И даже в области балета...

Строящийся под Томском ядерный реактор откроет новую страницу в энергетике Земли

Фото: Argonne National Laboratory / Wikimedia

Сорок три гектара территории, серые монолитные стены, обильно торчащая в небо арматура, краны и 600 рабочих. Через три года на этом месте, в закрытом городе Северске, в 25 километрах от Томска, начнет работать первая в мире Perpetuum Mobile мощностью 300 мегаватт — атомная станция с замкнутым топливным циклом и расплавленным свинцом в качестве теплоносителя. Предприятие называется опытным, так как супертехнологии для него пока рассчитаны лишь на математических моделях. Однако, проверив их на действующем реакторе, наши атомщики получат референтную АЭС нового поколения, оторвавшись от конкурентов из Toshiba, Areva и прочих на десятилетия. Проект, который имеет говорящее название «Прорыв», обещает энергию без опасности и, главное, без добычи урана.

Скептики и мирный атом

Пара слов для тех, кто считает мирный атом пережитком. Потребность человечества в энергии удваивается каждые 20 лет. Сжигание нефти и угля приводит к ежегодному образованию порядка полумиллиарда тонн сернистого газа и окислов азота, то есть по 70 килограммов вредных веществ на каждого жителя земли. Использование АЭС эту проблему снимает. Мало того, запасы нефти ограничены, а энергоемкость одной тонны урана-235 примерно равна энергоемкости двух миллионов тонн бензина.

Важна также себестоимость. На ГЭС киловатт-час электроэнергии обходится в 10-25 копеек, но гидропотенциал в развитом мире практически исчерпан. На угольных или мазутных станциях — 22-40 копеек, но встают экологические проблемы. На промышленных ветряных и солнечных электростанциях — 35-150 копеек, дороговато, да и кто гарантирует постоянный ветер и отсутствие облаков. Себестоимость атомной энергии — 20-50 копеек, она стабильна, создает куда меньше экологических проблем, чем сжигание нефти и угля, ее потенциал безграничен.

Наконец, российский мирный атом оказался почти вне конкуренции. В 2010 году, когда после 24-летнего «похолодания» многие страны снова захотели строить АЭС, наши реакторы оказались дешевле и не хуже японских, французских и американских прототипов. Более того, мы, в отличие от конкурентов, все эти годы строили АЭС — «Росатому» было что показать потенциальному заказчику.

Руководство госкорпорации грамотно распорядилось полученной форой. В итоге Westinghouse Electric в прошлом году обанкротилась. Toshiba, выкупившая ранее Westinghouse Electric, дышит на ладан. Финансовое состояние Areva тоже завидным не назовешь. Зато на «Атомэкспо-2016» приехали делегации 52 стран. У 20 из этих стран атомной энергетики до сих пор не было. Теперь они впервые появятся в Египте, Вьетнаме, Турции, Индонезии, Бангладеш — наши, российские АЭС.

Глубокий ад

Основная проблема атомной энергетики сегодня — топливо. Рентабельно извлекаемого урана на земле осталось 6,3 миллиона тонн. При учетах роста потребления хватит приблизительно на 50 лет. Стоимость — около 50 долларов за килограмм руды сегодня, но по мере вовлечения в добычу менее рентабельных месторождений она будет расти до 130 долларов за килограмм и выше. Есть, конечно, добытые запасы, и не маленькие, но и они не навсегда.

Уран добывается тяжело или очень тяжело. В породе урановой руды бывает порядка 0,1-1 процента, плюс-минус. Залегают руды на глубине около километра. Температуры на разработках выше 60 градусов по Цельсию. Добытую породу необходимо растворить в кислоте, чаще серной, чтобы из раствора выделить урановую руду. На некоторых месторождениях под землю сразу закачивают серную кислоту, чтобы потом забрать ее вместе с растворенным ураном. Однако есть урановые породы, которые в серной кислоте не растворяются...

