Лето, школа, ядерные технологии

Летняя школа по моделированию проходит в МИФИ с 2016 года. Каждый год два десятка иностранных студентов и аспирантов приезжают в Россию, чтобы научиться основам расчетов реакторных установок. В 2020 году из-за сложной эпидемиологической обстановки все лекции и семинары проводились удаленно. Такой режим работы позволил значительно расширить состав лекторов и провести насыщенную пленарную сессию, посвященную статусу атомной энергетики и будущему моделирования реакторных установок.

Ежедневно к онлайн-­занятиям подключались слушатели из Норвегии, Великобритании, Польши, Италии, Германии, Турции, Франции, Бангладеш, Белоруссии, Египта, Алжира и России. С 2018 года школа проходит при поддержке Университета прикладных наук Западной Норвегии.

Современное производство электроэнергии в мире
Лектор: Игорь Пиоро, профессор технологического университета Онтарио, главный редактор научного журнала ASME Journal of Nuclear Engineering & Radiation Science.

«Хорошо известно, что уровень производства электроэнергии в стране или регионе — ключевой фактор прогресса в любых других отраслях, от сельского хозяйства до качества жизни в целом», — начал свой доклад И. Пиоро. За два часа лектор подробно рассказал об энергетической картине мира, ее взаимосвязи с общим развитием страны или региона, а также обозначил место, которое занимает в мире атомная энергетика.

На первых слайдах своей презентации профессор И. Пиоро показывает таблицу со списком стран, ранжированных по значению индекса человеческого развития (ИЧР). Разработанный в 1990 году ИЧР — стандартный инструмент для сравнения уровня развития стран и регионов. При рассчете ИЧР учитываются три показателя: ожидаемая продолжительность жизни, уровень грамотности населения и уровень жизни, оцененный через валовой национальный доход. В тройке лучших — Норвегия, Швейцария и Австралия. Замыкают рейтинг африканские страны: Сьерра-­Леоне, Бурунди и Нигер.

Помимо ИЧР для каждой страны в таблице указано количество произведенной электроэнергии на душу населения. Одного взгляда на таблицу достаточно, чтобы связать объемы произведенной электроэнергии с уровнем жизни в стране. В то время как лидирующие по ИЧР страны производят миллионы и сотни тысяч гигаватт-­часов электроэнергии, такие страны, как Южный Судан и Чад, генерируют лишь несколько сотен.

Электрическая энергия может быть произведена из невозобновляемых источников, таких как уголь, природный газ, нефть и атомная энергия; а также из возобновляемых источников (ВИЭ) — это ветровая, солнечная и геотермальная энергия, гидроэнергия, а также энергия из биомассы. Основные источники производства электроэнергии в мире — это уголь, природный газ, гидро- и атомная энергия. Остальные источники заметны только на национальном уровне в некоторых странах. Кроме того, ВИЭ, такие как ветер и Солнце, ненадежны для промышленного производства электроэнергии, поскольку они представляют собой явления природы. Кроме того, относительные затраты на производство электроэнергии, вырабатываемой ВИЭ, за исключением крупных гидроэлектростанций, могут быть значительно выше, чем при производстве энергии из невозобновляемых источников.

Распределение источников энергии в общей картине в среднем по всем странам мира за последние семь лет в основном осталось прежним: 39% — уголь, 23% — газ, 16% — гидроэнергия, 10% — атомная энергия. Остальные источники — ветровая, солнечная, геотермальная, приливная энергия (6,6%) и другие — дают не более 12% электроэнергии.

Интересно проследить, как менялась энергетическая политика различных стран. К примеру, Китай за семь лет на 15% сократил количество угольных станций, заменив их атомными, газовыми, ветряными и солнечными. Удивительно, что в 2013 году суммарная доля ветряной и солнечной энергетики в Китае не превышала 1%, а спустя семь лет она выросла до значительных 9%.

Также поразителен прогресс Великобритании, которая смогла менее чем за 10 лет снизить долю угольной энергетики с 35% до 4%, развив атомную энергетику и ВИЭ. Среднегодовая доля ВИЭ в Великобритании — 25%, но, в отличие от атомной энергетики, солнечные и ветряные станции не могут работать на полную мощность постоянно. Так, в январе 2017 года из-за неблагоприятных погодных условий ветряные и солнечные станции сгенерировали всего 4% электроэнергии в стране; для их замещения были вновь запущены некоторые угольные станции (см. График). «Энергетическая политика должна включать совместное использование разных источников с минимальным негативным влиянием на окружающую среду» — таков основной тезис профессора И. Пиоро, к которому он несколько раз возвращался.

