PRoAtom - Энергетика на быстрых реакторах: от замысла через опыт к новому старту

В.В.Орлов, д.ф-м.н., профессор, НИКИЭТ

I. Военная предыстория, роль теории

Ядерная энергия, в миллионы раз превосходящая химическую по калорийности и ресурсам топлива, с начала 20 века будила воображение ученых и фантастов (Содди, Уэллс, Вернадский). Но Резерфорд и др. физики сомневались в ее практическом значении: ускоренные заряженные частицы теряют энергию в кулоновских столкновениях, так что выход ядерных реакций мал и выделенная энергия много меньше затраченной.

В начале 30-х была понята роль синтеза легких ядер в происхождении химических элементов и энергии звезд, но и тогда физики не решились предложить ядерный синтез при звездных температурах для производства такого «ширпотреба» как энергия.

Открытие нейтрона (Чэдвик, 1932) родило новые надежды. Но свободные нейтроны нестабильны и получаются в небольших количествах под действием энергичных γ-квантов или заряженных частиц из ускорителей или радиоактивных ядер (RaBe и др. источники нейтронов). Об энергетике же можно говорить лишь при размножении нейтронов в реакциях (n, νn) с ν>1.

Но в пороговых реакциях (n, 2n) даже с низким порогом около 2 МЭв для ²Н,⁹Ве (Сцилард, 1934) энергия вторичных нейтронов ниже порога или уходит под порог после рассеяний, так что цепной реакции не получается.

Опыты Гана и Штрассмана, их объяснение в начале 1939 г. теоретиками делением U (Мейтнер, Бор) с испусканием нейтронов (Ферми), вскоре – измерения ν~2-3 и развитие основ теорий деления (Бор, Уиллер) и цепной реакции (Ферми, Вигнер и др.) сделали физикам ясной необычайную простоту физических и технических принципов ее осуществления на нечетных изотопах (²³⁵U, 0,72% в U_nat , вскоре были получены и ²³⁹Pu из ⁸U и ³U из Th).

В 1972 было обнаружено сниженное содержание ²³⁵U в U месторождения Окло(Габон) – свидетельство действовавшего на Земле 2 млрд лет назад природного реактора (тогда ⁵U в U_nat было около 3%).

В 1939 г. началась мировая война и Эйнштейн предупредил Рузвельта об угрозе создания Германией оружия невиданной силы. В декабре 1942 г. Ферми пустил под Чикаго первый реактор (физическая модель графитового теплового реактора (ТР) на U_nat). Вскоре были построены промышленные реакторы этого типа и тяжеловодные, завод изотопного разделения U в ОкРидже и создано ядерное оружие - малые быстрые реакторы (БР) на Pu и ⁵U с «временем жизни» нейтронов τ<<1 мкс.

В 1945 США испытали и сбросили на Японию атомные бомбы. С 4-х летним сдвигом эти задачи были решены в 40-е и СССР, а в 50-е США и СССР создали водородное оружие и АПЛ с легководными реакторами на U_enr. Ядерное оружие и ликвидация ядерной монополии изменили картину 20 века, исключив из нее большие войны, потрясшие мир в его 1-й половине.

В его создании в беспримерные сроки решающую роль сыграли физики – теоретики, применившие строгую логику теор. физики к практическим задачам.

Обнаружив со времен Ньютона и воплотив в теор.физике математически строгую логику физических основ мироздания, физика 19-20 веков проникла в его глубины, найдя там и основы новой энергетики

- электричество – централизованное производство, дальняя передача, новые технологии конечного использования энергии, ее дешевый неисчерпаемый ядерный источник – ядерная энергетика (ЯЭ).

Их жизни хватило и на постановку задачи ЯЭ, ее решение осталось ученикам.

Столь же острой нужды в новом источнике энергии не было, тем более «отягощенном огромной радиоактивностью и производящем ядерную взрывчатку, которая может попасть и не в те руки» (Ферми), созданным же для военных целей тепловым реакторам не хватает нейтронов для решения в масштабах энергетики проблем топлива и безопасности.

