Довольно часто в новостях можно услышать про какое-то очередное достижение проекта “Прорыв”. Люди, читавшие статьи Алексея Анпилогова про энергетику на основе быстрых реакторов и замкнутого ядерного топливного цикла часто думают, что это именно то, что он описывал. Но на самом деле есть несколько принципиальных нюансов, про которые я хотел бы рассказать.
Да, предварительно хочу сказать, что я не являюсь специалистом в области ядерной энергетики, и чтение литературы и новостей по этой тематике - просто давнее хобби. Так что возможно, в понимании тех или иных мотивов выборов каких-то конкретных технических решений я ошибаюсь.
Если говорить коротко (очень развернуто можно прочесть вот здесь), то для получения реактора, который производил бы больше плутония, чем потреблял (плутония или урана 235, это называется Кв>1), нам необходимо получить максимально энергичные нейтроны в АЗ, т.е. отказаться от замедляющей воды, как теплоносителя и постараться поднять плотность топлива (чем больше плотность атома, тем чаще нейтроны будут натыкаться на эти атомы, а не улетать за пределы активной зоны). Идея такого реактора (они называются “быстрыми” или “реакторами-размножителями”) появилась еще на самой заре развития ядерной науки и довольно быстро воплотилась в виде установок, использующих натрий или натрий-калиевый сплав в качестве теплоносителя.

Рис. 1. EBR-1 - первый в мире (1951 год) быстрый реактор с натрий-калиевым охлаждением.
Почему натрий? Основные требования к такому теплоносителю - минимальная температура плавления (у натрия - 96 С), т.к. любые замерзания теплоносителя в трактах добавляют гору проблем, да и не было в 50х конструкционных материалов, способных работать в реакторе при температуре выше 350 градусов. Важно так же отсуствие корозии по нержавеющей стали и цирконию (поэтому отпадает ртуть, бром или кальций), хорошие нейтронные характеристики (не поглощать, не замедлять) - по ним отпадает литий, углеродо- и водородосодержащие жидности (т.е. вся органика).
Натрий смотрелся идеальным кандидатом, а в сочетании с калием температура его плавления была даже еще ниже. Оставалась маленькая проблемка - жидкий натрий реагирует с водой и воздухом бурным пожаром и взрывами. Но это казалось не такой важной задачей - можно же просто не допускать контакта натрия с водой и воздухом, правда?
Так родилась одна из самых продвинутых и широко представленных на сегодня веток быстрых реакторов - натриевая. Как оказалось на практике, “маленькая проблемка” выливается в гигантские сложности - любая микроскопическая трещина в парогенераторе “натрий-вода” быстро разрушается и превращается в полыхающий пожар. Обязательной стала трехконтурная система (т.е. тепло к парогенераторам переносится из реактора специальным промежуточным герметичным контуром с натрием), что бы не допустить вовлечения весьма радиоактивного натрия из бака реактора в такой пожар. Мало того, система парогенераторов была сделана модульной и размещалась в боксах - что бы можно было быстро изолировать и потушить такой пожар, не останавливая весь реактор. У БН-600 - 72 таких модуля. Непростой получалась и система перегрузки ТВС с вакуумизацией (кислород в реакторе не допустим!), разогревом, а в обратную сторону - с отмывом безводным спиртом - все это на роботизированных конвейерах. Сложности добавляет и необходимость контролировать примеси в натрии, например азот и кислород, углерод и водород. В реактор добавляются т.н. “холодные ловушки” - охлаждаемые жидким азотом криосорбционные фильтры, на которых эти примеси (а заодно продукты ядерных реакций нейтронного поля с натрием и конструкционными материалами) оседают.