При планировании энергетической политики следует учитывать эффективность различных источников в зависимости от природных условий. Было доказано, что на территории США строительство ветряных станций целесообразно только в небольшой части центрального региона страны, в то время как большие солнечные электростанции имеет смысл строить в юго-западных штатах. «Более эффективно использовать небольшие солнечные энергетические панели на крышах домохозяйств, чем строить крупные солнечные станции» — утверждает И. Пиоро.

Эффективность электростанций характеризуется отношением генерируемой мощности к установленной за определенный период. В США в 2018 году энерговыработка на всех АЭС составила 92% от установленной мощности. При этом эффективность других источников была существенно ниже: 54% от установленной мощности произвели угольные станции, 45% — гидроэлектростанции, 37% — ветряные и от 12 до 22% — солнечные.

Лектор продемонстрировал несколько графиков, на которых отображена суточная энерговыработка в Онтарио (канадской провинции, где живет и работает И. Пиоро) в зависимости от источника энергии. Только атомные станции работали на уровне 90% (в некоторые дни — на 100%) от установленной мощности. Данные по установленной мощности в Онтарио свидетельствуют о значительной диверсификации источников: 38% — атомная энергия, 29% — газ, 25% — гидроэнергия и 8% — ветровая энергия и биотопливо. При этом реальные данные по энерговыработке, полученные в конце 2015 года, показывают немного другую картину: на атомных станциях было произведено 60%, на гидроэлектростанциях — 24% и только 16% — на газовых, ветряных и солнечных станциях. Это пример успешного совместного использования различных источников энергии, при котором АЭС постоянно обеспечивают базовый суточный спрос на электроэнергию, а остальные источники используются для удовлетворения пиковых нагрузок.

«Какую энергетическую стратегию можно назвать лучшим решением для стран и отдельных регионов? Одновременное использование различных источников энергии для обеспечения устойчивости» — резюмирует профессор И. Пиоро.

Концепции поколения IV «на пальцах»
Лектор: Константин Микитюк, лидер научной группы в Институте Пауля Шеррера, представитель Швейцарии в рабочей группе МАГАТЭ по быстрым реакторам.

Лекция К. Микитюка была посвящена обзору реакторных концепций, отобранных международной организацией Generation IV International Forum (GIF).

Организованный в 2001 году Международный форум отобрал шесть реакторных концепций, разработка которых должна была стать качественным скачком в развитии отрасли. При отборе реакторных концепций эксперты GIF руководствовались четырьмя целями: устойчивостью, безопасностью, экономичностью и нераспространением ядерных материалов. К. Микитюк рассказал о статусе каждой концепции, обосновал их достоинства и недостатки.

В начале своей презентации К. Микитюк представил референтную концепцию — реактор с водой под давлением (PWR, от англ. Pressurized Water Reactor), — к которой, в числе прочих, относятся реакторы ВВЭР. PWR — наиболее распространенный тип реакторов. Всего к июню 2020 года в эксплуатации находится 297 реакторов PWR, это 68% от числа всех атомных энергоблоков. Опыт эксплуатации и устоявшиеся технические решения делают строительство PWR экономически предпочтительным вариантом по сравнению с реакторами нового дизайна.

Тем не менее PWR обладают рядом особенностей, негативно влияющих на общие характеристики системы. В первую очередь это необходимость поддерживать воду постоянно под высоким давлением, создающая проблемы разгерметизации контуров с теплоносителем. Также реакторы типа PWR — слабые бридеры, то есть они плохо воспроизводят топливо из неделящихся изотопов.

Несмотря на продолжительный опыт эксплуатации, развитие реакторов с водой под давлением продолжается. Пример — европейский проект EPR, относящийся к поколению III+.

Следует отметить, что реакторы PWR обладают относительно низкой эффективностью — их КПД не более 40%. «Как можно повысить эффективность PWR?» — спрашивает участников школы доктор К. Микитюк и через некоторое время сам отвечает: «Увеличить температуру и давление воды».

Так появилась концепция водоохлаждаемого реактора со сверхкритическим давлением теплоносителя (SCWR, от англ. Supercritical Water Reactor). Основанный на проверенных технологиях реакторов с водой под давлением, SCWR обладает большей эффективностью и способен работать в спектре как тепловых, так и быстрых нейтронов. Тем не менее из-за нерешенных проблем с конструкционными материалами и отсутствия экспериментальной базы данных по критическим потокам на данный момент ни один реактор SCWR не находится в эксплуатации. Из развивающихся концепций SCWR следует выделить европейский проект HPLWR.