ТР используют менее 1% U – ⁵U и немного Pu из ⁸U, поэтому лишь из наиболее богатых руд (по современным оценкам ~17 млн.тонн) с содержанием металла ~10^-3и выше и запасами много меньше угля, нефти, газа. Изменения реактивности при выгорании топлива, много большие доли запаздывающих нейтронов, с риском разгона (Чернобыль), накопление РАО, разделение U (изотопное) и U и Pu при переработке топлива с риском распространения оружия – проблемы безопасности ТР-ов.

Создание ТР для решения отдельных энергетических задач представлялось подобным стрельбе из пушек по воробьям, и вскоре после пуска первого ТР Ферми для энергетики предложил быстрый реактор (Discussion on Breeding, 1944) c большим избытком нейтронов сверх идущих на поддержание цепной реакции (ИН) - главный физический ресурс для решения проблем топлива и безопасности при адекватном выборе технических средств.

где ν_fis,ν_fer – числа нейтронов на деление делящегося и сырьевого ядра, ά-потери на радиационное поглощение делящимся ядром, f – вклад порогового деления сырьевого ядра.

Коэффициент воспроизводства делящихся ядер (Pu, ³U) из сырьевых (⁸U, ²Th)

КВ=ИН-А, где А – потери на поглощение в конструкциях и продуктах деления (ПД), утечку.

При ИН в БР-рах до 2,3 против ~1 в ТР(1,2 в цикле Th-³U) легко достигается полное (КВ≈1) и даже избыточное (КВ>1) воспроизводство делящихся Pu или ³U с полным использованием U (Th), так что годятся и бедные руды (даже если добыча в сотни раз дороже). В равновесном режиме (КВ≈1) реактивность меняется мало, делятся и, кроме ^{8, 5}U, приходят в равновесие (а не копятся) все актиноиды, исключается разделение U и Pu, со временем и изотопное разделение U.

Овладение в энергетике дешевым неисчерпаемым топливом U, Th в 3 млн. раз большей, чем уголь, калорийности откроет новую эру истории. При среднем содержании в Земной коре 4 10^-6 U и 10^-5 Th их запасы на глубине до 2 км ~10¹⁴ тонн неисчерпаемы (их тысячной доли хватит человеку на миллионы лет).

Уже в 1951 в США на опытном БР EBR-I было получено электричество, но в 60-е он потерпел аварию, как и АЭС E.Fermi, а в 80-е США свернули строительство БР и замкнутого ТЦ по мотивам нераспространения.

В 1949 к идее БР-ров пришел Лейпунский, возглавивший работу по ним в России, и в 70-е были построены БН-350 (проработал 25 лет) и БН-600 (работает). Но они оказались много дороже АЭС с ТР-ами и не получили продолжения, как и пущенные за ними БР во Франции и Англии.

Осуществить замысел ЯЭ на БР-ах в 20 веке не удалось, а ЯЭ стартовала в 50-е на «военных» ТР-ах, но уже в 70-е в США, а в 80-е после Чернобыля в России и Европе пришла в состояние застоя.

Второй за 30 лет нефтяной кризис возродил интерес стран к АЭС с ТР-ами. ЯЭ из научной задачи стала техникой и промышленностью, и сменившие основоположников инженеры, выросшие на реакторах 40-х-50-х, решают прагматические задачи их совершенствования для продвижения на рынок.

Аналогия с ренессансом европейской культуры после ее античного расцвета и средневекового упадка неверна: расцвета ЯЭ не было. «Ренессанс ЯЭ» - пропагандистский прием вроде рекламы залежалого товара.

Но «нет ничего практичнее теории» (Ф.Бэкон, 17 век), и чтобы решить встающие перед миром в 21 веке и далее проблемы топлива и энергии, нужно вернуться к исходному замыслу ЯЭ на БР-ах, теоретически осмыслив причины неудачи первого опыта и исправив ошибки.