Рис.2. Внутреннее устройство французкого быстрого натриевого реактора "Суперфеникс" мощностью 1200 мегаватт.
В 80х, когда в СССР вводили в эксплуатацию БН-600, а во Франции доделывали “Суперфеникс” уже было совершенно очевидно, что все эти усложнения системы приводят к ее полной нерентабельности на фоне водяных реакторов - среди них существовали даже одноконтурные кипящие установки (например чернобыльский РБМК или фукусимский BWR-3) - а каждый контур - это + к металоемкости установки (т. е. ее цене) и + к стоимости эксплуатации. Так при переходе от бумажной концепции “реактора который при работе производит больше топлива чем потребляет” суровая реальность затормозила шествие быстрой энергетики. Существовала и еще одна сложность - в рамках ЗЯТЦ должно было обращаться весьма приличное количество выделенного плутония оружейного качества, а значит такой реактор не продашь каждому желающему (например - Саудовской Аравии или Польше). Параллельно работы по ЗЯТЦ выявили еще одну серьезную проблему - при реакторной переработке U238 в Pu239 образуется большое количество т.н. “минорных актиноидов” - изотопов Америция, Нептуния и Кюрия, крайне радиотоксичной дряни с большим периодом полураспада, которые к тому же в реакторе на воде работают нейтронным ядом (а вот в быстрых - топливом). При работе сотен реакторов, объемы минорных актинидов исчислялись бы тысячами тонн, и эта проблемка обещала бы бы масштабнее, чем ОЯТ тепловых реакторов.
На фоне постчернобыльской радиофобии вопрос выживания этого направления ядерной энергетики встал ребром.

Рис.3. Слева - модульный парогенератор БН-800 - 1/4 всей установки.
Именно в этот момент появляется появляется альтернативная концепция не только реактора на быстрых нейтронах но всей энергетики с замыканием - как попытка вырваться из тех проблем, что несла на тот момент эксплуатация натриевых реакторов.

Рис.4. Ранняя концепция РУ БРЕСТ-300.
Итак, БРЕСТ - Быстрый Реактор с ЕСТественной безопасностью. Натрий слишком активен для безопасной эксплуатации ? Отлично, мы возьмем свинец. А его минус, в виде температуры плавления в 327 С назовем плюсом - при возможной аварии с разрушением корпуса, свинец просто застынет. А он еще и хорошим экранирующим гамма-излучение агентом работает! А у него еще и спектр нейтронов более жесткий, чем у натрия - а значит мы повысим Кв. Далее - используемое в БН топливо, представляющее собой смесь оксида урана и оксида плутония всплывает в свинце, а такое поведение недопустимо при максимальной аварии? Ок, мы будем использовать нитриды этих металлов - заодно и повысим плотность топлива, помните - это снова повышает Кв. Свинец не реагирует с водой - мы можем выкинуть промежуточный контур и многочисленные изолируемые модули парогенераторов. И да - нам не нужен корпус реактора на сотни атмосфер, а значит мы можем сварить его прямо на стройке и снять ограничение на производительность уникального завода (правда у БН такие же преимущества). Теперь разберемся с ЗЯТЦ: мы не будем выделять плутоний - с помощью специальной пирохимической (расплавной) переработки мы отделим осколки деления от тяжелых металлов, в полученную композицию из урана, плутония и минорных актиноидов добавим свежего урана 238, и полученный порошок просто утрамбуем в твэл. Никаких высокотехнологичных таблеток, никакой жидкосной радиохимии. Мы сделаем это прямо на АЭС, не вывозя ОЯТ, в пристанционном модуле регенерации-рефабрикации топлива. И да, в силу того, что плутоний не выделяется в явном виде мы можем экспортировать такие реакторы направо и налево.
При этом, раз мы не выделяем плутоний, то нам нет смысла делать Кв больше единицы - получается, что реактор в БРЕСТ мы загружаем топливо 1 раз на старте, и дальше эта система работает автономно, требуя только практически бесплатный отвальный уран да материал для рефабрикации ТВС. Такое снижение Кв заодно упрощает конструкцию активной зоны и снижает требования к самим твэлам. Единственный отход АЭС — осколки деления плутония — высокорадиоактивные отходы в объеме порядка тонны в год под захоронение, сравните с десятками тонн ОЯТ от теплового реактора.
Главное, что эту концепцию продвигали не какие-то технофрики, а НИКИЭТ - институт, создавший первые военные реакторы-наработчики плутония, первые реакторы для подводных лодок, институт, создавший основу атомной энергетики СССР. Разработчиками вышеизложенной концепции в рамках специального конкурса был коллектив под руководством В. Орлова и Е. Адамова.

