Быстрые и тепловые реакторы поработают в паре

Текст: Ольга Ганжур

Почти все атомщики признают, что без быстрых реакторов будущее атомной энергетики невозможно. А что будет с тепловыми установками? Концепция внедрения бридеров еще не выбрана, но, кажется, чаша весов постепенно склоняется в сторону двухкомпонентной системы

Быстрые и тепловые реакторы поработают в паре
Текст: Ольга Ганжур

Почти все атомщики признают, что без быстрых реакторов будущее атомной энергетики невозможно. А что будет с тепловыми установками? Концепция внедрения бридеров еще не выбрана, но, кажется, чаша весов постепенно склоняется в сторону двухкомпонентной системы.
В сегодняшней России сложились две основные концепции развития ядерной энергетики. Обе подразумевают замыкание ядерно-топливного цикла, но на основе разных технологий. Первая концепция — двухкомпонентная. Она предполагает вовлечение быстрых реакторов в уже сложившуюся систему, основанную на тепловых установках.

Бридеры в такой системе будут не только вырабатывать электроэнергию, но и решать проблемы ядерной энергетики: уничтожать долгоживущие высокоактивные РАО и нарабатывать материалы для воспроизводства топлива. В эту концепцию вписываются реакторы с натриевым теплоносителем. Продвигает парадигму двухкомпонентной системы концерн «Росэнергоатом». Он делает ставку на проект реактора БН-1200 с коэффициентом воспроизводства 1,2 — то есть одна такая установка будет производить топливо для себя и для двух реакторов типа ВВЭР. При этом БН-1200 работает на MOX-топливе, а ВВЭР — на оксидном топливе и частично на MOX.

Вторая концепция — однокомпонентная — воплощена в проекте «Прорыв». Тут нет места тепловым реакторам. Реактор со свинцовым теплоносителем работает на нитридном топливе с коэффициентом воспроизводства выше единицы. Концепция предполагает, что по мере истечения срока эксплуатации тепловые реакторы постепенно будут уходить из энергосистемы, им на смену придут быстрые ректоры.

БРЕСТ на пике популярности
В 2010 году, когда работы по созданию новой технологической платформы в рамках ФЦП «Ядерные энерготехнологии нового поколения на период 2010–2015 годов и на перспективу до 2020 года» только начинались, в руководстве Росатома приоритетной считалась первая концепция.

Петр Щедровицкий, занимавший в то время должность заместителя гендиректора госкорпорации по стратегическому развитию и возглавлявший дирекцию по научно-техническому комплексу, писал: «Проект создания новой технологической платформы (НТП) предусматривает развитие натриевой технологии в реакторостроении (БН-реакторы), в первую очередь, в направлении оптимизации технико-экономических характеристик АЭС на базе этого типа реактора <…> Необходимым требованием для перехода на НТП является формирование эффективного замыкания ЯТЦ, включая разработку и внедрение промышленной технологии переработки ОЯТ как тепловых, так и быстрых реакторов» 1.

Стоит отметить, что на ранних стадиях разработки ФЦП строить опытно-демонстрационный энергокомплекс на базе реактора БРЕСТ-ОД-300 не предполагалось вовсе. Финансирование планировалось направить на разработку коммерческого БН, проектов свинцового и свинцово-висмутового быстрых реакторов (СВБР) малой мощности (100 МВт), а также плавучей АЭС 2.