Однако в выросшей из теор. физики ЯЭ за десятилетия «выживания» возобладал «прагматизм». В 70-е-80-е г.г. призывы немногих оставшихся в США (Вейнберг) и России теоретиков к созданию новых АЭС на принципах inherent (по-русски лучше естественной) безопасности столкнулись с инерцией стереотипов и «прагматических» взглядов и интересов.

МАГАТЭ даже выпустило TECDOC, рекомендующий применять слова inherent safety к элементам, но не АЭС в целом, и она была сведена «прагматиками» к пассивным средствам защиты традиционных реакторов, а новая концепция БР естественной безопасности БРЕСТ встречена дома в штыки.

ЯЭ на БР-ах приняли не все физики. Не учтя гасящего Доплер-эффекта на ⁸U, Теллер считал БР с τ<<1 мкс подобным бомбе, оставив ему роль «Pu фабрики» для ТР-ов. В 60-е эту же роль отвели дорогим БР-ам и физики Курчатовского института, создавшие вместе с НИКИЭТ ТР для оружейного Pu и АПЛ.

II. Осмысление причин неудачи

Пустив первый ТР, Ферми предложил для энергетики не его (позже это сделали «прагматики»), а БР с высоким ИН и КВ≥1, открывающий путь новой энергетике на дешевом неисчерпаемом топливе и недорогих АЭС.

Первые крупные АЭС были лишь немного дороже обычных ЭС, но в 70-е подорожали вчетверо (требования безопасности NRC) c отказом фирм США от их нового стр-ва, а потом были TMI и Чернобыль.

Не видя путей обеспечения безопасности, он попросил ANL (Argonne National Laboratory) разработать концепцию БР-ов в варианте запуска первых БР-ов на Pu из ТР-ов на U_nat и их «размножения» далее за счет избыточного Pu (КВ>1). Ферми говорил и об U_enr, но думал в ЯЭ обойтись без энергоемкого разделения U, а з-д в ОкРидже еще не работал.

В результате ЯЭ стартовала в 50-е и до сих пор строится на ТР-рах. Несколько опытных АЭС с БР-рами не получили продолжения, их замкнутый ТЦ не освоен, АЭС дороги и ЯЭ так и не стала обычным бизнесом на рынке энергии и инвестиций. Ни по топливу, ни по безопасности, включая отходы и распространение, ЯЭ не готова взять на себя существенную часть мирового производства энергии. Замещение ~7% топлива (16% эл-ва) мало влияет на его растущие расходы и выбросы СО₂, а заметно больше не удастся и при вводе БР-ов на Pu.

Лишь в 80-е было понято (КИ, НИКИЭТ), что причины неудачи первого опыта кроются в самой концепции «БР размножитель», пускаемый на Pu из ТР-ов. Расходы U и работы разделения на запуск БР на U_enr много меньше, чем на Pu из ТР, и можно отказаться от высоких темпов бридинга Pu (КВ>>1, энергонапряженность), направив «лишние» нейтроны и выбор технических средств на реализацию природных качеств безопасности БР с удешевлением АЭС.

От ошибок не застрахован и гений, и их исправление - в отказе от БР-размножителя в пользу БР-естественной безопасности с плотным топливом равновесного состава (КВ≈1) умеренной напряженности, отводом тепла негорючим высококипящим Pb (Bi редок и дорог – в земной коре Bi в ~200 раз меньше Pb - и является источником высоко ά-активного летучего Po).

III. Историческая миссия 21 века и быстрые реакторы

Тысячи лет человек строит свой рукотворный мир, используя малую часть от 10⁸ ГВт рассеянных потоков солнечной энергии, сконцентрированную в руслах рек и ветре и аккумулированную в растениях и залежах топлив. Совершенствуя технику и снижая затраты, он увеличил свою «мощь» от собственных ~100 Вт до ~1 КВт, а в 20 веке в передовых странах до ~10 КВт, достаточных для полноценной жизни и дальнейшего развития за счет научного прогресса вместо наращивания производства пищи и энергии.

