Георгий Тошинский: о ТЖМТ и не только

На вопросы электронного издания AtomInfo.Ru отвечает советник генерального директора АО "АКМЭ-инжиниринг и АО "ГНЦ РФ-ФЭИ" (входит в научный дивизион госкорпорации "Росатом"), доктор технических наук, профессор Георгий ТОШИНСКИЙ. ТЖМТ и натрий Георгий Ильич, на Ваш взгляд, почему тяжёлометаллические теплоносители (ТЖМТ) должны занять своё место в будущей ядерной энергетике? Чем они отличаются от традиционно используемых - вода и натрий? Первое важное отличие от реакторов с водным теплоносителем - в реакторах на ТЖМТ нет высокого давления. Это означает, что исключается целый спектр аварий. Второе отличие - в реакторах на ТЖМТ нет выделения водорода как в реакторах с водным теплоносителем при взаимодействии циркония с водой в условиях тяжёлых аварий. Конечно, для легководных реакторов разрабатываются новые виды топлива, более устойчивые к авариям, но мы говорим с вами о том, что есть на сегодняшний день. Что касается натриевого теплоносителя, то он, несмотря на все его сложности, абсолютно безальтернативен, если необходимо иметь короткое время удвоения плутония в топливном цикле. Только натрий позволяет, благодаря своим уникальным теплофизическим свойствам, при КВ>1 быстро наращивать количество избыточного плутония, что очень важно при масштабном развитии ядерной энергетики и недостатке ресурсов природного урана. На мой взгляд, у натриевого теплоносителя есть и вторая ниша. Благодаря высокой удельной энергонапряжённости активной зоны, именно с натриевым теплоносителем можно сооружать реакторы, которые будут интенсивно сжигать младшие актиниды, прежде всего америций. Вместе с тем, натрий химически очень активен при контакте с воздухом и водой, возможном в условиях аварий. ТЖМТ же химически инертны, поэтому при их использовании соответствующие аварии также исключены. Поэтому для уменьшения вероятности тяжёлых аварий для реакторов с традиционными теплоносителями требуются сложные дорогие системы безопасности и инженерные барьеры. При регламентированной вероятности тяжелой аварии 10^-5 на реактор в год и существующем числе энергоблоков (около 500) тяжёлые аварии могут происходить с периодичностью 200 лет. Это гораздо больше продолжительности жизни человека, в памяти которого столь отдалённые события имеют малую значимость. Однако, при возрастании количества энергоблоков в будущем до 10000 (примерно такое количество энергоблоков необходимо, чтобы ЯЭ выполнила свою миссию по сокращению выброса углерода) средняя периодичность реализации тяжёлых аварий составит уже 10 лет, что совершенно неприемлемо. Поэтому в будущем планка безопасности должна повышаться, что приведёт к повышению затрат на безопасность. Таким образом, применение ТЖМТ, в которых отсутствуют аккумулированная потенциальная энергия сжатия и химическая энергия, создаёт принципиальную возможность одновременно повысить безопасность и улучшить экономику. Кроме того, повышенный уровень безопасности, обусловленный природными свойствами ТЖМТ, позволит преодолеть радиофобию населения, что важно для устойчивого развития ядерной энергетики. Свинец и свинец-висмут - конкуренты или союзники? Реакторы с ТЖМТ, могут быть использованы как для создания энергоблоков большой единичной мощности (БРЕСТ на свинцовом теплоносителе), покрывающих базовую часть нагрузки, так и модульных АЭС малой и средней мощности, работающих в локальных или региональных энергосистемах в режиме следования за нагрузкой и вырабатывающих наряду с электрической тепловую энергию (СВБР-100 на свинце-висмуте). Они позволят замещать угольные ТЭС, являющиеся основными загрязнителями окружающей среды. То есть эти реакторы будут не конкурировать, а взаимно дополнять друг друга. Такое положение обусловлено тем, что ресурсы свинца (в отличие от ресурсов висмута) и масштаб его производства не накладывают ограничений на развитие ЯЭ. Но для развития сектора АСММ на свинце-висмуте разведанных ресурсов висмута вполне достаточно. Свинцово-висмутовый и свинцовый теплоносители, как и все другие теплоносители, имеют свои достоинства и недостатки. Они по-разному влияют на технико-экономические показатели, безопасность и надежность АЭС (этому вопросу посвящена статья, принятая к публикации в журнале Атомная энергия, 2024, т. 136, вып. 5-6, "Быстрые реакторы со свинцово-висмутовым и свинцовым теплоносителями", Троянов В.