Свинцовые реакторы набирают вес

Текст: Татьяна Данилова

Всего несколько лет назад разработки по свинцовой тематике не предвещали коммерчески жизнеспособных проектов. Но то, что вчера считалось играми разума, завтра может стать частью повседневности, хотя промышленные реакторы со свинцовым охлаждением по-прежнему дело отдаленного будущего.

Всего несколько лет назад о разработках LFR (от английского lead fast reactor — свинцовый быстрый реактор) пренебрежительно отзывались как об играх ученых-ядерщиков в песочнице, не предвещающих коммерчески жизнеспособных проектов. Однако то, что вчера считалось играми ума, завтра может стать частью повседневности, хотя промышленные реакторы со свинцовым охлаждением по-прежнему дело отдаленного будущего. Нет недостатка в концептуальных проектах LFR, но подавляющее большинство их останутся на бумаге либо, возможно, послужат ориентиром для исследователей.

Экономическая сторона LFR представляет собой один большой вопрос. Известно, как трудно оценить общую стоимость строительства и эксплуатации атомных систем даже таких отработанных годами технологий, как реакторы с водой под давлением. Эта задача усложняется в разы, если речь идет о прототипах и перспективных системах, и прогноз по объему инвестиций становится почти невозможен.

Косвенные выгоды, впрочем, огромны: это результаты многочисленных исследований, прикладных и фундаментальных, по новым материалам, по топливу, нейтронике и термогидравлике.
Теоретическая привлекательность
Определенные параметры LFR указывают на его потенциально высокую экономическую эффективность. И эти параметры тесно связаны со спецификой жидкометаллического охладителя таких систем.

Схему реактора упрощает сама химическая природа жидкометаллического охладителя. К примеру, не нужны сложные и дорогостоящие промежуточные системы, отделяющие теплоноситель первого контура от второго (воды). Существующие конструкции предусматривают прямоточные парогенераторы при высоком давлении. Расчеты показывают, что КПД энергоблока с подобной РУ может превысить 40%.

Высокая температура кипения свинца устраняет опасность локального кипения охладителя. А это делает ненужными меры безопасности, предпринимаемые для других видов охладителей. То есть система защищена характеристиками самого охладителя.

Еще одна хорошая новость: давление первичного жидкометаллического охладителя можно поддерживать близким к атмосферному. Это устраняет потребность в дорогой и порой весьма сложной системе поддержания рабочего давления, необходимой в водо-водяных реакторах. При атмосферном давлении также упрощается конструкция бассейнов теплоносителя первого контура и аварии, связанные с его потерями, становятся маловероятными.

Все это немалые плюсы и к безопасности системы, и к ее экономическим показателям. И хотя мы по-прежнему не можем оценить с приемлемой точностью затраты на строительство LFR, их экономические преимущества очевидны.

Лучше помогите материалом
Этот раздел статьи, как и все последующие, следовало бы завершить рефреном: «Исследования продолжаются» — публикации по LFR указывают на массу нерешенных проблем. Однако оптимизм внушает уже то, что число открытых публикаций неуклонно сокращается. А это, как известно из опыта, указывает на существенный прогресс.Значимые для LFR исследования касаются прежде всего материалов (но не исчерпываются ими).

Основная проблема LFR — коррозионное воздействие жидкого свинца на конструкционные материалы. Жидкий свинец попросту растворяет основные компоненты материалов. Никель, хром, железо растворяются в жидком свинце по-разному, но их объединяет то, что концентрация этих растворенных веществ в свинце с ростом температуры увеличивается.

В экспериментальных бассейнах, сохраняющих одинаковую температуру по всему объему, с достижением насыщения раствора этими веществами их растворение останавливается. Но реактор — не лабораторный бассейн, и разница температур различных областей теплоносителя требует расчета конкретных норм уровней растворения.

Для использования в реакторах материалы должны быть сертифицированы в категориях нейтронного потока и результатов смещений на атом, а также по устойчивости в рабочих условиях атомной электростанции и готовности к применению в области атомной энергетики. Но реакторов для испытаний в потоке быстрых нейтронов не хватает, поэтому сертификация материалов — настоящая проблема.