Стремление все новых стран – большинства населения Земли – к этому уровню становится в 21 веке ведущей линией мирового развития и приведет к росту мировой энергетики от ~10⁴ ГВт(т) сейчас до (возможно, уже в 22 веке) ~10⁵ ГВт(т) (12 млрд.чел. · 10 КВт/чел), еще не нарушающих заметно баланса с 10⁸ ГВт от Солнца. 21 век может стать началом новой истории человечества.

Если человек «захочет» много больше энергии, придется получать ее на фотоэлектрических преобразователях солнечного света, дорогих из-за низкой плотности и неравномерности его потоков.

Но удорожание топлива и энергии при приближении к топливным и экологическим «пределам роста» традиционной энергетики, (хотя и не вполне определенным), тормозит развитие бедных стран и грозит миру обострением конфликтов, особенно опасных с появлением ядерного оружия.

При создании недорогих АЭС с БР-ами естественной безопасности, пускаемых на накопленном ТР-ами Pu или U_enr, в рамках ресурсов недорогого U может быть развита ЯЭ вплоть до 10⁵ ГВт(т), не имеющая далее ограничений по U и Th. Крупная ЯЭ изменит структуру энергетики в пользу электричества, дорогого из-за больших расходов дорогого «химического» топлива и составляющего лишь ~1/6 потребляемой энергии (1/3 в расходах топлива).

Поэтому магистралью ЯЭ останется производство эл-ва на крупных АЭС с его дальней передачей и когенерацией тепла для опреснения воды и локальных бытовых, с.-х. и пром. нужд (в т.ч. высокотемпературного). Крупные АЭС выгодны, а замыкание при них ТЦ позволит многократно снизить перевозки радиоактивных и делящихся веществ и расходы топлива на запуск БР-ов.

Нужды отдаленных районов, где живет небольшая часть населения и куда трудно передать энергию, потребуют небольших реакторов, в т.ч. тепловых, снабжаемых топливом Th-³U из Th-бланкета, которым нужно будет снабдить БР. Они дадут энергию и крупному транспорту.

Таким, через 70 лет после открытия деления, выглядит решение поставленной Ферми задачи, открывающее миру перспективу перехода в 21 веке к новой энергетике. Разумеется, это лишь схема, демонстрирующая предельные возможности ЯЭ. Где это выгодно, продолжится использование «химических» топлив, солнечной (гидро-, ветро- и фотопреобразователи, фотосинтез моторных топлив) и геотермальной энергии (для бытового тепла выгоднее тепловые насосы). Вырастет эффективность использования топлива (КПД ~50%) и энергии.

В следующие лет 20 страны продолжат строить освоенные ТР. Чтобы не зайти в новые тупики, за это время нужно разработать и опробовать новые БР и замкнутый ТЦ, способные выполнить переход в 21 веке к большой ЯЭ.

При верной научной постановке задачи (80% дела, по словам Ферми) всегда находились (и не одно) и ее технические решения.

IY. Быстрый реактор естественной безопасности

Для достижения высоких темпов бридинга (КВ, энергонапряженность) ANL выбрала для БР-ов металлическое топливо и легкий Na для отвода тепла (в EBR-I NaK). Следуя за идущими впереди США, ФЭИ принял Na (Лейпунский вначале рассматривал также PbBi и газ), но вместе с ВНИИНМ отдал предпочтение термостойкому керамическому топливу, а PbBi в 50-е применил в АПЛ.

Начиная с БР-5 (PuO₂, Na, 1959), БР используют оксидное топливо, уже освоенное в ТР-ах (Шиппингпорт, США, 1957). Было ясно, что для БР-ов много лучше плотные теплопроводные керамики, в т.ч. для достижения внутреннего КВА≈1 (равновесный режим работы топлива), и с 1965 г. БР-5(10) работал на монокарбиде, затем мононитриде U.