Рис.5. Реактор РБМК, созданный в НИКИЭТ
В 90е годы, как известно, нашей стране стало не до инноваций в ядерной энергетике, и проект мог бы быть похоронен и забыт, если бы Адамов не стал министром атомной энергии. БРЕСТ продолжал развиваться, финансироваться и регулярно проходить в планах нового строительства. К концу 90х оформилось 2 реакторные установки на базе этого концепта: 300 мегаваттный опытно-демонстрационный и 1200 мегаваттный промышленный (или “коммерческий”, с расчетной стоимостью электроэнергии на уровне ВВЭР-1200). Однако жизнь одному проекту чуть не окончилась смертью натриевого направления - единственный БН-600 был бы глубоко убыточен, если бы не огромные запасы “лишнего” урана оружейного обогащения, и перспектив развития ветки не просматривалась. Спасти это направление удалось … благодаря американцам и стремлению к договору по сокращению “избыточного” оружейного плутония, в ходе которых переговорщики из МинАтома убедили их профинансировать строительство БН-800, специально назначенным реактором-уничтожителем оружейного плутония.

Рис.6. Установка днища корпуса реактора будущего БН-800, зима 2011-2012.
С уходом Адамова в в конце 2001 и его соратников в 2006 ситуация вновь меняется. Специалисты атомной отрасли знают, что любая новизна в реакторной установке может обернутся крайне дорогостоящими ликвидациями аварий. А БРЕСТ просто соткан из новых, непроверенных решений. Критика касается неотработанности свинцового носителя - известно, что в полностью бескислородной среде горячий свинец растворяет сталь, а при избытке кислорода в нем появляются нерастворимые оксиды свинца, а значит уровень кислорода в системе необходимо поддерживать в очень узком диапазоне, причем в разном при разных температурах и режимах работы реактора. Неизвестно поведение свинцовой коррозии и при нейтронной активации стальных конструкций. Интеграция парогенераторов в корпус реактора приводит к появлению в турбинном паре трития - ужаса любого атомнадзора. Высокая температура плавления свинца оборачивается очень долгой процедурой отогрева и пуска - в случае Брест-300 она займет несколько месяцев. Нитридное вибротопливо имеет очень малую отработанность, а немногочисленные опыты по этому топливу выявляют проблемы на всех этапах - от переработки ОЯТ, до стойкости к распуханию в реакторе и даже к хранению в бассейне выдержки (нитриды реагируют с водой).
В 2007 году разработчик реакторов БН нижегородское “ОКБМ” переходит в атаку в статье директора этой организации. Маятник вновь качнулся в пользу натриевых технологий и финансирование многочисленных НИИОКР, которые надо было провести для поучений обоснований безопасности БРЕСТ и выбора конструктивных решений остановилось окончательно.
Неожиданный итог борбы двух концепций настал в 2010 году, когда была прията ФЦП "Ядерные энерготехнологии нового поколения на период 2010-2015 годов и на перспективу до 2020 года", или проект с громким названием “Прорыв”. В нем принято соломоново решение - разработать техпроект БН-1200, построить БН-800, как шаг от БН-600 к БН-1200, и построить комплекс БРЕСТ-300-ОД (опытно-демонстрационный, электрической мощностью 300 мегаватт), из реактора с машзалом, модуля фабрикации топлива и модуля переработки топлива. Т.е. к 2020 году на примере реальной эксплуатации оценить все плюсы и минусы обоих концепций ЗЯТЦ и реакторов.

Рис.7. Современные проектные параметры и вид РУ БРЕСТ-300-ОД.
Удовлетворив две основные группировки “реакторных генералов” (кстати, и третью - “Гидропресс” - тоже, эта фирма возглавила проект СВБР-100 - малого быстрого реактора на свинцо-висмутовой эвтектике на деньги Олега Дерипаски и Росатома, но об этом как нибудь в следующий раз), “Прорыв” вызывал глухое недовольство у специалистов отрасли. Претензии можно сформулировать так: “50 лет уже быстрые реакторы ходят в перспективных, и вот их промышленное внедрение опять откладывается на 10 лет в попытке выяснить, какая из версий более правильная. Мы уже похоже на термоядерную энергетику”. Многим виделось более правильным развивать натриевое направление, строя небольшие свинцовые реакторы для получения необходимого опыта и обоснований безопасности.