М. и др., представленная ранее в виде доклада на конференции МНТК-23 НИКИЭТ). Оценить их реальную значимость невозможно без создания демонстрационных образцов реакторных установок с этими теплоносителями и получения опыта эксплуатации в составе АЭС. Свинец-висмут - между прошлым и будущим? Одна из двух моих монографий называется "Свинцово-висмутовые реакторы: между прошлым и будущим". Название соответствует существующему положению. Пока нельзя сказать, что быстрые свинцово-висмутовые реакторы нашли своё место в будущей ядерной энергетике. Есть лодочный опыт, который сопровождался на начальном этапе освоения авариями, связанными с отсутствием необходимых знаний, опыта и сжатыми директивными сроками создания АПЛ. Причины имевших место аварий достоверно установлены и устранены. Однако этот опыт не является в полной мере представительным. Вместе с тем в части обслуживания, ремонта и замены оборудования, перегрузки и хранения отработавшего ядерного топлива, технологии теплоносителя, обеспечения радиационной безопасности при работах с оборудованием, загрязнённым полонием, режимов размораживания, масштабного фактора этот опыт является достаточно представительным. Поэтому создание реакторных установок со свинцово-висмутовым теплоносителем, в частности, ректора СВБР-100, связано со значительно меньшими техническими рисками. Во многих странах ведется разработка реакторов с ТЖМТ как со свинцом, так и со свинцом-висмутом, примерно, в соотношении 50 на 50. Есть и другие проекты на свинце-висмуте. Из того, что упоминалось в последние годы в публикациях: СВЕТ-М, СВГТ-1. То есть, не только СВБР- 100. Это правда. Но различие в том, что из этих реакторов только реактор СВБР-100 даже на МОКС топливе позволяет получить КВ=1 и работу в замкнутом топливном цикле без потребления природного урана, что обеспечивает устойчивое развитие. По совокупности качеств этот реактор относится к IV поколению. У атомных станций малой мощности есть своя ниша. Их должно быть много, я считаю, как минимум несколько десятков, а, возможно, и сотен. Но реакторы мощностью меньше 100 МВт(э) не конкурируют с реактором СВБР- 100 с точки зрения возможности исключения потребления природного урана, так же как и другие реакторы малой мощности на тепловых нейтронах. Если нет свинцово-висмутовых реакторов относительно большой мощности, то не стоит ли начинать сегодня с микрореакторов на этом теплоносителе? Это вопрос больше к сценарию развития ядерной энергетики. Мое личное мнение - делать надо и то и другое. Я знаю, что компания "АКМЭ-инжиниринг" в своё время подписала большое количество протоколов о намерениях со многими странами, которые готовы были бы у себя построить и купить такие реакторы при условии, что СВБР-100 будет где-то продемонстрирован. Для свинцово-висмутового реактора мегаваттной мощности нужен заказчик, который согласится с характерными для микрореакторов большими удельными затратами. Мы видим для такого микрореактора нишу, но пока не видим конкретного заказчика. Проблема коррозии Георгий Ильич, предлагаем обсудить некоторые претензии к ТЖМТ, которые часто выдвигают критики. Например, утверждается, что такой теплоноситель придется очень долго разогревать. Всё зависит от объёма или массы теплоносителя. В СВБР масса теплоносителя 300 тонн, а в БРЕСТ-ОД-300 10 тысяч тонн. Свинец надо разогревать до 400°C, а свинец-висмут - до 150°C. Соответственно, потребуется разное количество энергии и времени на разогрев. Но в целом это не блокирующий вопрос. Самая большая претензия к ТЖМТ- реакторам другая. В каком состоянии сегодня находится технология тяжёлометаллического теплоносителя? Реально мы имеем единственную технологию, разработанную в Советском Союзе, основанную на защите стали от коррозии путём создания защитного покрытия из оксидов железа и хрома. На практике это означает, что нам нужно подобрать правильную температуру, так как все проблемы с коррозией прогрессируют с ростом температуры, а также нужно иметь соответствующее легирование стали для её коррозионной стойкости. Между прочим, мы в СССР сначала ошиблись, потому что попытались следовать американскому пути и едва не попали в тупик. Американцы хотели иметь ингибитор коррозии в свинце-висмуте путём добавок 0,05% магния и 0,05% циркония. Мы начали с магния и увидели, что течи в парогенераторах, при