На достижение нужного уровня облучения для сертификации нового материала может уйти 10–20 лет. Чтобы обойти это ограничение, европейские исследователи пошли по пути применения материалов, которые уже используются в реакторах с натриевым охлаждением, то есть сертифицированы к применению с высокими уровнями смещений на атом в потоке быстрых нейтронов.

Сегодня исследования и разработки по ограничению коррозии в аустенитных сталях до приемлемого уровня идут по нескольким направлениям.

Выработан ряд принципиальных подходов:
• для топливных оболочек разрабатываются специализированные покрытия и различные методы их нанесения (чаще алюминием) для температур выше 650 °C;

• для многих компонентов предлагается использовать низкоуглеродную сталь стандарта AISI 316L, которая не повреждается при температурах ниже 400 °C;

• еще одно недавнее и многообещающее решение — аустенитные стали с добавками глинозема: они обеспечивают очень стабильный слой оксида алюминия при весьма низких концентрациях кислорода в жидком свинце. Такие исследования ведутся, например, в шведском институте KTH совместно с компанией Sandvik;

• изучаются варианты химического состава свинцовых и свинцово-висмутовых охладителей, чтобы снизить разъедание.
Свинец
— элемент 14-й группы, шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 82; таким образом, содержит магическое число протонов.

Символ: Pb
Температура плавления: 327,5 °C
Температура кипения: 1 749 °C
Электронная конфигурация: [Xe] 4f145d106s26p2
Атомная масса: 207,2 а. е. м. ± 0,1 а. е. м.
Электроны в оболочках: 2,8,18,32,18,4
Группа: Металлы, Постпереходные металлы
Преимущества и недостатки
Свинец с его высокими температурами плавления и кипения, с одной стороны, положительно влияет на стоимость и безопасность конструкции, поскольку практически инертен во взаимодействии с воздухом и водой и делает ненужным промежуточный контур. Но с другой стороны, свинец требует новых инженерных стратегий, которые обеспечат его жидкое состояние во время, скажем, отключения реактора.

Высокая атомная масса свинца делает его отличным щитом от гамма-излучения, а упругое рассеяние нейтронов характеризуется относительно низкими потерями энергии, одновременно ограничивая утечку нейтронов из внутренних областей активной зоны и в то же время превосходно отражая нейтроны, вырвавшиеся из этой зоны.

Топливо и снова материалы
В качестве топлива для LFR приемлемым решением — по крайней мере, на краткосрочную перспективу — сочли смешанные оксиды. Но в более дальней перспективе рассматривается высокоплотное нитридное топливо (возможно, его загрузят в европейский реактор ELFR или весьма гипотетический американский SSTAR), в составе которого — минорные актиниды и топливо глубокого выгорания.

По топливным оболочкам, как говорилось выше, исследуются в основном ферритно-мартенситные и аустенитные сплавы.

В тематике перспективных исследований часто всплывают вопросы взаимодействия свинца с топливом. Этим занимаются, например, в шведском институте КТН: эксперименты показали, что гранулы уран-нитрида, спеченного по методу плазменного синтеза, и свинец с низким содержанием кислорода при температуре 1090 °C не взаимодействуют.

По-прежнему актуальны поиск новых решений для детекции поврежденных топливных сборок и, разумеется, разработка новых компьютерных моделей и программ.

Предлагаются и новые конструкции топлива для LFR — например, кольцевое. Интересно, что это предложение исходит от группы ученых из «неядерных» Сингапура и Гонконга, которые сотрудничают с ядерщиками КНР.

Частный случай: ADS
К рождению подкритических систем с ускорителем (accelerator-driven system, ADS), состоящих из реактора и внешнего ускорительного источника нейтронов, привела погоня за безопасностью. Их отличие от прочих систем заключается в подкритической сборке, в которой реакция деления быстро затухает, если не подпитывать ее нейтронами.

Чтобы затухания не происходило, нужен мощный источник нейтронов. Желательно спалляционный, в котором энергичные протоны скалывают с атомов мишени протоны и нейтроны. Протоны тормозятся о материалы мишени, а нейтроны образуют мощный поток, который можно регулировать по мощности, а в случае нужды — прерывать.

В такой системе физически невозможна авария чернобыльского типа с разгоном на мгновенных нейтронах: после выключения ускорителя мощность реактора падает уже через секунду, и реакция деления затухает.