Рис.8. Проектное изображение комплекса БРЕСТ. 1. - реактор, 2-машзал с турбиной, 3-модуль переработки ОЯТ, 4-модуль фабрикации свежего топлива.
Однако имеем что имеем. В 2014 в Северском Химическом Комбинате (что рядом с Томском - один из крупных заводов по обогащению урана и радиохимии) началось строительство модуля фабрикации и переработки топлива в рамках строительства БРЕСТ-300-ОД. К 2018 планируется закончить этот модуль, а к 2020 - и сам реактор. Через несколько лет после пуска реактора заработает блок переработки ОЯТ и отправки полученной топливной композиции в модуль фабрикации свежего топлива - и топливный цикл будет замкнут. Всего на стройку заложено финансирование в 64 миллиарда рублей и еще 37 - на НИИОКРы по концепции БРЕСТ. И эти НИИОКРы активно идут уже несколько лет: построены стенды с макетами парогенератора, главного циркуляционного насоса, петля системы аварийного расхолаживания реактора, произведено множество экспериментальных ТВС с нитридным топливом, которые испытываются в реакторах БОР-60 и БН-600, создана горячая свинцовая петля для изучения процессов свинцовой коррозии и т.д. Самое интересное, что в процессе НИИОКРов произошел отказ от виброуплотненного топлива в пользу таблеточного, однако все остальные ключевые решения остаются неизменные.

Рис.9. Автоматический модуль подготовки ураново-плутониевых нитридных порошков. Обратите внимание на герметичные модули, в которых расположено оборудование.

Рис.10. НИИОКР по созданию парогенератора БРЕСТ.
Необходимо отметить, что в рамках Прорыва очень интенсивные НИОКР с созданием стендов всех агрегатов идут и по БН-1200. В т.ч. речь идет о переходе с МОКС-топлива БН-800 на смешанное нитридное топливо в БН-1200, создании новых безопасных парогенераторов (и сокращении их количества до 4), улучшении всех экономических характеристик натриевого направления вплоть до паритета с ВВЭР-1200.