В сентябре 2011 года работы по созданию новой технологической платформы объединили в проекте «Прорыв». В 2013 году в ФЦП внесли изменения: СВБР было решено создавать за счет собственных средств, а бюджетное финансирование перебросить на строительство ОДЭК с БРЕСТ-ОД-300 3. Научным руководителем «Прорыва» стал Евгений Адамов, который в прошлом выступал критиком быстрых реакторов с натриевым теплоносителем. На первом этапе его позиция была достаточно жесткой и однозначной: от натрия надо отказываться по причине его высокой горючести. «В одном пожаре натриевого реактора сгорит вся атомная энергетика» — такие слова приписывают Адамову.
Проект «Прорыв»
Проект «Прорыв» осуществляется в рамках федеральной целевой программы «Ядерные энерготехнологии нового поколения на период 2010‒2015 годов и на перспективу до 2020 года». То есть все исследования, а также закупка оборудования в рамках «Прорыва» финансируются в основном за счет госбюджета России.
Деньги направляются через блок управления инновациями Росатома, в качестве системного интегратора выступает «ИТЦП «Прорыв», который координирует проведение тематических НИР и ОКР, отчитываясь по итогу перед БУИ.
В рамках проекта «Прорыв» разрабатываются два реактора на быстрых нейтронах: с натриевым теплоносителем мощностью 1200 МВт (БН-1200) и со свинцовым теплоносителем мощностью 300 МВт (БРЕСТ).

К тому же он научный руководитель НИКИЭТа — института, который первым в отрасли начал работы по свинцовым реакторам. Именно Адамов в 1980-х годах пригласил в институт профессора Виктора Орлова — автора концепции быстрого реактора с «естественной безопасностью» БРЕСТ.

Надо сказать, что, став научным руководителем «Прорыва», Адамов ни разу публично не высказался критически о БН-1200 и не назвал проект БРЕСТ-ОД-300 единственным приоритетом. Возможно, его позиция смягчилась под влиянием коллег по «Прорыву», среди которых были такие авторитетные специалисты, как главный конструктор реакторов на быстрых нейтронах «ОКБМ Африкантов» Борис Васильев и заместитель гендиректора ФЭИ Владимир Поплавский.

Несмотря на это, и в «Прорыве», и в целом в отрасли стали склоняться к концепции однокомпонентной атомной энергетики. Все чаще звучало мнение, что необходимо отказаться от расходов на разработку БН-1200 (мол, натриевые реакторы в стране есть, с их преимуществами и недостатками все ясно), лучше все ресурсы сосредоточить на проекте БРЕСТ-ОД-300, который сулит большие перспективы (см. Справку).

В интервью «Атомному эксперту» Владимир Поплавский, ведущий российский специалист по быстрым натриевым реакторам, отмечал: «Есть риск, что проект БН-1200, как в свое время проект БН-800, будет отложен в долгий ящик. Проекту БН-1200 в отрасли сейчас противопоставляется проект БР-1200 — свинцовый реактор.

Многие представители руководства считают, что нужно бросить все силы и средства на его разработку, потому что по некоторым характеристикам он должен превзойти натриевый реактор». Полный текст этого интервью был опубликован в АЭ № 5 (47).
Свинцовый БРЕСТ
БРЕСТ-ОД-300 — разрабатываемый в настоящее время в России проект реактора на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем, двухконтурной схемой отвода тепла к турбине и закритическими параметрами пара. В качестве топлива планируется использовать мононитридную композицию урана, плутония и минорных актиноидов. Реактор способен за одну кампанию «сжигать» до 80 кг как «собственных» актиноидов, так и полученных из облученного ядерного топлива других АЭС.

Сочетание природных свойств свинцового теплоносителя, мононитридного топлива, физических характеристик быстрого реактора, конструкторских решений активной зоны и контуров охлаждения, по утверждениям разработчиков, выводит БРЕСТ на качественно новый уровень безопасности и обеспечивает его устойчивость (ядерную безопасность) без срабатывания активных средств аварийной защиты в крайне тяжелых авариях.

В реакторе будет бесчехловая активная зона. Это положительно скажется на безопасности и позволит уменьшить металлоемкость установки на 30 %. В активной зоне будут две радиальные подзоны. Это позволит регулировать компоненты системы непосредственно в геометрии активной зоны, что упрощает конструкцию реактора.

Корпус БРЕСТ-ОД-300 решили сделать металлобетонным. Конструкция позволит исключить потери металлоносителя.