Однако мощный ускоритель по сложности (и дороговизне) проектирования, строительства и эксплуатации сопоставим с обычным реактором. А если учитывать высокие требования к стабильности пучка и другие технические проблемы, то реактор с внешним источником нейтронов приобретает черты тяжелого и сложного решения, экономическая оправданность которого более чем сомнительна.

Ведь по «стоимости нейтрона» ускорительные источники сильно проигрывают реакторам. Да и две сложные системы всегда дороже, чем одна. И тем не менее, у ADS много сторонников в Европе… и в Китае.
Защита от свинца
Растворимость никеля в свинце выше, чем у других веществ, поэтому российские ученые разработали метод применения материалов для топливных оболочек без никеля — ферритно-мартенситных сталей, защищенных оксидным слоем. Этот слой может быть смыт жидким свинцом, но если в эвтектике присутствует в определенной концентрации кислород, защита тут же восстанавливается. Этот метод занимает центральное место в российском проекте БРЕСТ-ОД-300, во многом опирающемся на опыт разработки свинцово-висмутового реактора для подводных лодок.
(Отсюда основные направления исследований свинцового охладителя — его очистка и насыщение кислородом.)
Китайский CLEAR
Разработки быстрого реактора со свинцовым теплоносителем по традиции ведет Институт технологии безопасности атомной энергетики (INEST) Китайской академии наук. С самого начала INEST сосредоточился на разработке ADS для производства энергии и трансмутации ядерных отходов. Программа института предусматривает создание китайского свинцового реактора (China Lead-based Reactor, CLEAR) в несколько этапов: сначала 10-мегаваттного CLEAR-I, затем CLEAR-II мощностью 100 МВт и наконец — промышленного CLEAR-III (1000 МВт).

В проекте CLEAR-I, разработанном группой INEST·FDS, предусмотрены два режима работы: критический и докритический. Возможность работы CLEAR-I в двух режимах позволяет проверить и межсистемное взаимодействие, и технологию эксплуатации, и технологию LFR. При этом теплоноситель в CLEAR-I и CLEAR-II будет свинцово-висмутовым, а CLEAR-III будет охлаждаться чистым свинцом.

Первый этап должен завершиться в 2022 году постройкой исследовательского центра CIADS (Chinese Initiative Accelerator Driven System). На втором этапе к 2030 году построят демонстрационное устройство мощностью в несколько сот термальных мегаватт. И наконец, на третьем, завершающем этапе воплотятся ADS промышленного масштаба.

К разработке и строительству ускорителя для ADS подходят постепенно и методично. В 2011 году начата разработка спалляционного нейтронного источника (China Spallation Neutron Source, CSNS) со 100-киловаттным синхротроном высокой частоты импульсов. Сейчас ведутся эксперименты с тяжелометаллическими спалляционными мишенями и с концептуально новой гранулированной жидкой мишенью (granular flow target, GFT). Первый пучок предполагается получить в 2017 году.

Неотъемлемая часть проекта китайской ADS — мощный сверхпроводящий линейный ускоритель низких (25–50 МэВ) энергий, который продемонстрирует осуществимость проекта и имеющиеся технические возможности. В перспективе же источником нейтронов для китайской ADS должен стать линейный ускоритель протонов с пучком 1,5 ГэВ/10 мА и мишенью, концепция которой находится в разработке, как и ключевые технологии ускорителей, и подкритическая активная зона.

В группе CLEAR работают около 400 человек, 80 % из них обладают докторскими степенями. Команда INEST·FDS работает на трех платформах, в которые входят 25 лабораторий и три центра технической поддержки. Рост численности персонала, занятого в CLEAR, внушает оптимизм. В 2014 году были построены опытные контуры «Цилинь» и «Цилинь-II» (свинец — висмут) для испытаний по коррозии конструкционных материалов, термогидравлических испытаний и различных проверок надежности и безопасности.