Рис.11. ОКР по парогенератору БН-1200

Рис.12. НИОКР по натриевой гидравлике и корозии в рамках БН-1200.
Что ж, не смотря на всю критику и скепсис, если БРЕСТ дойдет до физпуска, это будет безусловная веха в мировой ядерной энергетике и новые возможности для замкнутого ядерного топливного цикла, идеи, действительно обещающей почти безграничные энергетические возможности человечеству.
Из комментариев
Комментарии
оч интересно, спасибо
>>Лектор, спасибо
да, спасибо!
Спасибо за материал, ждём продолжение.
Гм... достаточно подробно и понятно. Благодарю. Утащил в закладки!
ИМХО - самое перспективное направление.
На свинце, конечно. Ну, если прокатит 
Здесь основная фишка в том, что не надо :
1. КВ больше единицы.
2. Возить отработанное топливо на завод для выделения плутония (как в случае с МОКС).
У натрия мне кажется только один большой плюс - возможность создания реактора большой мощности доказана экспериментально (свинец же эксплуатировался только на реакторах малой мощности)...
Но от натрия отказались все, кто с ним работал - французы, американцы, японцы, англичане, бельгийцы... Слабо верится, что нам удастся создать реактор с натрием и без того гимора...
>С одной стороны это явный плюс, с другой стороны один большой завод получается дешевле, чем много маленьких.
Чтобы наработать плутоний на запуск нового реактора с схеме с МОКС понадобится сделать много циклов "отработанное топливо - на завод - мокс обратно на станцию". А это не только сильно много времени (о чём тут говорил Острецов). И даже не стоимость многократной переработки одной и той же дряни.
При масштабной энергетики на базе МОКС мы получаем постоянные перевозки очень больших объёмов отработок. И тут "количество может перейти в качество". Если постоянно возить "туда-сюда" - аварии будут. На ЖД. А там дрянь, в которой плутоний нарабатывали...
Поэтому схема "прямо на станции не возя через половину России удаляем "яды", добавляем 238-й - и снова загружаем" - мне кажется правильной.
Но не имеют отношения к проблеме замыкания... если я ничего не путаю... 
И есть ли у нас какие наработки?
О гомогенных реакторах мечтают давно, но практических наработок заметных пока чтото не видно...
Британцы на собственном опыте доказали несостоятельность газоохлаждаемых реакторов.
Не выдерживают они экономического соревнования даже с ВВЭР.
А ВВЭР это уже вчерашний день.
Высокая температура внутри тела реактора это не только плюсы, но и многочисленные минусы. Мне представляется свинцовый БРЕСТ налучшим вариантом развития реакторов деления.
Впрочем, до этого надо еще пахать и пахать. Зато в конце этого "путя" нас ожидает очень приятная вишенка. Полное отсутствие конкурентов в обозримом будущем. И значительное технологическое опережение всех энергетических конкурентов, что особенно интересно в условиях прохождения пика нефтедобычи.
Ну, насчет "вчерашний день".
Это как с самолетами. Вот строят новыйсамолет 5-го поколения. Это явное будущее авиации. Но самолеты, которые уже построены - разве будут уничтожаться? Более того, для разного рода папуасий самолеты 4-го поколения еще долго будут недостижимой мечтой и будут эксплуатировать самолеты 3-его поколения, зная и завидуя технологически развитым странам. которые начинают летать на пятом поколении.
Тоже и с ВВЭРами. Для очень и очень многих строительство таких реакторов - голубая мечта жизни.
Кстати, мы еще не знаем цену промышленного БРЕСТа. Очень может быть, что по цене для бедных стран дешевле будет строить ВВЭРы. Но это опять же - только пока. Пока U-235 хватает. А ну как кончится? А AY писал недавно, что урановой спички U-235 осталось ненадолго. Мы доедаем последние дешевые остатки уранового сырья. Что будет дальше?
А будет как и положено в кап. мире - кто не успел, тот опоздал. Марш в нищету. Айфоны каждый делать может, а вот реакторы...
Как писал AY вход в ядерную эру за 100 руб., выход - за 200, вторая попытка не предусмотрена.
Вот ясный пример - британцы. Утратили технологии, утратилинаучную школу - всё, идут на поклон к французам. К корейцам с японцами - вообще для британов западло. Белый сахиб кланяется узкоглазым. Этого Британия не переживет, удавится на суку.
И второе. Мне не нравится соединение воды и натрия в одной машине. Будет очень трудно обеспечить гарантированное разделение этих веществ. А вот свинец в радиоактивном плане мне очень импонирует. Само нахождение свинца там, где рождается радиоактивное излучение мне осень нравится. И кстати, вот и существенный повод заняться подробным изучением изотопного материаловедения. Только у свинца 10 изотопов. И каждый имеет собственные свойства. Причем в этом деле "размер имеет значение." Физические свойства сотни атомов и физические свойства сотни граммов атомов одного изотопа - это две больших разницы, как говорили в Одессе в её лучшие времена.
Есть еще масса соображений, для изложения и мотивировки котрых мне придется потратить не одну страницу текста и массу времени на поиски необходимых доводов и ссылок.
Я могу некоторых перечислить, но заниматься обоснованием - не буду - слишком долго... Тут трудов - докторскую можно защитить. Я не способен.
