Версия для печати
Вернуться к списку

Шариковый ренессанс

В 1946 году в Лаборатории №2 АН СССР (ныне РНЦ “Курчатовский институт”) был пущен первый в Евразии реактор Ф-1. Этот реактор и сейчас находится на территории Курчатовского института, продолжая успешно функционировать. Его небольшой мощности (24 КВт) достаточно для исследовательских целей. Вполне естественно, что испытания, проводившиеся на реакторе Ф-1, во многом определили создание в нашей стране за небольшой срок атомной промышленности, развитие реакторной физики и техники, ядерной энергетики. В последние годы в РНЦ “Курчатовский институт” большое внимание уделяется развитию инновационных технологий ядерных реакторов.

Реакторная революция

На атомных электростанциях России и некоторых других стран широко применяются водо-водяные энергетические реакторы (ВВЭР). В качестве замедлителя и теплоносителя в них используется обычная вода. По российским проектам в мире в настоящее время созданы 63 установки типа ВВЭР.

По словам Юрия Семченкова, директора Института ядерных реакторов (ИЯР) РНЦ “Курчатовский институт”, в основном по этому направлению в ближайшем будущем будет развиваться реакторная технология. Но если одно из ее направлений, проект Супер-ВВЭР, - это эволюционное развитие действующих водо-водяных энергетических реакторов, предназначенных для производства электроэнергии, то высокотемпературные газоохлаждаемые реакторы (ВТГР) основаны на совершенно иных принципах.

Всего в нескольких сотнях метров друг от друга на территории Курчатовского института размещаются первый реактор Ф-1 и работающая модель высокотемпературного газоохлаждаемого реактора. Она смонтирована на критическом стенде “Астра”, с помощью которого проводятся исследования нейтронно-физических характеристик реакторов этого типа. В основе концепции критического стенда - использование сферических тепловыделяющих элементов, загружаемых в пространство, ограниченное графитовыми отражателями. Сферический элемент - шарик диаметром 60 миллиметров - легко помещается на ладони. Трудно представить, что в каждом из них - тысячи микрочастиц топлива. И каждая, в свою очередь, дополнительно покрыта керамикой, надежно удерживающей внутри все продукты деления.

- В реакторах типа ВТГР для охлаждения активной зоны используется не водяной теплоноситель, как в ВВЭР, а высокотемпературный газ, - рассказывает Петр Фомиченко, начальник отдела высокопотенциальной энергетики ИЯР. - Основное принципиальное отличие и преимущество этих технологий - возможность достижения необычайно высоких температур теплоносителя на выходе из реактора, гораздо больших, чем в ВВЭР, - до 1000 градусов! Добиться таких высоких температур можно, используя керамическое топливо и химически инертный гелий в качестве теплоносителя. На основе анализа мирового опыта и работ, проводившихся в России, было предложено использовать в качестве топлива ВТГР микротвэлы. Каждый из них представляет собой топливный сердечник малого диаметра (порядка 0,5 мм), на который нанесены высокопрочные и жаропрочные защитные слои из пироуглерода и карбида кремния. На основе этих микротвэлов создаются шаровые тепловыделяющие элементы, или топливные компакты, напоминающие короткие стерженьки.

Как отметил П.Фомиченко, такие высокие температуры можно использовать в различных технологических процессах. Высокотемпературные газовые реакторы открывают для атомной энергетики новое пространство. Реакторные системы с ВТГР, обладающие безусловными возможностями более эффективно (по сравнению с действующими реакторами) производить электроэнергию, призваны заметно расширить сферу использования атомной энергии и войти в те области энергопотребления, где она пока не завоевала значимых позиций. Это, прежде всего, производство промышленного тепла, используемого в энергоемких технологиях, например химических, металлургических, для получения моторного топлива, а также водорода. Именно эти сферы сегодня - основные потребители энергии.

- Задача внедрения высокотемпературных реакторных технологий - захватить новую для атомной энергетики часть рынка, предложить конкурентоспособные услуги по производству высокопотенциального тепла, - утверждает П.Фомиченко.

Эффект температуры

Первые работы по высокотемпературному направлению в мире начались еще в 1960-е годы. Реакторы такого типа работали за рубежом, множество проектов высокотемпературных реакторов было создано и в России. Хотя до реализации в нашей стране эти проекты так и не дошли.

На рубеже столетий началась новая стадия работы над высокотемпературными реакторами. Используя опыт, накопленный за предыдущие годы, а также достижения в работах над новыми реакторными материалами, исследователи предлагают новые технические решения, улучшающие возможности реакторов этого типа. Сегодня это активно развивающееся направление известно в мире как часть Программы “Генерация 4”, инициированной США. В этой программе определены шесть типов различных реакторных концепций, и две из них используют гелий в качестве теплоносителя, в том числе и для производства высокопотенциального тепла.

