказывания мнений, даже неоднозначных и категоричных. На наш взгляд, открытая и честная дискуссия профессионалов по ключевым вопросам стратегии развития отрасли необходима для того, чтобы обеспечить ее процветание.

Александр Львович, какие реакторы кажутся вам наиболее перспективными для создания новой технологической платформы отрасли?

Прежде всего я хотел бы обратиться к терминологии. Формирование новой технологической платформы подразумевает более важные вещи, чем разработка новых типов реакторов. Предстоит понять не только то, что необходимо сделать, но и то, как это сделать наилучшим образом.

Еще Демокрит утверждал: «Суть дела не в полноте знания, а в полноте разумения». Это понятие включает и понимание, и умение. Ни того ни другого в отношении новой платформы отрасли у нас пока нет. Во-первых, нет глубокого понимания того, чтó происходит в данной системе; во‑вторых, мы не знаем точно, как ее усовершенствовать.

Приведу цитату из Фрэнсиса Бэкона, который, собственно, и ввел термин «инновация»: «Сначала восходят к аксиомам, а потом спускаются к практике». Без предварительных фундаментальных исследований, которые детально прояснили бы механизмы процессов, протекающих в разрабатываемых реакторных системах, создать новую технологическую платформу мы не сможем. К сожалению, подобные исследования сейчас не ведутся.


Но, например, по быстрым натриевым реакторам большой опыт в России накоплен — зачем еще фундаментальные исследования?

В качестве теплоносителя для реакторов типа БН предлагается чистый натрий — эта концепция принята во всем мире. Между тем использование натриевого теплоносителя связано с серьезными проблемами. И главная из них — это высокая химическая активность натрия.

При выходе из первого контура радиоактивный натрий вступает в химическую реакцию с окружающей средой, с воздухом, и потом практически вся эта активность распространяется в виде аэрозолей. Натрий горит. Я участвовал в экспертизе проекта БН‑1200, там была достаточно большая команда, человек 25. Было много критических замечаний относительно этого проекта, и больше всего — по отношению к теплоносителю. До тех пор пока не поменяют теплоноситель, ничего хорошего не получится. Это не мой вывод.

На мой взгляд, все дело в том, что натрию приходится одному решать все физико-химические проблемы теплоносителя. Он, как неполноценная семья, где ребенка воспитывает только один родитель, испытывает большие трудности. Теплоноситель должен иметь две полярные компоненты: одна отдает, а другая принимает электроны. Применительно к натриевому теплоносителю — в нем должен быть также тяжелый металл, который обладает свойством принимать на себя валентные электроны натрия и тем самым понижать химическую активность сплава в целом.

В ФЭИ в свое время предложили разбавлять натрий свинцом: если натрий выливается наружу с добавками свинца, то происходит автоматическое гашение натриевого пожара. В теплоносителе за счет свинца образуется тонкая пленочка, тормозящая переход натрия в воздушную среду и предотвращающая химическое взаимодействие. Свинец также резко повышает температуру кипения сплава — вскипание и осушение активной зоны можно подавить, тяжелую аварию — исключить. Если использовать эвтектические сплавы из полярных металлов, то они будут гораздо лучше себя вести в реакторе, обеспечат бóльшую безопасность, более эффективное использование всех возможностей двойного сплава.

Это же можно сказать и о свинцовом теплоносителе. При работе на чистом свинце возникает масса технологических трудностей. Их можно преодолеть, и сегодня их преодолевают, но какой ценой? Приходится создавать дополнительные системы поддержания заданного качества теплоносителя, что очень дорого и на этапе сооружения, и во время эксплуатации. Но если добавить в свинец, например, магний до эвтектического состава сплава, то исключаются защитные оксидные пленки на поверхности твэлов и системы их «залечивания». Такой сплав прекрасно смачивает поверхность твэлов, обеспечивая тепловой контакт с горячей поверхностью и эффективный унос тепла.

Я привел два примера, которые говорят о том, что в «быстрой» тематике далеко не все фундаментальные вопросы решены. Мы могли бы их решить, если бы время позволило и не так напряженно мы бы все это внедряли.
Molten-Salt Reactor Experiment (MSRE), 8 МВт, Окриджская Национальная Лаборатория США — уран-ториевый реактор-размножитель на тепловых нейтронах с графитовым замедлителем и отражателем, работал 25 000 часов
Справка

Жидкосолевые реакторы (ЖСР), или реакторы на расплавах солей, — один из видов ядерных реакторов, в которых основой охлаждающей жидкости является смесь расплавленных солей (фториды актинидов). Они могут работать при высоких температурах, сохраняя при этом низкое давление.

В некоторых проектах таких реакторов ядерное топливо тоже жидкое и является одновременно теплоносителем, что упрощает конструкцию реактора и уравнивает выгорание. Свежее топливо в такой реактор можно добавлять при работе на мощности, для удаления продуктов деления остановка тоже не требуется. В ЖСР можно дожигать долгоживущие отходы, в том числе минорные актиниды.

