С.П.Распопин, профессор-консультант кафедры редких металлов и наноматериалов Уральского государственного технического университета
До каких пор атомная энергетика будет находиться в тупике?
Много большей частью пустых разговоров о насущной необходимости возрождения промышленности (особенно в последнее время) наш народ слушает и смотрит по радио и телевидению. Кто не согласится и кого надо уговаривать, что нужно модернизировать производство, внедрять новые, более эффективные технологии? Необходимы энергичные, четко спланированные действия. Каковы же они?
Не будучи достаточно компетентными о состоянии дел во всех отраслях, постараемся разобраться с тем, что творится в атомной энергетике.
Отдавая должное сделанному предшественниками, - умными и дальновидными руководителями главков Минсредмаша, в первую очередь - начальниками и сотрудниками Научно-технического управления (НТУ): Н.М.Синевым, А.К.Кругловым, Г.М.Лямкиным, М.Е.Кемеровой, М.С.Гусаровым, А.Ф.Царенко и другими, невозможно не видеть отсутствия понимания проблем развития атомной энергетики нынешними бог весть откуда пришлыми руководителями «Росатома».
Два века тому назад появились стефенсоновские паровозы. 50-60 лет их совершенствование сводилось к улучшению дизайна трубы и мелодичности свистка. В атомной энергетике случилось нечто подобное. Конструкторы ядерных реакторов (ЯР) зациклили свое внимание на улучшении стойкости в нейтронных потоках твердотопливных тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) и их сборок (ТВС). Виднейшие специалисты, прежде всего металловеды, трудились, подбирая составы ядерного топлива (ЯТ), оболочек ТВЭЛ, способов их нанесения...
Благодаря обширным исследовательским и опытно-конструкторским работам в этих направлениях были достигнуты некоторые результаты. В частности, была повышена безопасность и очень важная характеристика - глубина выгорания делящихся изотопов, что позволило несколько сократить количество облученного ядерною топлива (ОЯТ), периодически выводимою из активной зоны (АЗ) ЯР на длительное «остывание» и переработку его по несовершенному до сего времени водному ядерно-топливному циклу (ЯТЦ).
Достигнутые результаты следует считать скромными, давно требующими коренного пересмотра всех технологических процессов изготовления, использования ЯТ и ЯТЦ его переработки. В противном случае будет продолжаться накопление гигантских количеств ОЯТ, в котором задалживается на очень длительное время много делящегося урана-235 и плутония-239. Что и видно по масштабам наполнения создаваемых сухих хранилищ и бассейнов.
Сложившаяся ситуация заставляет делать выводы о несостоятельности концепции использования твердотопливных ТВЭЛ для энергетических ЯР как на тепловых, так и на быстрых нейтронах. Вызывает удивление бойкая международная торговлишка «стефенсоновскими паровозами» на условиях, которые вряд ли принесут коммерческие выгоды России.
Давно пора создавать совершенно новые энергетические ЯР последующих поколений на быстрых нейтронах с мобильными разновидностями ЯТ. А также осваивать безводные ЯТЦ переработки ОЯТ, полностью отказавшись от ставших совсем несуразными водных технологий, причиняющих много хлопот экологам, да и многим причастным к этому безобразию.
В каком темпе и куда продвигаются исследования, направленные на создание энергетических ЯР можно судить по тому, что провозглашали наши руководители всех уровней и публиковалось за минувшие 15-20 лет. Грустно и стыдно признать, что доктрины и программы оказались пустословием. И это несмотря на множество предложений об иных путях и конкретных эффективных решениях, публиковавшихся в материалах конференций, совещаний, в журнальных статьях...
Нам в свое время понравилась статья Н.С.Королевой (журнал "Атомная стратегия", апрель 2005 г.) «Почему у быстрых реакторов черепаший шаг?». В ней высказаны мнения достаточно широкого круга специалистов о том, что надо предпринимать. Казалось, что за пять(!) прошедших лет даже черепаха сколько-то проползет. Ан нет! Никакого продвижения ЯР на быстрых нейтронах незаметно. Следует обратить внимание, что «черепаха» вроде бы ползет назад, судя по очередному продлению сроков неизвестно для чего 27 лет сооружаемого реактора БН-800.
В более близкой по времени информации («Атом-пресса» №40,окт.2009г.) опубликована статья В.Степанюка «Какая ядерная энергетика нужна обществу?», удивляющая повторами банальных истин. Например, в докладе проф. МИФИ Б.Гордона под тем же названием, что и статья, сказано: «Атомная энергетика должна быть не только безопасной, но и надежной, дешевой, практичной, экологически чистой.»; «...одна из главных целей второго атомного проекта - поиск принципиально иных революционных типов ядерных реакторов, разаботанных специально для энергетики». МИФИ, как носитель неувядаемых традиций профессора С.Б.Шихова, предложил что-либо в этом направлении?
Мы предлагаем на той же Белоярской площадке, осваиваемой в шестидесятые годы минувшего столетия мощным трестом «Уралэнергострой» (руководитель - незабвенный А.К.Поляковский) и организованными в стройотряды деловитыми, понимающими значение котлованов и закладываемых фундаментов, студентами физико-технического факультета УПИ, сооружать энергетические опытные ЯР на быстрых нейтронах с мобильными АЗ в виде солевых и металлических расплавов.