На этой установке уже прошли принципиальную верификацию прототипы ключевых компонентов, в том числе главный насос, теплообменник, привод стержней системы управления и защиты, система перегрузки и топливные сборки.
Многофункциональный опытный свинцово-висмутовый контур «Цилинь-II» успешно функционирует в Институте технологии безопасности атомной энергетики Китая
А для испытаний и сертифицирования ключевых компонентов и технологий свинцового реактора строятся сразу несколько установок:
• неядерная испытательная установка CLEAR-S бассейнового типа для испытаний в масштабе 1:1 прототипов компонентов CLEAR-I: первичного контура, теплообменника, стержней системы управления и защиты и внутрикорпусной системы перегрузки топлива. Также CLEAR-S предназначена для верификации проекта и программ анализа безопасной эксплуатации;

• реактор нулевой мощности CLEAR-0 с топливом, активной зоной и охладителем, аналогичным CLEAR-I. Это устройство, снабженное двумя источниками нейтронов, служит для поверки нейтронной физики CLEAR-I, верификации технологии ADS и проведения других подкритических экспериментов. Техническое проектирование CLEAR-0 завершено, проект находится в стадии реализации. Его пуск планировался на 2016 год, но точная дата пока неизвестна;

• виртуальный реактор-симулятор CLEAR-V (разработка завершена);

• высокоинтенсивный генератор нейтронов HINEG (первая очередь запущена в декабре 2015 года; устройство находится в стадии достройки).

Источником нейтронов для CLEAR-I станет генератор термоядерных нейтронов D–T высокой интенсивности (High Intensity D–T Fusion Neutron Generator, HINEG). На первой стадии (HINEG-I, проектирование завершено) интенсивность пучка будет только ­10–12 нейтронов в секунду. На втором этапе (HINEG-II) интенсивность повысят до 10–14 н/с. Концептуальное проектирование HINEG-II завершено.

Концептуальный проект CLEAR-I готов, полным ходом идет предварительное проектирование. Заметим, что МАГАТЭ и GIF выбрали именно CLEAR-I в качестве базового варианта разработки.

Кроме того, в рамках разработки китайской копии ИТЭР, China Fusion Engineering Test Reactor (CFETR), ведутся исследования по свинцово-литиевому охладителю, и очень вероятно, что некоторые результаты этих исследований будут значимы и для проекта CLEAR.

CLEAR-II мощностью 100 МВт со свинцово-висмутовым теплоносителем будет объединен с ускорителем протонов 600–1000 МэВ/10 мА и спалляционной мишенью.

После создания CLEAR-II придет очередь предварительных разработок проекта строительства и технологии эксплуатации высокомощной подкритической ADS. В этой системе предполагается использовать высокообогащенное МОХ-топливо. Топливные сборки можно частично заменить секцией минорных актинидов для проверки механизма ядерной трансмутации.

Промышленный подкритический реактор со свинцовым охлаждением CLEAR-III тепловой мощностью 1000 МВт нужен, помимо выработки энергии, для демонстрации технологии трансмутации долгоживущих ядерных отходов коммерческой системы ADS. В CLEAR-III предполагается использовать дисперсионное топливо, в котором трансурановые элементы распределены в циркониевой матрице, с оболочкой из ферритно-мартенситной стали.
Одна Европа — два пути
В Европе первые разработки в рамках концепции LFR проводились в основном для целей утилизации РАО, производимых реакторами предыдущих поколений. Под эгидой и при спонсорстве Еврокомиссии был начат ряд проектов, по завершении которых исследования и разработки сосредоточились на двух концептуальных проектах, разработанных в рамках программы LEADER. Это эталонный реактор мощностью 600 МВт — European Lead Fast Reactor (ELFR), основанный на концептуальном проекте ELSY, и еще один, поменьше — 125 МВт — демонстрационный реактор ALFRED (Advanced Lead Fast Reactor European Demonstrator).

ALFRED
Практически вся деятельность европейских атомщиков по свинцовым быстрым реакторам сегодня сконцентрировалась на проекте ALFRED, первом демонстрационном быстром реакторе с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем. Демонстрационный реактор мощностью 120–125 МВт (300 МВт тепловых) — это прототип более мощного, на 600 МВт (э), европейского реактора ELFR, запуск которого планируется на 2035 год. Сам же ALFRED — реактор бассейнового типа с интегральной компоновкой. Циркуляция свинцового теплоносителя в первом контуре принудительная, в аварийных условиях — естественная.

Топливо для ALFRED — смесь оксидов урана и плутония (максимальное обогащение по плутонию до 30 %). В активную зону загружается 171 шестигранная кассета. Кроме того, в активной зоне находятся 16 сборок системы управления и защиты, а также кассеты отражателя из оксидов циркония и иттрия. В ALFRED также можно будет сжигать минорные актиниды.