которых образуются водород и окись магния, только ухудшают ситуацию с технологией теплоносителя. Поэтому вовремя остановились и добавки циркония пробовать уже не стали. Позднее нами была разработана технология кислородной защиты. Она получилась жизнеспособной, это подтверждено и зарубежными исследованиями. Но у неё есть граница 600°C, до которой наблюдаются устойчивые результаты по отсутствию коррозии. У нас есть прямые результаты испытаний на 50 тысяч часов. Есть микрофотографии, другие данные, которые демонстрируют отсутствие следов коррозии. Как только мы переходим на 650°C вне зависимости от того, свинец-висмут у нас или свинец, результаты становятся неустойчивыми и проявляется много нюансов. Например, выяснилось, что советская сталь ЭП823-Ш оказалась намного лучше аналогичной российской. Почему? Потому что тогда не требовалось сделать подешевле, и заводы употребляли чистую шихту в пределах тех же допусков на легирующие компоненты и ненормируемые примеси. Сегодня заводы работают в рынке и заботятся о себестоимости. В результате получаются неустойчивые результаты - на одних плавках нет коррозии, а на других есть. И это важная проблема. Она касается всего ТЖМТ-направления и сейчас решается применительно к реактору БРЕСТ-ОД-300. Итак, проблема коррозии конструкционных материалов в ТЖМТ-теплоносителях реально существует, но не надо её демонизировать, утверждать, что там всё растворяется. Это всё равно, что сказать: "В воде коррозию не остановить!". А в какой воде? В морской воде не остановить, там хлориды. А в первый контур реакторов ВВЭР заливают дистиллят и поддерживают строгий водно-химический режим. Поддерживаете нужное качество воды - у вас нет коррозии. А если вы засолили контур, то у вас пойдёт коррозия под напряжением. Это всем известно. И мы не можем утверждать, что вода является идеальным теплоносителем. Это неправда. У натриевого теплоносителя по технологии требуется обратная по отношению к ТЖМТ задача. В натрии нужно кислород сводить к нулю, иначе возникнут проблемы с коррозией стали. Две стороны кислородной проблемы Кислородная пленка в ТЖМТ как образуется? За счёт подбора определённой концентрации кислорода? Совершенно верно. Суть в том, что тем или иным способом вводят в теплоноситель (неважно, свинец или свинец-висмут) кислород в требуемой концентрации, и он реагирует с поверхностью стали, формируя на ней защитную пленку Fe_{3O4 и Cr2O3, при этом должно быть соответствующее легирование стали. Если кислорода мало, то происходит раскисление теплоносителя, оксидная плёнка диссоциирует и стали просто растворяются, начинается жидкометаллическая коррозия. Поэтому мы должны выбрать правильное легирование, правильную температуру и правильный кислородный режим. При этом важна также конструкция ТВС, которая не должна препятствовать поступлению растворённого в теплоносителе кислорода к местам поверхности твэлов с наиболее высокой температурой для исключения локальной коррозии. Хорошо, но последний фактор есть слабое место любого ТЖМТ-проекта. Представьте, что персонал нарушил кислородный режим в результате тех или иных ошибочных действий. На наше счастье, процессы коррозии идут медленно. Сейчас разработаны электрохимические датчики концентрации растворенного кислорода. Они обнаруживают падение концентрации кислорода и формируют предупредительный сигнал, после которого оператор снизит мощность и температуру и начнёт исправлять ситуацию. Но то же самое мы можем сказать и про реакторы с водным теплоносителем. Представьте, что персонал нарушил солесодержание в воде и там появились хлориды. Что за этим последует? Точно такие же действия - предупредительный сигнал и исправление ситуации. В воде нужно контролировать около десятка показателей качества - и pH, и хлориды, и кислород, и электропроводность, и сухой остаток, и так далее. А в ТЖМТ контролируется только кислород, так что нам даже проще, чем нашим коллегам с легководного направления. Есть и вторая сторона кислородной проблемы. Если кислорода много, то выпадает избыточная фаза оксида свинца, образуются шлаки, и это было причиной тяжёлой аварии на подводной лодке К-27 (подробнее см. статью "Опыт эксплуатации реакторов с теплоносителем свинец-висмут", Троянов В.