Изыскания научно-технических основ таких ЯР последующих поколений проводились с 1956 года на кафедрах редких металлов и молекулярной физики нашего Уральского политехнического института. В 1958 г они были одобрены научным руководителем ФЭИ А.И.Лейпунским, активно поддерживались руководителями НТУ Минсредмаша и хорошо финансировались до 1993 г. За этот период в тесном содружестве с НИИАР (Руководители: Г.Н.Яковлев, О.Д.Казачковский, В.А.Цыканов) выполнен огромный объём научно-исследовательских работ по разработке различных вариантов безводных способов ЯТЦ переработки ОЯТ, прежде всего ТВС БОР-60, ТВС с виброуплотненными ТВЭЛами и жидко-солевого ЯТ.
Наряду с этими работами велись изыскания солевых систем галогенидов, содержащих уран, торий и плутоний, пригодных для реализации в виде расплавленных АЗ и зон воспроизводства (ЗВ) энергетических ЯР на быстрых нейтронах. А также поиски стойких конструкционных материалов и покрытий, стойких в агрессивных средах и нейтронных потоках.
Достаточно сказать, что кафедрой редких металлов и наноматериалов физико-технического факультета Уральского государственного технического университета - УПИ получено 237 авторских свидетельств и патентов на изобретения (в т.ч.на методические). Только в этих направлениях исследований подготовлен 71 кандидат наук, из которых 19 впоследствии сформировали самостоятельные направления, стали докторами наук, видными специалистами: профессорами, зав. кафедрами, ректорами ВУЗов, директорами предприятий... Мы и сейчас готовим и будем продолжать подготовку кадров, ориентированных на внедрение результатов наших исследований.
Какие основные преимущества мы видим при использовании гомогенного ЯТ в виде солевых расплавов перед использованием твердотельных ТВЭЛ:
1. Беспредельная радиационная стойкость ионных расплавов. Жесткие бе та- и гамма-излучения могут вызвать только лабильные изменения ионной структуры расплава, но неспособны существенно повлиять на первоначальные свойства ЯТ. Отсюда глубина выгорания делящихся ядер может быть любой заранее заданной по каким-то иным соображениям.
2. Внутренняя безопасность ЯР обусловлена отрицательным коэффициентом реактивности с возрастанием температуры вследствие увеличения объема ЯТ. К тому же полезно использовать и конфигурационное регулирование с переходом цилиндрической формы АЗ в конусообразную.
3. Расплавы солевых систем АЗ , синтезированные из хлоридов урана, тория, плутония, щелочных и щелочно-земельных металлов, совместимы с теплоносителем - жидким свинцом при температурах 327 - 1000 град.С.Нагревая свинец, на котором «плавает» АЗ, до 750 - 800 град.С, его охлаждают в теплообменниках вторичного контура примерно до 400 град.С и возвращают в реактор. В АЗ нет никаких теплообменных устройств.
4. Выделяющиеся газообразные радионуклиды деления (РИД), - в основном изотопы криптона и ксенона, надежно улавливаются из защитной среды над расплавом АЗ - азота термодиффузией и фиксируются на твердых криосорбентах (два патента УПИ).
5. Поведение компонентов ионного расплава АЗ, контактирующего с теплоносителем - свинцом, определяется окислительно-восстановительным потенциалом, устанавливающимся на границе раздела этих фаз, т.е. отношением четырехвалентного урана к трехвалентному в солевой фазе. Вследствие этого все РНД с более электроположительными потенциалами выделения восстанавливаются до металлического состояния и усваиваются свинцом. К таким РНД относятся изотопы: ниобия, молибдена, технеция, рутения, родия, палладия и серебра. А это значит, что при каком-то их накоплении необходимо периодически рафинировать свинец. Не менее важно при этом выделять в отдельную фракцию (или даже фракции), содержащую ценные металлы, которые после определенной выдержки для спада активности, можно выгодно реализовать.
6. Накапливающиеся в АЗ электроотрицательные элементы - РНД , захватывая нейтроны, будут трансмутировать после бета-превращений в стабильные изотопы, что существенно понизит конечную активность РАО.
7. Все вспомогательные операции (синтез ЯТ, корректировку изотопного и массового состава, рафинирование теплоносителя первичного контура-свинца, отверждение РАО) желательно проводить на основной площадке, чтобы устранить перевозки радиоактивных материалов.
Выгоды от внедрения предлагаемого энергетического ЯР на быстрых нейтронах с АЗ в виде хлоридного ионного расплава:
1. Отпадают: сложное пр-во, сертификация ТВЭЛ и ТВС,
2. Замена, корректирование изотопного и массового состава ЯТ АЗ возможны без остановки, или понижения мощности ЯР. Это значимо повысит коффициент использования установленной мощности (КИУМ) ЯР.
3. Радикально изменяемся весь ЯТЦ, так как расплавы АЗ - это готовые электролиты для применения богатейшего арсенала методов современной высокотемпературной электрохимии,
4. В АЗ предлагаемого ЯР полнее используется энергия вторичных бета- и гамма излучений, а не рассеивается в разных сухих и водных хранилищах.
Результаты, полученные на опытных быстрых реакторах, скорее всего убедительно покажут целесообразность создания мощных энергетических ЯР этого поколения.
Дело за финансированием опытно-конструкторских и проектных работ.