Несмотря на бóльшую эффективность (около 44%), реакторы SCWR остаются ненадежной и опасной концепцией из-за химических взаимодействий и высокого давления воды. Ученые считают, что использование инертного газа вместо воды позволит сохранить прирост эффективности в рамках более безопасной реакторной концепции.

Использование инертного газа в качестве теплоносителя — основная идея большинства проектов высокотемпературных реакторов (VHTR, от англ. Very-­High-­Temperature Reactor). Высокие температуры обеспечивают повышенную эффективность на уровне SCWR, а использование инертного газа — бóльшую безопасность.

С 1998 года в Японии эксплуатируется экспериментальный реактор HTTR, одна из целей которого — демонстрация совместной работы атомного энергоблока и завода по производству водорода. Из разрабатываемых проектов дальше всех продвинулся китайский HTR-PM.

К недостаткам реакторов VHTR относят низкую скорость воспроизводства топлива, важную для достижения первой цели концепции поколения IV — устойчивости. Для улучшения воспроизводства топлива была предложена концепция газоохлаждаемого реактора на быстрых нейтронах (GFR, от англ. Gas-­Сooled Fast Reactor).

Теплосъем в GFR осуществляется тем же гелием, но в системе отсутствует замедлитель — графит, радиоактивные блоки которого образуются при эксплуатации VHTR и являются серьезным недостатком этой концепции. Обладая преимуществами VHTR и повышенной скоростью воспроизводства топлива, GFR остается экономически неопределенной концепцией, так как до конца не решены проблемы некоторых систем безопасности и конструкционных материалов. Сегодня параллельно развиваются два GFR‑проекта: экспериментального реактора ALLEGRO и крупного энергоблока GCFR.

Концепция реактора на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем (SFR, от англ. Sodium-­cooled Fast Reactor) — самая зрелая из предложенных GIF и обладает целым рядом преимуществ: возможностью воспроизводства топлива, эффективным теплосъемом, отсутствием высокого давления в системе и значительным опытом эксплуатации. Известны и недостатки SFR: активное взаимодействие натрия с водой и воздухом (требуется дополнительный промежуточный контур) и положительный пустотный эффект реактивности.

Реакторы с натриевым теплоносителем эксплуатируются давно. Сейчас в работе находятся российские БОР‑60, БН‑600, БН‑800 и китайский CEFR. Разрабатываются проекты БН‑1200, PFBR (Индия), ESFR (Европейский союз) и другие.

Опасность обращения с натрием обосновала появление концепции реактора на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем (LFR, от англ. Lead-­cooled Fast Reactor). Свинец, в отличие от натрия, химически пассивен при контакте с водой и воздухом, при этом является таким же эффективным теплоносителем с высокой температурой плавления, не требующей систем поддержания высокого давления. Тем не менее более высокая температура затвердевания свинца и его активное взаимодействие при высоких температурах с конструкционными материалами требуют технических решений для обеспечения безопасности.

Сейчас в мире не эксплуатируется ни один свинцовый реактор, но в разработке находятся несколько проектов: российский БРЕСТ-ОД‑300, ELFR, ALFRED (оба — ЕС) и ­американский SSTAR.

Во всех рассмотренных выше концепциях аварии с расплавлением активной зоны маловероятны, но все же реальны. Можно ли полностью исключить плавление активной зоны? «Можно, если использовать жидкое топливо», — так лектор начинает рассказ о жидкосолевых реакторах (MSR, от англ. Molten Salt Reactor).

MSR представляется наиболее прорывной концепций, обладающей множеством преимуществ: воспроизводство топлива (для MSR на быстрых нейтронах), высокая температура кипения, отрицательный пустотный эффект, высокая эффективность, возможность добавлять и удалять раствор топлива с непрерывным удалением продуктов деления.

Уникальные характеристики MSR обусловили появление огромного количества проектов реакторов этого типа. Доктор К. Микитюк показывает схему с различными вариациями MSR и соответствующими проектами, число которых превышает три десятка. К крупным проектам относятся европейский MSFR, российский Mosart и американский FHR.

Перед реализацией своих проектов ученым необходимо решить ряд технических проблем, связанных с радикальным отличием MSR от эксплуатируемых сейчас реакторов. Это проблемы сильной коррозионной активности и затвердевания солей, отсутствия привычных защитных барьеров (таких как оболочки топливных таблеток и твэлов), скупой базы экспериментальных данных.

«Концепции четвертого поколения — ориентир и надежда атомной энергетики. У нас нет другого варианта, кроме как искать решения для их реализации», — подчеркнул К. Микитюк.

Записи докладов представлены на англоязычном канале НИЯУ МИФИ.