Наконец, в очищенном уране только 0,72 процента необходимого изотопа — уран-235. Того самого, на котором работают атомные реакторы. Выделить его — отдельная головная боль. Уран превращают в газ (гексафторид урана) и пропускают через каскады центрифуг, вращающихся со скоростью порядка двух тысяч оборотов в секунду, где отделяют легкую фракцию от тяжелой. Отвал — уран-238, с остаточным содержанием урана-235 0,2-0,3 процента, в 50-е годы просто выбрасывали. Но потом стали хранить в виде твердого фторида урана в специальных контейнерах под открытым небом. За 60 лет на земле накопилось порядка двух миллионов тонн фторида урана-238. Зачем его хранят? Затем, что уран-238 может стать топливом для быстрых атомных реакторов, с которыми до сих пор у атомщиков были сложные отношения.

Свинцом по натрию

Всего в мире было построено 11 промышленных реакторов на быстрых нейтронах: три в Германии, два во Франции, два в России, по одному в Казахстане, Японии, Великобритании и США. Один из них — SNR-300 в Германии так и не был запущен. Еще восемь остановлены. Работающих осталось два. Как вы думаете где? Правильно, на Белоярской АЭС.

С одной стороны, реакторы на быстрых нейтронах безопаснее привычных, тепловых. В них нет высокого давления, нет риска пароциркониевой реакции и так далее. С другой — напряженность нейтронных полей и температура в рабочей зоне выше, сталь, которая бы сохраняла свои свойства при том и другом параметрах, изготовить сложнее и дороже. К тому же, в качестве теплоносителя в быстром реакторе нельзя использовать воду. Остаются: ртуть, натрий и свинец. Ртуть отпадает по причине высокой коррозионной активности. Свинец надо умудриться поддерживать в расплавленном состоянии — температура плавления 327 градусов. Температура плавления натрия — 98 градусов, поэтому все быстрые реакторы до сих пор делали с натриевым теплоносителем. Но натрий слишком бурно реагирует с водой. Случись повреждение контура... Как и вышло на японском реакторе «Мондзю» в 1995 году. В общем, с быстрыми оказалось слишком сложно.

Не волнуйтесь, не застынет

— Не волнуйтесь, свинец в нашем реакторе «Брест-300» не только никогда не застынет, но никогда не охладится ниже температуры в 350 градусов, — рассказывает «Ленте.ру» руководитель проекта по созданию БРЕСТ-ОД-300 Андрей Николаев. — За это отвечают специальные схемы и системы. Это совершенно новый проект, не имеющий отношения к свинцово-висмутовым реакторам, которые стояли на подводных лодках. Здесь все разрабатывалось с учетом последних разработок, технологий, достижений. Это будет первый в мире быстрый реактор со свинцовым охлаждением. Недаром же он называется «Прорыв». Перед вами предприятие будущего — АЭС четвертого поколения с замкнутым топливным циклом.

По стройке полазить мне не дали — здесь гриф секретности. Фотографировать тоже не разрешили, поэтому снимки не мои. Их делал человек, которому заранее объяснили, с каких ракурсов можно запечатлевать объект, а с каких нельзя. Зато Андрей Николаев подробно объяснил, почему и в каком порядке строятся три завода «Прорыва» и как атомная станция может работать без урана.

Предприятие будет состоять из трех заводов: завод по производству топлива, собственно реактор и завод по переработке топлива. Завод по производству топлива будет фабриковать абсолютно нового состава твэлы, не имевшие аналога в мире. Это смешанное нитридное уран-плутониевое топливо — СНУП. Делящимся материалом в новом реакторе будет плутоний. А уран-238, сам не делящийся, будет попадать под облучение тепловыми нейтронами и превращаться в плутоний-239. То есть реактор «Брест-300» будет выделять тепло, электричество, а кроме того, для самого себя готовить топливо.