Отличительные особенности парогенератора БРЕСТ — двухконтурная компоновка, витая теплообменная часть и монометаллическая трубка (без сварных соединений по всей длине). Уже разработан новый материал для трубок парогенераторов, работоспособный как в свинцовой, так и в пароводяной среде. В конструкции ПГ применены дроссельные вставки, которые ограничивают расход при аварии с разрывом трубки.

Двухкомпонентность снова в моде
Буквально за последние пару лет концепция двухкомпонентной атомной энергетики вновь стала популярной. Возможно, пришло осознание, что до реализации концепции свинцового реактора еще очень далеко. БРЕСТ-ОД-300 — экспериментальная, а не коммерческая установка, да и ее строительство пока не началось. Выдача лицензии на сооружение ожидалась в конце года, но сейчас у разработчиков уже нет уверенности в этом.

На международной научно-технической конференции «Инновационные проекты и технологии ядерной энергетики», которая прошла в октябре в НИКИЭТе, главный конструктор БРЕСТ-ОД-300 Вадим Лемехов сказал: «К сожалению, законодательство в области лицензирования ядерных установок изменилось.

Раньше на лицензирование атомной электростанции отводился один год. Сейчас такого норматива нет. Но документы поданы, и я надеюсь, что у надзорных органов какая-то совесть есть. Проблемы в лицензировании связаны с расчетными методиками и их доказательностью в части корпуса реактора. Поскольку корпус, в котором есть взаимодействие металл (теплоноситель. — Прим. ред.) — бетон, является инновационным, то в части обоснованности этого решения я ожидаю каких-то больших вопросов со стороны надзорного органа».

Между тем в «Росэнергоатоме» создали проектный офис «Новая платформа». Его важнейшая задача — разработка обликового проекта промышленного энергокомплекса на базе БН-1200 с замкнутым ядерным топливным циклом. Кроме того, специалисты офиса отвечают за разработку и реализацию программы НИОКР по переводу БН-800 на полную загрузку MOX-топливом, а также за практическое решение вопроса повышения выгорания и длительности топливной кампании в реакторах БН с целью увеличения эффективности их топливоиспользования и, в конечном счете, — улучшения экономических показателей. «Росэнергоатом» явно нацелен на стройку, раз вкладывается в эти работы.

Главный технолог проектного офиса Владимир Троянов (ранее занимал аналогичную должность в «Прорыве») прямо говорит: «Когда друзья меня спрашивают, чем я занимаюсь в концерне, я в шутку отвечаю: прилагаю все усилия к тому, чтобы был сооружен пятый блок Белоярской АЭС с реактором БН-1200. Когда я увидел, что этот проект попал в зону риска, мне стало обидно. Это не соответствует моим убеждениям, поэтому я и пошел в концерн — попытаться помочь».
БН-1200 —
проектируемый серийный реактор на быстрых нейтронах.
Электрическая мощность — 1220 МВт.

Аргументы за: Технология хорошо проработана (успешно эксплуатируются блоки с реакторами БН-600 и БН-800). Реактор может потреблять как оксидное, так и нитридное топливо. На площадке Белоярской АЭС после строительства БН-800 есть вся необходимая инфраструктура для строительства нового блока с быстрым реактором.

Аргументы против: Натрий горит в воздухе и других окисляющих средах, а при соединении его с водой или компонентами бетона выделяется взрывоопасный водород. Из-за высокой температуры жидкого натрия (370 °C на входе в активную зону и 550 °C — на выходе) компоненты энергоблока необходимо изготавливать из коррозионностойких материалов, что недешево.

Состояние работ по проекту: Технический проект готов и доработан с учетом требований НТС к экономике. Проводится анализ энергокомплекса ПЭК БН-1200 в целом и его составных частей при работе в замкнутом ЯТЦ на MOX-топливе в составе атомной энергетики России, разрабатывается инвестиционный проект энергоблока БН-1200.
БРЕСТ-ОД-300 —
проект реакторов на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем, двухконтурной схемой отвода тепла к турбине и закритическими параметрами пара.
Аргументы за: Свойства основных компонентов БРЕСТ (свинцовый теплоноситель и плотное нитридное топливо) «естественным образом» исключают два класса наиболее тяжелых аварий: с неконтролируемым ростом мощности и потерей отвода тепла. За счет упрощения систем безопасности (по сравнению с ВВЭР) может быть достигнута экономическая конкурентоспособность.