Первый такой реактор ARE (Aircraft Reactor Experiment) мощностью 3 МВт был построен в 1954 году в Окриджской национальной лаборатории США, но проработал всего девять дней. Десятью годами позже там же построили установку MSRE (Molten-Salt Reactor Experiment) мощностью 8 МВт. В качестве топлива использовали раствор фторидов урана и тория (UF4 и ThF4) в расплаве соли 2LiF-BeF2. Он проработал пять лет, но технологию в США признали бесперспективной и программу исследований закрыли. Прочие проекты жидкосолевых реакторов существуют только на бумаге.

Сегодня разработки по реакторам на расплавах солей ведутся в нескольких странах. В Китае в 2012 году утверждена программа развития ториевой атомной энергетики с начальным финансированием $350 млн. В рамках программы планируется построить ЖСР мощностью 5 МВт в 2020 году.

Индия осуществляет многолетнюю трехступенчатую программу, в рамках которой сначала планируется создать быстрый уран-плутониевый реактор, освоить наработку на нем ²³³U, а затем создать торий-урановый ЖСР.

В Японии в 2010 году Toshiba, Toyota и Hitachi объединились в консорциум для разработки подкритического ЖСР мощностью 10 МВт (программа FUJI). Начальное финансирование проекта — $100 млн.

В США исследованиями по жидкосолевой тематике занимаются три стартапа: FLIBE ENERGY, TRANSATOMIC POWER Corp., ThorCon Power.

Канадская компания Terrestial Enery Inc. (совместно с Oak Ridge Lab., USA) подготовила технический проект ЖСР мощностью 80 МВт. Сейчас он проходит процедуру лицензирования. Пуск первого коммерческого реактора такого типа запланирован на 2024‒2025 годы.

В Европе нет ни одного поддержанного финансированием проекта строительства исследовательской установки. Ведутся разнообразные поддерживающие исследования программы: ALISIA (выбор топливной соли), MOST (трансмутация), EVOL (разработка быстрого ториевого ЖСР), SNETP (топливный цикл), SAMOFAR (проблема безопасности ЖСР), SPHINX (трансмутация радиоактивных отходов), MOLTEX SSR (хлоридные соли), SWAB (трансмутация). В этих программах участвуют ученые из 12 стран.
Я впервые слышу про свинцово-натриевый и свинцово-магниевый теплоносители. На какой стадии эти исследования?

В ФЭИ проводились исследования с добавками в натрий свинца. Применялись самые современные методы исследования микроструктуры таких сплавов: молекулярно-динамическое моделирование и нейтронная спектрометрия в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне на быстром импульсном реакторе. Результаты натурных и численных экспериментов подтвердили, что использование двухкомпонентной системы в эвтектическом составе предпочтительно.


Почему же эти результаты не нашли применения в проектах быстрых реакторов БН‑1200 и БРЕСТ-ОД‑300?

Для принятия решения о смене теплоносителя требуются дополнительные НИОКР. Как правило, на них уходит не меньше 10 лет. И никто на это не соглашается. А жаль: может быть, мы действительно немножко потеряли бы во времени, больше потратили на НИОКР, но это окупилось бы на практике.

По-моему, нужно исходить из посыла, который еще Гельвеций предложил: знание принципов возмещает незнание некоторых фактов. Если мы знаем и правильно понимаем, разумеем самую суть дела, то нам легче реализовать новое и технически, и качественно.


Но тех, кто не соглашается, вполне можно понять: есть расхожее мнение, что если через 10 лет не построить какой-то другой тип реактора, то мы утонем в отходах, топливо закончится и атомная энергетика потеряет свои позиции. Вы согласны?

Нет. Во-первых, нам не нужны очень высокие темпы наращивания мощностей. Сейчас у нас избыток энергии. Биткойны добывают, блокчейны строят — это все от избытка энергии. Во-вторых, быстрого накопления отходов не будет, если темп наращивания мощностей не вырастет. В-третьих, создание атомной энергетики на основе быстрых реакторов мне вообще не представляется сейчас лучшим вариантом.

Ведь в чем недостатки быстрых реакторов? В них идет интенсивное накопление активности за более короткий срок — раз. В них происходит интенсивное нагружение оболочек твэлов всевозможными дефектами — два. Эксплуатация твэла в реакторе будет существенно ограничена по срокам — три. Обогащение существенно выше, чем в топливе тепловых реакторов — четыре. Поэтому при переработке мы будем многократно возвращать в реактор не отработавшее топливо.

Быстрый реактор как наработчик топлива для других типов установок не функционирует. Чтобы перерабатывать ОЯТ этого реактора даже для его собственных нужд, приходится рядом с ним строить фабрику. Высокоактивное ОЯТ мы перевезти никуда не можем, мы должны перерабатывать его на месте. Мы получаем не энергоблок, а целый энергокомплекс. Натуральное хозяйство в прямом смысле: сам производит, сам перерабатывает, сам съедает. Это экономически совершенно невыгодно. Разделение труда — ключевой фактор продвижения всех новых технологий.