Консорциум Falcon по строительству ALFRED был сформирован еще в 2013 году. В него вошли лидер проекта — итальянская компания Ansaldo Nucleare, итальянский Национальный комитет по научным исследованиям ядерной энергетики и развития альтернативных источников энергии (ENEA), румынский Институт атомных исследований Питешти (ICN) и чешский научно-исследовательский центр Реж.

План работ консорциума предполагает ведение исследований и разработок до 2023 года. Но уже в 2017 году начнется строительство реактора, которое должно завершиться в 2030 году. По оценкам, реализация проекта обойдется в 1 млрд евро, 20 % которых заплатит Румыния.

Румыния предложила под реактор площадку близ крохотного городка Миовени, в котором живет менее 1 тыс. человек. Это предложение было принято, и в 2015 году начался набор специалистов и рабочих для предварительных работ. Однако конкретный график работ сильно зависит от финансирования, и никто не удивится непредвиденным задержкам, поскольку механизм финансирования проекта еще не определен.
3D-модель исследователь-
ского комплекса
MYRRHA
MYRRHA
Примерно на том же временнóм горизонте, если все пойдет по плану, консорциум компаний из ЕС и Японии на площадке бельгийской SCK·CEN построит многоцелевой гибридный исследовательский реактор MYRRHA с ускорителем протонов мощностью 600 МэВ/4 мА и подкритическим реактором-размножителем на МОХ-топливе со свинцово-висмутовым охлаждением (55 % висмута и 45 % свинца). Мощность реактора составит 100 МВт (тепловых), а полезная мощность ускорителя, который должен усиливать энергию пучка минимум в 40 раз, — около 2 МВт.

Этот реактор предполагается использовать как облучающую установку при сертификации топлива, компонентов и материалов для реакторов сразу трех технологий: классических водо-водяных, жидкосолевых и с металлическим охладителем. К тому же реализованная «в железе» технология ADS позволит изучить техническую осуществимость трансмутации высокоактивных отходов — не исключено, что в промышленном масштабе.

Кроме того, MYRRHA обеспечивает некоторые условия, необходимые при облучении материалов для реакторов термоядерного синтеза, и, безусловно, будет использоваться и в этом направлении. На установке планируется также «побочное производство» медицинских радиоизотопов и ядерного легированного кремния для высоковольтных силовых полупроводников — а без них, как ни странно, не обходятся ни солнечная, ни ветряная энергетика.

Активная зона реактора состоит из шестиугольных ячеек, в которых расположатся 108 топливных сборок (из тонких твэлов с МОХ-топливом) и 55 функциональных каналов. В центральном канале находятся спалляционная мишень и девять стержней системы управления и защиты. Остальные каналы можно будет (впервые в Европе!) использовать в экспериментах с материалами и топливом в потоке быстрых нейтронов, а также при наработке изотопов и получении легированного кремния, для чего снаружи активной зоны имеются особые полости.

Словом, сплошные плюсы и ни одного минуса. Но консорциум, который займется реализацией этих прекрасных планов, еще не образован. Зато существует проект MARISA (MYRRHA Research Infrastructure Support Action), цель которого — создать условия для перехода от подготовительной фазы к строительству и обеспечить создание консорциума. Для поддержки MYRRHA был создан исследовательский центр MYRTE (MYRRHA Research and Transmutation Endeavour).

Строительство MYRRHA запланировано на 2017–2021 годы, а ее ввод в эксплуатацию займет еще три года (2022–2024). О серьезности намерений бельгийского правительства можно судить по тому, что в 2015 году оно включило MYRRHA в поданный Еврокомиссии план новых инвестиций и обозначило сумму — 1,5 млрд евро (хотя в 2010 году называли сумму поменьше — 960 млн евро). Одновременно Европейский инвестиционный банк включил MYRRHA в число потенциальных проектов для финансирования по программе InnovFin.