Аргументы против: Нет референтных установок и полномасштабных свинцовых стендов ни в РФ, ни в мире, что усложняет проведение НИОКР и верификацию результатов. Может работать только на нитридном топливе, разработка которого еще ведется.

Состояние работ по проекту: Готовы проект энергоблока и технический проект реакторной установки БРЕСТ-ОД-300, на следующий год запланировано начало строительства. Технический проект обоснован на мало- и среднемасштабных стендах и рабочих участках, расчетно обоснован по верифицированным программным средствам. Разработчики выполнили все ключевые параметры, указанные в техническом задании на разработку проекта. Получена лицензия на размещение.

В августе правительство РФ утвердило схему территориального планирования в области энергетики. Она предполагает, что до 2030 года в стране будут построены два энергоблока с реакторами БН-1200. Первый — на Белоярской АЭС, второй — на площадке Южноуральской АЭС в Челябинской области.

В сентябре НТС Росатома рекомендовал разработать сценарий развития двухкомпонентной системы на основе тепловых и быстрых реакторов. «На сегодняшний день существует легководная энергетика, и главной технологией у нас является ВВЭР. Ясно всем, что эта технология имеет временное ограничение по топливу.

Мы уже сегодня должны готовиться к тому, что в систему должны прийти быстрые реакторы, которые, помимо задачи производства электроэнергии, будут решать проблему воспроизводства топлива, — поясняет Владимир Асмолов, советник гендиректора Росатома, председатель НТС № 1 «Ядерно-энергетические установки и атомные станции». — Минимум на сто лет мы обречены на двухкомпонентность. Надо решать очень много вопросов: технологических, системных. Мы должны решать, как наиболее эффективно прийти к тому, что неизбежно».

В октябре в СМИ появилась новость: «дорожную карту» проекта строительства в России нового коммерческого энергоблока АЭС с реактором на быстрых нейтронах БН-1200 планируется разработать к весне 2017 года. Это следует из материалов на сайте закупок Росатома.

«Дорожная карта» должна содержать набор взаимосвязанных работ по основным этапам жизненного цикла энергоблока до момента энергетического пуска головного блока БН-1200, включая его контрактацию, НИОКР, разработку, согласование и утверждение необходимой документации, получение разрешений и лицензий, изготовление, транспортировку и монтаж оборудования, пуско-наладочные работы и ввод блока в эксплуатацию, обучение персонала.


Михаил Скупов,
заместитель гендиректора ВНИИНМа им. А. А. Бочвара, руководитель центра ответственности объединенного проекта «Разработка твэлов и ТВС со СНУП-топливом, технологий для их производства».
Как дела с нитридом?
Каковы основные результаты исследований по нитридному топливу в рамках проекта «Прорыв» на сегодняшний день?
На сегодняшний день экспериментальная программа подразумевает испытания 15 сборок со СНУП-топливом в энергетическом реакторе БН-600 и 16 сборок — в исследовательском реакторе БОР-60. Изготовление всех ЭТВС БН-600 в этом году завершено, а изготовление сборок БОР-60 завершится в 2018 году. Основные исследовательские результаты — материалы послереакторных исследований первой сборки экспериментального смешанного нитридного топлива, облученного в реакторе ­БН-600. В части капитального строительства сооружение модуля фабрикации СНУП-топлива ведется по плану.