Двух зайцев одним выстрелом

В мире сегодня работают 449 мирных промышленных атомных реакторов и еще 60 строятся. Во время эксплуатации этих реакторов, прошлых и будущих, возникает плановая проблема — отработанные тепловыделяющие сборки. Сначала их складывают в специальные ванны, где они несколько лет «остывают». Затем, «остывшие» твэлы складывают в «сухие» хранилища, где они накапливаются в больших количествах. Мощностей, способных перерабатывать отработанные сборки в разы меньше, чем необходимо. Почему? Потому что это очень сложно и дорого.

В проекте «Прорыв» будет построен собственный завод по переработке топлива. Как вы уже догадываетесь, завод этот будет не только уничтожать отгоревшее топливо, но выдавать на выходе сырье для новых сборок. Старые твэлы будут растворять в кислоте, возможно серной, затем на заводе с помощью непростых химических технологий разделят раствор поэлементно. Ненужное кондиционируют и захоронят, нужное используют. Кроме сырья для нового топлива, предприятие будет добывать из старых сборок редчайшие изотопы тяжелых элементов, востребованные в медицине, науке и промышленности.

Кстати, мощность реактора в 300 мегаватт выбрана не случайно. При этой мощности он будет производить столько же плутония, сколько потребляет. Такой же реактор с большей мощностью произведет больше топлива, чем потребит. Так что один раз загруженный реактор «Брест» будет работать как заурядный Perpetuum Mobile. Потребуется только небольшая подпитка предприятия обедненным ураном. Ну а уран-238, как я уже упоминал, накоплен атомной промышленностью в таком количестве, что хватит на вечность.

Большая кастрюля

— Чтобы вы представили себе реактор, — продолжает Андрей Николаев. — Это кастрюля высотой 17 метров и диаметром 26 метров. В нее будут опущены тепловыделяющие сборки. Через нее будет циркулировать теплоноситель — расплавленный свинец. Все оборудование от и до только российского производства. Это будет совершенно безопасный реактор с запасом реактивности меньше единицы. То есть в соответствии с законами физики ему просто не хватит реактивности для разгона. Масштабные аварии на нем не-воз-мож-ны. Никогда не потребуется эвакуация населения. Любой сбой, если он случится, не выйдет за границы здания предприятия. Даже выбросов в атмосферу в результате гипотетической аварии не будет.

В реакторе «Брест-300» будет внедрена автоматическая очистка теплоносителя. Теплоноситель нового реактора, то есть свинец, не потребует замены никогда. Таким образом исключается еще один проблемный отход традиционной ядерной энергетики — ЖРО.

Проблемы решаются по ходу

Авторы проекта «Брест-300» НИКИЭТ имени Доллежаля. Деньги выделяются в срок, строительство идет запланированными темпами, завод по фабрикации топлива начнет работать первым. Пуск реактора назначен на 2024 год. Затем будут достраивать модуль переработки топлива. Параллельно со строительством продолжаются работы по НИОКР. По результатам этих работ в строительство периодически вносятся изменения, поэтому окончательная финальная временная точка не называется.

У проекта «Брест» в академических кругах есть недоброжелатели. Это понятно, проект победил на конкурсе, в котором участвовали еще несколько именитых институтов. Критики называют технологии, используемые в «Бресте», — недоработанными. В частности, ставят под вопрос использование расплава свинца в качестве теплоносителя и так далее и тому подобное. Мы не будем влезать в детали, они слишком сложны и неоднозначны. С другой стороны — почему мы должны не доверять нашим атомщикам? Все проекты, которые СССР, а вслед за ним Россия делали в атомной отрасли, оказывались на шаг впереди западных и восточных аналогов. Так какие у нас основания полагать, что на этот раз что-то пойдет иначе? Мне кажется, стоит просто порадоваться за «Росатом» и ТВЭЛ и в то же время за себя, ведь это же наша корпорация.

Павел Орлов