Для развития этого перспективного направления сложилась устойчивая международная кооперация, в которой участвует и Курчатовский институт. Это вполне естественно, если учесть, что исследования и разработки по созданию высокотемпературных источников для атомной энергетики начались в институте в те же 1960-е годы, когда зарождалось энерготехнологическое направление этой отрасли. Работы были сосредоточены в специально созданном отделе, их руководство поручили талантливым молодым ученым М.Миллионщикову и Н.Пономареву-Степному. Сейчас академик РАН Н.Пономарев-Степной - научный руководитель работ по развитию высокотемпературных реакторных технологий.

- В настоящее время мы в сотрудничестве с российскими организациями атомной отрасли работаем в рамках Программы демонстрации технологий высокотемпературных реакторов, - говорит П.Фомиченко. - Эта стадия работ над реакторными технологиями ВТГР посвящена решению особо сложных вопросов. В свое время на основе экспертной оценки были выявлены наиболее критические и сложные направления разработок. К ним, в частности, относится отработка высокотехнологичных процессов для массового производства топлива с керамическим покрытием. Есть и другие, например физика активной зоны кольцевого типа. Именно теоретические наработки в этом направлении экспериментально проверяются на нашем стенде “Астра”.

Атомно-водородное чудо

Высокие температуры нужны, как уже отмечалось, и для производства водорода. Сегодня многим известно, что водород может быть высокоэффективным и экологически чистым энергоносителем: он широко используется в промышленности и ракетной технике, а в будущем может найти применение в энергетике, бытовом теплоснабжении, на автотранспорте. Уже в 1970-е годы Курчатовский институт стал активно действующим центром атомно-водородной энергетики. Результаты исследований, выполненных академиком Н.Пономаревым-Степным, позволили предложить новые подходы к выбору и совершенствованию реакторных материалов, расширить температурные и радиационные границы их использования. На базе этих исследований и началось развитие нового направления использования атомной энергии - атомно-водородная энергетика. Основа этого направления - высокотемпературные реакторы с гелиевым охлаждением для производства водорода и других энергоносителей. Выполненные исследования по высокотемпературным реакторам стали базой для разработки и создания целого ряда реакторных установок с уникальными параметрами, в том числе ядерных ракетных двигателей.

Идея атомно-водородной энергетики и сегодня продолжает развиваться в стенах РНЦ “Курчатовский институт”. Формула технологии производства водорода из воды и его энергетического использования понятна даже школьникам: вода плюс “чистая” атомная энергия - получается водород. Далее водород транспортируется к месту потребления, где с ним соединяется кислород с образованием “чистой” энергии и воды на выходе. Процессы производства водорода эффективно проходят при температурах 800-1000°С. А такой уровень температур теплоносителя могут обеспечить высокотемпературные и сверхвысокотемпературные реакторы с гелиевым теплоносителем.

Стратегия по сценарию

Когда новые ядерно-энергетические технологии выйдут за пределы критических стендов и станут реальной частью нашей энергетики? И какой будет энергетика будущего? Системные исследования в этом направлении выполняет группа ученых из двух научных подразделений РНЦ “Курчатовский институт” - уже упоминавшегося ИЯР и Института инновационной энергетики. Сегодня в Институте ядерных реакторов создано сразу несколько моделей развития атомной энергетики в России. Одна из них (на схеме) представляется группе исследователей самой реальной.

- В качестве ориентиров развития атомной энергетики России на долгосрочную перспективу взяты установленные мощности АЭС: 90 ГВт к 2030 году и 170 ГВт к 2050 году. Эти масштабы атомной энергетики определяются внутренними потребностями России по наращиванию электрогенерации в прогнозных сценариях развития экономики страны, выполненных Минэкономразвития, - констатирует Павел Алексеев, директор отделения перспективных ядерно-энергетических систем ИЯР. - Для замкнутого топливного цикла мы рассчитали структуру атомной энергетики и масштаб увеличения установленных мощностей атомных станций. Она определена на основе многофакторного анализа. Эта структура обеспечивает преемственность в развитии реакторных технологий, эволюционное развитие новых направлений, не требует излишнего форсирования в развитии предприятий по переработке отработанного ядерного топлива (ОЯТ), минимизирует потребление природного урана, объемы региональных и централизованных хранилищ ОЯТ. Для этого сценарного варианта предполагается развитие атомной энергетики на основе замкнутого топливного цикла с быстрыми реакторами с расширенным воспроизводством топлива. Серийный ввод коммерческих быстрых реакторов в эксплуатацию по нашему сценарию начнется с 2025 года. К этому времени основные технические решения должны быть подтверждены на малой серии быстрых реакторов, которые начнут вводиться в эксплуатацию с 2018 года.

Одновременно с развитием направления быстрых реакторов продолжится модернизация и усовершенствование водо-водяных энергетических установок. Параллельно с 2025 года будут вестись работы по практическому применению высокотемпературных технологий. Пока развитию этого направления в отечественной энергетике уделяется недостаточно внимания.

Насколько оправдается этот прогноз, покажет уже совсем недалекое будущее.