Какие проблемы, вопросы на данном этапе для разработчиков принципиально важны?
Важно повысить допустимую глубину выгорания СНУП-топлива, чтобы достичь необходимых экономических показателей топливного цикла. Сегодня мы ориентируемся на старт реактора БРЕСТ с топливом, рассчитанным на предельную глубину выгорания 6 % тяжелых атомов. Амбициозные планы подразумевают удвоение этой величины в результате комплекса НИОКР. Чтобы достичь высоких эксплуатационных показателей, разработана и согласовывается соответствующая научная подпрограмма, рассчитанная на среднесрочную перспективу.

Расскажите о плане работ на ближайший год.
На ближайшее время запланирован целый комплекс работ, нацеленный на получение послереакторных данных по топливу. Это касается, в первую очередь, сборок БН-600: как минимум четыре экспериментальные сборки предполагается исследовать в НИИАРе в следующем году. Ну и, как я уже отметил, будут интенсивно проводиться работы по повышению допустимой глубины выгорания: расчетные исследования, получение дополнительных данных по дореакторным свойствам СНУП-топлива, совершенствование конструкции твэлов и конструкционных материалов активной зоны. Также в следующем году СХК должен завершить строительство завода, после чего начнется отработка процессов на технологическом оборудовании.

Союз БН с ВВЭР
Как же представляют себе концепцию двухкомпонентной энергетики ее идеологи? В. Троянов рассказал об этом на генконференции МАГАТЭ в рамках круглого стола по быстрым реакторам. Типовая ячейка двухкомпонентной системы состоит из трех блоков: двух — с ВВЭР и одного — с быстрым реактором типа БН-1200. Из таких ячеек собирается весь атомный парк. Загрузка легководных реакторов гибридная: MOX-топливо плюс топливо из свежего обогащенного оксида урана.

Хотя натриевые реакторы могут работать и на нитридном топливе, В. Троянов считает технологически более простым и экономически целесообразным использование MOX-топлива. Технология переработки и фабрикации плотного топлива дороже. Экспериментальные сборки со СНУП пока не вышли на глубины выгораний, достигнутые на MOX-топливе.

ОЯТ легководных реакторов перерабатывается. Плутоний, нарабатываемый во ВВЭР и имеющий неблагоприятный состав, направляется в качестве топлива в БН-1200. Туда же направляются младшие актиниды на выжигание. Быстрый реактор производит не только электроэнергию, но и ядерные материалы, из которых можно изготовить топливо для него самого и легководных реакторов. Избыточный плутоний из БН-1200, имеющий более благоприятный изотопный состав, направляется для изготовления MOX-топлива — подпитки для ВВЭР. Приблизительный баланс достигается при 50 % загрузке МОХ-топливом одного из ВВЭР-1200. При такой схеме ЗЯТЦ происходит снижение потребления природного урана в два раза, утверждает В. Троянов.

То, что двухкомпонентной системе сегодня отдается преимущество, нельзя считать крахом свинцовой технологии. Работы по проекту БРЕСТ-ОД-300 идут по графику, и, скорее всего, Росатом сделает все возможное для создания коммерческого образца на его основе. Но работы еще очень много, так что в ближайшие десятилетия господства БРЕСТа в атомной энергетике ждать не приходится. Куда более вероятно, что вскоре мы будем наблюдать формирование союза БН с ВВЭР. «Быстрые и тепловые реакторы должны работать в единой системе — у этой пары будут рождаться очень хорошие и красивые дети», — шутит В. Троянов.

1 Петр Щедровицкий «Реализация новой технологической платформы — неизбежное условие развития российской атомной энергетики» // Топливно-энергетический комплекс России. Специализированный выпуск № 11. М., 2010.

2 «Росатом» обновит реакторы // Коммерсант от 09.02.2011, 19:03 http://www.kommersant.ru/doc/1582120?fp=

3 Постановление правительства Российской Федерации от 31 августа 2013 г. № 762 г. Москва «О внесении изменений в федеральную целевую программу „Ядерные энерготехнологии нового поколения на период 2010–2015 годов и на перспективу до 2020 года"»// https://rg.ru/2013/09/10/yader-texnologii-site-dok.html

ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ НОМЕРА