Но новых БР-ов не строилось, а начатое на Урале строительство завода смешанного U-Pu топлива, в т.ч. нитридного и металлического, было остановлено, и БН-350 и БН-600 продолжили работу на U_enrO₂.

Извлечение Pu органическим экстрагентом из водных растворов U было освоено для оружия, а затем применено и для переработки топлива АЭС. Но было ясно, что требующая длительной выдержки топлива водная химия многократно увеличивает длительность ЗТЦ и затраты Pu на запуск БР, резко снижает темп бридинга и создает проблемы дальних перевозок делящихся и радиоактивных материалов. Поэтому в 60-е США (Айдахо) и Россия (НИИАР) начали изучение «сухих» методов переработки топлива БР-ов при АЭС, так и не внедренных в практику из-за остановки программы БР-ов.

К 80-м г.г. в России были освоены АПЛ с реакторами, охлаждаемыми PbBi, и концепция БР естественной безопасности могла основываться на изучаемой с 50-х – 60-х г.г., но не примененной в первых БР-ах технике:

- нитридное топливо с КВ≈1 без U-бланкета с малыми изменениями реактивности на выгорание (оптимум КВ≈1,05) и состава топлива, не требующего разделения U и Pu при переработке (лишь добавления ⁸U);

- его «сухая» переработка (электрохимия) при АЭС после небольшой выдержки со снижением в ~3 раза расходов Pu (или U_обог) на запуск БР и резким снижением перевозок свежего и отработанного топлива;

- при умеренной напряженности топлива – Pb вместо горючего Na с малым запасом до Т_кип , широкая решетка ТВЭЛ вместо тесной для замедляющего Na: снижение подогрева Pb и увеличение Т_вх выше 400⁰С с запасом до Т^Pb_пл, отказ от плотного чехла ТВС (как и в PWR с широкой решеткой). Вместо аустенитных – освоенные в АПЛ ферритно-мартенситные стали, как и в PbBi, стойкие в Pb при поддержании активности кислорода и малораспухающие в потоке быстрых нейтронов.

Это позволило приступить к технической разработке БРЕСТ – опытного прототипа 300 МВт(эл) (с опробованием равновесного режима) и головного блока 1200 МВт(эл) – и НИОКР в его обоснование в расчете на демонстрацию нового БР и его ЗТЦ в обычные для этого сроки ~20 лет.

Детерминистическое исключение (заведомо пренебрежимо малая вероятность) наиболее опасных
- аварий разгона, потери охлаждения, пожаров и взрывов с катастрофическими выбросами радиоактивности,
- нарушения природного уровня радиоактивности при захоронении РАО,
- технологий разделения U и Pu при переработке, в будущем и изотопного разделения U, сделает безопасность ЯЭ убедительной и упростит «защиту в глубину» (от остаточных рисков).

Крупные АЭС станут (как это вначале и получалось) лишь несколько дороже обычных ЭС, а энергия при дешевом топливе существенно дешевле.

Достижение на этом пути нового уровня безопасности и экономики теоретически ясно, видны (но требуют разработки) и пути перехода от закритического паротурбинного на газотурбинный цикл среднего давления, от перегрузки топлива кампаниями к «непрерывной», получения в БР высокотемпературного тепла и др.

Переход от химической к физической (по массам, плазменной) очистке топлива от ПД исключит возможность выделения Pu, и такая технология сможет распространяться в странах, развивающих ЯЭ для энергетической независимости. Это позволит осуществить давно заявленную цель – «всеобщее и полное запрещение и ликвидация ядерного оружия», т.к. мировое сообщество тогда будет вправе и в силах проконтролировать и пресечь тайное выделение Pu из ОЯТ «на стороне». Видя перспективу независимого развития ЯЭ на БР-ах, страны пойдут временно на услуги ядерных стран или международных центров по обогащению U, переработке топлива ТР-ов и фабрикации первых загрузок БР. Технические и политические паллиативы сдерживают, но не предотвратили распространения оружия. Новые БР открывают путь радикальному правовому решению проблемы.