М. и др., в журнале Атомная энергия, 2023, т. 134, вып. 3-4, с. 111-119). Всё это сегодня известно. Была забита активная зона, она частично расплавилась, и так далее. Шлаки образовались в период длительных ремонтно-восстановительных работ и перегрузки активной зоны при разгерметизированном первом контуре. У некоторых критиков существует мнение, что шлаки образуются при длительной работе РУ с текущими парогенераторами. Однако это мнение ошибочно, что подтверждено длительными экспериментами на стендах по изучению прямоконтактной генерации пара путём впрыска питательной воды в свинцово-висмутовый теплоноситель, в котором шлаков не было обнаружено. Но после того, как были разработаны способы водородной регенерации теплоносителя с помощью введения в теплоноситель компонента гелий- водородной смеси, удавалось очистить забитый шлаками контур до блеска. То есть, сегодня есть все средства удаления избыточного количества кислорода из первого контура. Всё это было показано на стендах, как наших, так и западных. Разработаны и определены пределы как максимального, так и минимального содержания кислорода. Разработаны способы воздействия на кислородный режим. Они довольно простые, работают в автоматическом режиме, и на стендах ФЭИ это было показано. В системах управления СВБР-100 это было учтено? Конечно. Есть специальная часть технического проекта установки в целом - технический проект системы технологии свинцово-висмутового теплоносителя. В нём есть и датчики содержания кислорода, и устройства, повышающие концентрацию кислорода, и диспергаторы, которые вводят газовые водородосодержащие смеси, и фильтры, и так далее. Всё это есть в проекте. Выбор топлива Георгий Ильич, следующий вопрос мы с Вами неоднократно обсуждали, но спросим ещё раз. Почему, все-таки, для СВБР-100 было выбрано оксидное топливо? Это единственное ядерное топливо, освоенное в промышленном производстве, проверенное в условиях длительной эксплуатации как в реакторах водо- водяных, так и в реакторе БН-600. Глубина выгорания в СВБР-100 была принята не выше достигнутой в БН-600, линейные нагрузки и температуры ниже, поэтому опыт БН-600 для нас играл роль референтного. Для СВБР-100 мы старались по максимуму сократить объём НИОКР. Но это не означает, что мы не принимаем нитридное топливо. СВБР-100 спроектирован так, чтобы он мог работать и на нитридном, и на карбидном, и на МОКСе, и на СНУПе. Но всё в своё время. Когда у нитридного топлива будут подтверждены работоспособность и экономические характеристики, тогда можно переводить СВБР на СНУП топливо. Нитрид обладает двумя преимуществами против оксида. У него более высокая плотность, что улучшает физику. Также у него выше теплопроводность. Но у высокой теплопроводности есть и оборотная сторона - так как она высокая, то плохо работает Допплер-эффект. На оксидном топливе при набросе мощности и росте температуры сразу проявляется быстрая отрицательная обратная связь. На нитриде с этим дело обстоит хуже. Нитридное топливо распухает сильнее, чем оксидное, оно более жёсткое. На нём сложнее получить глубокие выгорания, а это не слишком здорово с точки зрения экономики. Кстати, а КГО у СВБР-100 есть? Обязательно! Система КГО есть, она построена на анализе радиоактивности защитного газа (аргона). Как только в твэле появляется микродефект в виде газовой неплотности, то ксеноны и криптоны выходят в газовую полость и детектируются. При этом микродефект в оболочке типа газовая неплотность не развивается быстро в дефект с прямым контактом, когда выходят уран, плутоний, запаздывающие нейтроны. Это подтверждено экспериментально. А как же тогда увидеть, какой конкретно твэл потёк? Мы не определяем позицию. Как я уже говорил, опыт экспериментов на стендах и эксплуатации подводных лодок показал, что микродефект типа газовой неплотности не развивается в дефект с прямым контактом с размыванием топлива. Мы рассчитываем на то, что зона доработает кампанию с микродефектами. В принципе, у нас в СВБР-100 есть возможность при выгрузке, штатной или досрочной, перебрать сборки в специальной камере. Работа неприятная, лучше, чтобы она никогда не понадобилась, но возможность такая предусмотрена. Здесь ситуация аналогична поиску негерметичной ТВС в водоохлаждаемых реакторах, только не по активности газа, а по активности воды. И снова о натрии Итак, при выборе натриевого теплоносителя главным мотивом было обеспечить максимально возможные темпы наработки нового топлива