Правда, судя по летним сообщениям, проект затормозился ввиду недостаточной проработки в части ускорителя, и поговаривают, что в лучшем случае MYRRHA заработает в 2035 году. Взаимная согласованность проектов MYRRHA и ALFRED очевидна по определению, а также потому, что масса европейских организаций участвует в обоих проектах.
Схема компоновки реактора SSTAR
Разнообразие США
Основные концептуальные проекты в интересующей нас области направлены на развитие малых модульных реакторов с очень долговечной активной зоной. Это проекты реактора-размножителя со свинцовым охладителем SSTAR (Ливерморская национальная лаборатория) и GEN4 (корпорация Gen4 Energy). Буквы SSTAR означают «малый, герметичный, транспортируемый, автономный реактор» (small, sealed, transportable, autonomous reactor). Одно время говорили о намеченном на 2015 год начале строительства прототипа SSTAR, но, судя по всему, от этой мысли отказались и даже прекратили разработку.

Второй из названных концептуальных проектов — модульный GEN4, или G4M, или Hyperion, — название, как видим, еще не выбрано. Это реактор на быстрых нейтронах со свинцово-висмутовым охладителем. Модуль мощностью 70 МВт тепловых или 25 МВт электрических предназначен для службы в течение 10 лет без перегрузки топлива (нитридного или проверенного временем оксидного, надежность и безопасность которого не придется доказывать регуляторам).

В декабре 2015 года Gen4 Energy объявила о завершении концептуального проекта экспериментальной установки с естественной циркуляцией для поддержки термогидравлических испытаний G4M. (Интересно, что часть расходов корпорации покрыл грант Минэнерго США для проведения исследований и разработок в области проектов реакторов с естественной циркуляцией свинцово-висмутового охладителя, в числе получателей которого были такие «киты», как General Electric, Westinghouse и General Atomic.) На этой установке будут проводиться испытания и проверки модели G4M, рассчитанные на пять лет.

О разработке небольшого модульного LFR заговорили и в Westinghouse. В конце 2015 года корпорация представила проектное предложение для предстоящих инвестиций Минэнерго США в разработки перспективных реакторов, которые можно будет продемонстрировать к 2035 году. Грант министерства Westinghouse не получила, но объявила, что будет продолжать исследования по реакторам V поколения.

Заметим, что реакторами IV поколения в Westinghouse называют проекты, которые не будут реализованы по техническим и экономическим причинам, а V поколением — реакторы с коммерческой перспективой. В команду разработчиков LFR входят 12 партнеров, данные о которых закрыты. Известно лишь, что это участники системы национальных лабораторий, университеты и частные компании с опытом в соответствующих областях.
Схема компоновки малого реактора SEALER
Тайны Швеции
Группа LeadCold, выделившаяся из шведского Королевского технологического института (КТН), предложила концепцию малого реактора Swedish Advanced Lead Reactor (SEALER) мощностью 3–10 МВт со свинцовым охлаждением и с уран-оксидным топливом, обогащенным до 19,9 %. Промежуточная цель разработчиков — построить демонстрационный блок малой мощности с экономической эффективностью выше, чем у легководных реакторов. Ставка сделана на больший КПД, компактность первого контура и конструкции в целом, а также высокую энергонапряженность. Топливо понадобится перегружать один раз в 10–30 лет.

SEALER, разработку которого финансирует шведское Агентство инноваций VINNOVA (поговаривают, правда, что у LeadCold есть некий таинственный заказчик), позиционируется как идеальное решение для арктических поселений или, например, горных разработок. Небольшие размеры реактора позволяют перевозить его с места на место. Активную зону составляют 19 ТВС (1729 твэлов).

Технические подробности проекта, как и имя заказчика, практически неизвестны, но в планах LeadCold значится получение лицензии на строительство у канадской Комиссии по атомной безопасности, а на 2016 год запланирована подача проекта на предварительное рассмотрение этого регулятора. Заметим, что КТН ведет серьезные исследования, связанные с технологией жидкометаллических теплоносителей.
В частности, у шведов более десятилетия работает экспериментальная установка — свинцово-висмутовая петля высотой шесть метров.

В концепте SEALER заявлено применение сталей с алюминиевым покрытием (позиционируется как альтернатива российскому решению кремниевых покрытий), разработка которых ведется в институте. В КТН также занимаются уран-нитридными порошками: их спекают в таблетки методом плазменного синтеза (SPS) при воздействии силы тока в 5000 А.

ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ НОМЕРА