Теоретические оценки и проекты нуждаются в подтверждении - демонстрации опытного прототипа и головной АЭС.

Этот опыт даст новый старт развитию большой ЯЭ на БР-ах.

V. Ядерная стратегия России

В 40-е Россия вслед за США выступила пионером овладения ядерной энергией в военных, затем и мирных целях, в 70-е достигла военного паритета и вышла вперед в БР-ах., в 80-е выступила с их новой концепцией БРЕСТ на основе изучаемой в стране с 50-х-60-х техники.

Попытка с ходу осуществить проект БРЕСТ столкнулась с возобладавшей в отрасли, создавшей ранее новейшую технику, инерцией стереотипов и текущих «цеховых» интересов.

Между тем, живущей экспортом сырья России с душевым потреблением энергии на уровне передовых стран, но низким уровнем жизни и конкурентоспособности продукции (отсталые техника и производительность труда) жизненно необходим переход в 21 веке на инновационный путь развития. (В энергетике это, прежде всего, модернизация техники и развитие ЯЭ на новых БР-ах в интересах экономики, престижа страны и ее будущего).

Судя по выступлениям, это понимают руководители страны, но их призывы вязнут в самом ядерном сообществе, предпочитающем совершенствовать и продвигать на рынок (за счет бюджета) дорогие АЭС на реакторах 40-х-50-х г.г. в расчете на рост тарифов на энергию и вложений в сырьевую базу ЯЭ.

Подобное мы видим и в других странах, но при особенных условиях и лидирующих позициях в БР-ах России нужна собственная энергетическая стратегия, отличная от США, Европы, Японии, как и от Китая или Индии. Но работа по Стратегии развития ЯЭ на основе новых БР-ов, одобренной в 2000 г. Правительством РФ, была свернута «силами инерции», а намеченная ФЦП «Ядерная энерготехнология нового поколения» (в основном БР) пока не принята.

У России нет ни необходимости, ни возможности догонять, скажем, маленькую Норвегию по душевому потреблению энергии (оно у нас на уровне Франции, Германии, Японии, лишь в ~1,5 раза ниже США и выше Англии и Италии), как и осуществлять огромное строительство дорогих АЭС на ТР-ах вслед за Китаем, делающим энергичные первые шаги по развитию ЯЭ.

В статьях Б.И.Нигматулина приведены ясные доводы в пользу направления усилий и средств, прежде всего, на модернизацию техники и повышение эффективности использования топлива и энергии.

Россия продолжит совершенствовать, продлевать ресурс и где это выгодно, строить АЭС с ТР-ами, экспортируя их и топливо. Но главные цели ЯЭ остаются в будущем – в развитии большой ЯЭ на БР-ах, пока рассматривающемся по «остаточному принципу» по отношению к «прагматической» задаче развития ЯЭ на ТР-ах. Но ЯЭ остается, прежде всего, стратегической задачей, в рамках узкого прагматизма не решаемой и требующей широкого исторического взгляда и строгой логики в ее постановке.

Это автор и попытался сделать, обращаясь не столько к коллегам по «ядерному цеху», сколько к широкому научному сообществу и руководителям ядерной отрасли и страны, за ними и к капитанам бизнеса, пока видящего в ЯЭ свое дело лишь при получении достаточных преференций и гарантий от государств.

Россия еще сохраняет накопленный за более, чем полвека научно –технический потенциал по всем главным аспектам БР и ЗТЦ и более других стран готова к созданию БР для ЯЭ 21 века – приоритетной для страны задачи с приглашением к участию и других заинтересованных стран.

Это даст стране шанс сохранить лидерство в решении важной для всего мира задачи перехода в 21 веке к большой ЯЭ. Если же «прагматикам» удастся вновь свести дело к совершенствованию и тиражированию традиционных АЭС, вероятна утрата страной не только лидирующей, но и самостоятельной роли в ЯЭ.