Чем хорош тепловой реактор? Он не только «съедает» все, что мы в него вложили, но и еще чуть-чуть добавляет нового, потому что у него коэффициент воспроизводства 0,6. У ОЯТ меньшая активность, и мы с ней можем работать, перерабатывать топливо, технологии для этого уже созданы. Но речь идет не о пристанционном цикле: перерабатывать топливо одного реактора невыгодно никогда, потому что его мало; перерабатывать надо топливо сразу со всех реакторов в едином центре. Чем больше ОЯТ идет на переработку, тем выгоднее технология.

Я полагаю, что новую технологическую платформу следовало бы нацелить на создание международного центра по переработке ОЯТ тепловых реакторов; это может оказаться гораздо более перспективным, чем строить быстрые реакторы. По-моему, развитие должно идти именно в этом направлении: создание базы, где будет перерабатываться топливо, создаваться новое топливо, и будут выжигаться радиоактивные отходы.
Кстати, к вопросу о выжигании. Без быстрых реакторов разве сможем мы отходы выжигать?

Да, вы правы, нужен быстрый реактор. В этом смысле я не против, более того, считаю, что это лучшее решение вопроса с РАО.

Для выжигания отходов нам нужны избыточные нейтроны, эти нейтроны сегодня лучше всего получать в быстром реакторе. Но он должен функционировать именно как источник нейтронов, а не как энергетический реактор. Можно делать, к примеру, небольшие, 100-мегаваттные бридеры открытого типа. Они не держат нейтроны внутри активной зоны, выбрасывают их наружу. А окружен этот реактор бланкетом, где нейтроны выжигают отходы.

Если говорить о свинцовых быстрых реакторах, то вместо реактора с гетерогенной зоной, который сегодня рассматривается, можно сделать свинцовый реактор с жидкосолевой зоной (см. Справку). Жидкосолевой реактор можно подпитывать ОЯТ, не останавливая для перегрузки. Можно организовать процесс непрерывного извлечения РАО. Если их еще и разделять, то можно выделять радионуклиды, которые сегодня широко используются, и продавать их.


Звучит здорово, но почему готовый проект БРЕСТ-ОД‑300 вам кажется неудовлетворительным?

В нашей стране никогда не строили маленьких свинцовых реакторов. Натриевая тематика развивалась ведь очень правильно: сначала был БР‑5, потом — БР-10, БОР‑60, БН‑350, БН‑600, БН‑800. Эта цепочка — накопление опыта, знаний, информации, обеспечивающая предсказуемость поведения реактора.

БРЕСТ-ОД-300 — очень большая система, это уже энергетический блок. С моей точки зрения, это очень рискованное дело. БРЕСТ — это двухконтурная установка: свинец — и сразу парогенератор, омываемый свинцом. Причем не предполагается, что парогенератор герметичный, могут возникать течи. Это означает, что пар будет попадать в свинец. Предполагается, что он будет сепарироваться, но пока неясно, насколько. Не исключена возможность, что часть пара будет попадать в активную зону. Это приведет к образованию пузырьков на поверхности твэлов. При высокой напряженности теплового потока мы получим горячие пятна, которые могут привести к разрушению твэлов. Кстати, все аварии на свинцово-висмутовых реакторах происходили именно по этому сценарию. Вот откуда мои сомнения в целесообразности этого направления.
Давайте попробуем суммировать все, о чем мы говорили, и представим такую ситуацию: вы отвечаете за формирование концепции новой технологической платформы. Какие НИОКР вы будете проводить, какую реакторную технологию прежде всего будете рассматривать, какое топливо?

Конечно, быстрые реакторы, но в целевом исполнении для нейтронного источника. Создание международного центра по переработке ОЯТ. Жидкосолевые технологии для переработки и выжигания РАО. Все эти направления потребуют довольно длительных НИОКР.

И в этой связи я бы вот на что хотел обратить внимание. У нас в стране сегодня политика такова: фундаментальными исследованиями должны заниматься вузы. За рубежом такая схема успешно работает: амбициозная, активная молодежь используется как дешевая рабочая сила, профессура очень компетентна. Но они работают эффективно потому, что корпорации их подпитывают, дают им заказы.

У нас такая система работать не будет, пока не будет создана соответствующая инфраструктура. Традиционно основные исследовательские силы у нас сосредоточены в академических и отраслевых институтах, но их государственное финансирование существенно сокращается. Я считаю, что корпорации должны быть крайне заинтересованы в поддержке таких исследований. Я начал разговор с цитаты из Фрэнсиса Бэкона: «В любой инновации сначала восходят к аксиомам, а затем спускаются к практике». Восходить к аксиомам — значит вести фундаментальные исследования, без них нам не обойтись при разработке инновационных проектов.

ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ НОМЕРА