для высоких темпов развития ядерной энергетики. На сегодняшний день такой задачи не стоит. И объёмы строительства АЭС резко сократились по сравнению с XX веком, и ресурсов природного урана по приемлемым ценам достаточно - оценивают, что их хватит примерно до конца этого века. Но тогда в быстром реакторе в качестве теплоносителя может быть применён и не натрий, который тянет за собой удорожание реактора из-за своих свойств. Для него требуется промежуточный натриевый контур, дополнительные противопожарные системы, особые конструкции систем обращения с топливом из-за невозможности сразу погрузить отработавшие сборки в воду, и др. Виктор Владимирович Орлов в своё время провёл сравнительный анализ натриевого и тяжёлых жидкометаллических теплоносителей в быстрых реакторах и показал, что если короткое время удвоения плутония не требуется, то открывается окно возможностей для ТЖМТ. Георгий Ильич, мы часто спрашиваем: от промежуточного контура в реакторе БН можно ведь избавиться, если перейти на новые конструкции парогенераторов? А я часто отвечаю: да, для этого нужны новые конструкции парогенераторов, которых до сих пор нет. Такие попытки неоднократно делались в прошлом и будут делаться в будущем. Но, к сожалению, сегодня в мире нет ни одного реалистичного проекта быстрого натриевого реактора без промежуточного контура. Конструктора не хотят рисковать. Слишком тяжёлыми могут быть последствия проникновения воды и пара в натрий первого контура. Гарантии, что такого никогда не случится, никто дать не может. Особенности ЖСР Георгий Ильич, последний вопрос. Для выжигания миноров в последнее время предлагаются жидкосолевые реакторы. Да, такие предложения есть. Можно сделать специализированный жидкосолевой реактор (ЖСР), предназначенный для выжигания младших актинидов. Но у жидкосолевых технологий, наряду с достоинствами (отсутствие необходимости разработки твэлов и ТВС, онлайн переработка, малый запас реактивности), есть и существенные недостатки. Сильная коррозия при высоких температурах? Проблему коррозии в ЖСР решить можно. Насколько я знаю, вполне реально подобрать материалы, работоспособные до температур 700-800°C, такие исследования ведутся. Главная сложность будет связана с очень высокой температурой плавления топливной соли, что влечёт за собой большие эксплуатационные трудности. Если у свинца-висмута она равна примерно 125°C и у свинца 327°C, то у солей температура плавления достигает около 600°C. В жидкосолевом реакторе весь контур придется держать при температуре минимум 600°C. Это означает, что потребуется мощная система подогрева на периоды, когда реактор не работает. Вторым недостатком топливной соли является очень большое увеличение объёма при плавлении. У эвтектики свинец-висмут, как мы, к сожалению, слишком поздно узнали, изменение объёма нулевое, поэтому размораживание и замораживание у таких реакторов проходит безболезненно. А вот у топливной соли этот показатель достигает 30%. Поэтому нужно решить проблему размораживания топливной соли, при сохранении работоспособности оборудования. Напомню также известную особенность ЖСР - у них нет двух первых барьеров безопасности, а именно, топливной таблетки и оболочки твэла. Отсутствие барьеров придётся как-то компенсировать, что усложнит конструкцию. Нужна также новая нормативная база. При остановке циркуляции у ЖСР возникает положительная обратная связь по реактивности, так как при работе реактора многие эмиттеры запаздывающих нейтронов находятся вне пределов активной зоны. Как только циркуляция прекратилась, у реактора возрастают βэфф и kэфф, и это нужно учитывать в анализах и расчётах. Проблема отвода остаточного энерговыделения переносится из первого контура в хранилище выделенных при онлайн-переработке продуктов деления, требующее высоконадёжной системы теплоотвода. Появляется новый фактор опасности - возможность образования локальных критических объемов в первом контуре, особенно при выпадении соли делящегося материала в осадок при несанкционированном снижении температуры. Из-за высокой радиоактивности первого контура усложняются техническое обслуживание и ремонт оборудования. Ответы на все эти и другие вопросы должны быть получены в процессе разработки и эксплуатации исследовательского ЖСР. Спасибо, Георгий Ильич, за интересное интервью для электронного издания AtomInfo.Ru.}