1. Нет высокого давления. все в пределах атм. давления.
2. Нет высокой температуры. Хотя тут я не уверен, но вряд ли будут тем-ра выше 500-600 градусов.
3.Сильная составляющая физической естественной безопасности реактора. В том числе и из-за присутствия свинца в качестве теплоносителя.
4. Выжигание долгоживущих актинидов в активной зоне в естественном режиме.
etc., etc., etc...
Этого Британия не переживет, удавится на суку.
Мы прямо так за нее переживаем, так переживаем, что аж кушать не можем...
Мне не нравится соединение воды и натрия в одной машине
Всем не нравится, думаю от водянорго контура со временем откажутся, заменят его скажем гексаном или аммиаком или придумают другой принцип. Кроме большой активности химической натрий всем хорош, а главное очень дешев и его много, найти необходимые количества свинца при массовом строительстве реакторов будет затруднительно, если вообще возможно. Именно поэтому и городят все это с натрием, потому, что все остальное хуже, не ртутью же реактор заправлять в конце концов.
Уважаемый Лектор, огромное вам спасибо за статью.
Свинцовые реакоры хороши, но свинец больно дорог, большие реакторы такие делать свинца не напасешся, одно дело 20-30 небольших реакторов для подлодок, и совсем другое промышленные монстры, так что натрий будут толкать ИМХО даже если с БРЕСТ все будет в норме.
введение бессвинцовых припоев
Ох, как счас набежит сюда "старая школа"...
З.Ы.
Чем черт не шутит, возможно за тем и вводили.
З.Ы.Ы
Прочитал статью, просто превосходно, с нетерпением буду ждать продолжения, успехов вам в просветительстве.
Да я сам старая школа, сталкивался с проблемами от этих бессвинцовых припоев, мама не горюй.
Вооот что я говорил. Честно говоря, вся эта возня с ядовитостью свинца в припоях у меня всегда вызывала конспирологический зуд. Как будто висмут с сурьмой уж так прямо безопасны, а качество припоя реально хреновое, может их затем вводили чтоб люди ничего в ручную не паяли? К стати а пули для картечи заменили, или нет, чтото я не вкурсе, тоже ведь вопили про вредность.))
Вводили европейцы в 2006 году, что бы с БРЕСом в 2020 проблем не было? ;)
Когда дело касается нового энергетического уклада поверить можно во все что угодно.))) Может они тоже хотели какой BREST замутить. Но вот лично мне кажется, что это проблемы доступности свинца, а он много где нужен, тут и силовые кабели, и аккумуляторы и ЖД, поэтому его стали изымать из малоценного оборота. Были публикации что по добыче свинца(веркблей) как то все не очень радужно. К стати, хрусталь вышел из моды...;)
Кстати, не очень понимаю, чем можно эту статью продолжить
Ну да, собственно все общедоступные данные вы уже предоставили. Но неужели у вас нет никаких интересных материалов об атомной энергетике, о ее истории например, хотя бы в СССР. Кто такие Тамм, Зельдович, Харитон, Сахаров, было много людей которые положили свою жизнь чтобы у нас было светло и тепло а мы даже их имен не знаем. Если не секрет расскажите какие вообще существуют виды реакторов на данный момент, чем отличаются. Как например, молодой человек может стать ядерщиком если ему вдруг захочется)).
Вы с такой любовью и подробностями рассказываете об ITER, ну неужели нет совсем ничего рассказать о наших ядерных разработках.
Наши ядерщики - умницы. Впечатляет.
Лектор! Спасибо за материал.
Очень интересно., спасибо! Редко кто сейчас пишет по этой теме так подробно. Или ура, всех победим или всевропалоничегонеполучится.
Насколько я знаю подобные реакторы уже долгие годы работали на подводных лодках проэкта "Лира". Правда там была свинцово-висмутовая эвтектика.
Если не секрет, где вы находите такие интересные материалы?
Да нету какого-то конкретного месторождения
Большое вам спасибо за то что делаете. Вот обычно прочитаешь какую хорошую новость, а потом уже ее нет нигде даже в архивах сайта, а вот на жесткий сохранять както ума не хватило.
"Гидропресс" это вот это(http://www.gidropress.podolsk.ru/)?
Спасибо вам за наводку, выйти на этот сайт не зная оч тяжело, отчегото все производители гидравлических прессов, так и рвутся взять себе это гордое имя)))).
Какие же дураки были!
Да, за иные дела сам бы себе в рожу плюнул, но к сожалению не долетит..., а на детях вины нет.
З.Ы.
Дурные, злые песни, Печали дней былых, - Я всё похоронил бы, Лишьдайте гроб для них.
интересно, благодарю!
Отличная подача! В закладки.
Проблем, похоже, масса.., но, наверное (?), как-то решаемых внутренним ресурсом - это приятно. От статьи веет оптимизмом - спасибо афффтору! Бум держать пальцы крестиком. Спсб :)
Большое спасибо за статью . Очень интересно.
Спасибо, очень интересно!
Натрий в качестве хладоагента? Это же катастрофа в случае серьезного инцидента.
Ничего, под аргоновой заливкой работать будут.
В дисскуссиях с немцами часто наталкивался на тезис о том, что при анализе стоимости энергии из атома обычно не принимается во внимание стоимость демонтажа и утилизации оборудования после максимального срока эксплуатации. Ведь таких работа даже еще и не проводили(вроде бы).
Интересует мнение уважаемого сообщества по этому вопросу
Это уже было, но здесь подробней и с картинками