Долгие быстрые реакторы, часть I

Если бы ко мне сегодня обратился бы за советом начинающий блоггер с вопросом “про что писать по ядерной тематике”, я бы точно отсоветовал бы ему писать про термоядерные и быстрые ядерные реакторы. Интересные новости здесь появляются настолько редко, что люди забудут о твоем существовании от публикации к публикации.

В частности, у меня новости по теме реакторов на быстрых нейтронах выходят примерно раз в полгода и пришлось подождать три годика, прежде чем неторопливая поступь этого направления привела к тому, что мне снова стало интересно написать что-то по теме в целом (а вам, надеюсь, прочитать).

Итак, три года назад, в благословенном 2015 году ситуация с мировой программой реакторов на быстрых нейтронах выглядела так:

Только что пущен крупнейший промышленный блок БН-800, символизирующий, что Россия все еще умеет строить и запускать промышленные быстрые реактора. Начинается строительство революционного БРЕСТ-300, идет жесткая битва по поводу того, какие реакторы более перспективны - натриевые или свинцовые. А может быстрые свинцово-висмутовые? Представитель этого направления СВБР-100 планируется к строительству в НИИАР не далеко от Ульяновска.

Франция, закрыв Phenix, проектирует возврат к тематике быстрых реакторов через проект натриевого БН ASTRID и участие в быстрых реакторах ALLEGRO (газоохлаждаемый), ALFRED (свинец) и MYRRHA (свинец-висмут с ускорительным драйвером). Однако сроки разрыва между рабочими установками начинают выглядеть тревожно

Индия 3 год тянет с запуском 500-мегаваттного PFBR, но все ждут его пуска с минуты на минуту. Все планы по быстрой программы крутятся вокруг этого быстрого реактора и его серийного развития CFBR-500.

Из Китая приходят новости о проблемах на небольшом исследовательском быстровике CEFR, спроектированного и построенного с частичной российской помощью. Хотя в конце 2014 года реактор был выведен на номинал, проблемы остаются, и сроки быстрой натриевой начинают плыть. Появляется информации по интересу Китая к свинцовым/свинцово-висмутовым реакторам.

В Японии оба быстрых реактора остановлены много лет, и находятся в состоянии между небом и землей - то ли закрывать, то ли развивать. Ситуация эта сложилась еще до аварии на Фукусимской АЭС, но еще сильнее усугубилась после нее.

США не имеют ни одной быстрой исследовательской/промышленной установки, и похоже не особо горят желанием менять эту ситуацию. Иногда всплывают разговоры о восстановлении могучего исследовательского реактора FFTF, но действия скорее направлены в противоположную сторону - установку потихоньку разбирают.

Загрузочная машина БН-800, способная работать с плутониевыми сборками. Справа в полу - люки для передачи ТВС на барабан свежих сборок реактора. Спасибо Дмитрию Горчакову за фото.

Что же изменилось в этой картине за прошедшие 3 года? Многое. Давайте пойдем в обратном порядке.

Позиция США в отношении быстрой программы, фактически отказывающая ей в существовании, на самом деле, имела свои причины. Во-первых, владельцы АЭС США - это в основном частные компании (с такими исключениями, например, как TVA), и они не видят коммерческих преимуществ в быстрых реакторах по сравнению с тепловыми. Во-вторых государственная политика США заключается в максимальному противодействию переработки отработанного топлива в мире, для замедления распространения ядерно-оружейных технологий, как в самой США, как и в государствах, до которых США может дотянуться с этим вопросом.

Понятно, что в таких условиях быстрая программа в США могла существовать только в виде военных или научных установок/задач. Откат военного финансирования в 1990х и конкуренция за деньги привела к полному закрытию быстрых реакторов в США. После остановки французского Phenix в 2010 американским исследователям-прикладникам даже теоретически не осталось места в мире для своей работы…. кроме России, где на быстром натриевом реакторе БОР-60 можно было купить время облучения за деньги. Именно так поступили исследователи из финансируемой Биллом Гейтсом TerraPower.

В целом, к 2016 году дихотомия в виде государственного неприятия быстрых реакторов и интереса отдельных команд к этому направлению достигла впечатляющих масштабов. Вкупе с к возобновлению в некотором роде холодной войны и опасениям, что вместе перемещением экспериментальной работы по перспективным ядерным реакторам в холодную северную страну могут утечь и какие-то секретные вещи, в США назрело желание восстановить хотя бы свой исследовательский реактор (т.к. ограничения на промышленный, перечисленные раньше, никуда не делись).

Корпус реактора последнего построенного в США быстрого натриевого реактора - исследовательского FFTF

На рубеже 2017/2018 стартовала программа строительства новой исследовательской установки в США, крупной и дорогой. Совсем не ясно, доживет ли она до реализации, но мотивы “за” установились, похоже, надолго.

Можно также отметить множество команд, которые существуют в США и Канаде и разрабатывают различные концепции в том числе быстрых реакторов или реакторов с регулируемым спектром. Сюда можно отнести Transatomic Power, TerraPower, Hyperion Power, Advanced Reactor Concepts, GE/Hitachi и некоторые другие. Напомню, речь идет только о быстрых реакторах, еще больше команд работает с концептами с тепловым спектром.

Так вот, несмотря на обилие проектов, все они испытывают в США одинаковые сложности

Получить лицензию на строительство (т.е. проверить концепт на безопасность) от NRC невероятно сложно, долго и дорого. При в обоснование безопасности нужны эксперименты, что приводит ко второй проблеме

Облучать топливо и экспериментально доказывать безопасность инженерных решений в США негде (для быстрых реакторов)

Коммерческий интерес к атомной энергетике вообще и быстрым реакторам в частности довольно ограничен.

Формальным наследником программы строительства быстрых натриевых реакторов в США является 300-мегаваттный GE/Hitachi PRISM, предназначенный для атомных станций малой мощности.

Как я уже писал, все эти проблемы дополнились также закрытием окна возможностей работы с Россией, хотя взамен американское государство подкинуло немножко грантов своим разработчикам. В целом получается, что американской быстрой программе, несмотря на довольно высокий уровень специалистов и большое количество команд не хватает системности и инфраструктуры. И вот, в этом году конгресс США взял и выделил 2 миллиарда долларов на создание мощного исследовательского быстрого реактора VTR (ранее известного как FASTER). Сроки и цена еще могут сползти, но сам факт показывает, что США все еще видят перспективы в технологиях реакторов с быстрым спектром, несмотря на социальные и политические барьеры.

Единственный оставшийся в Японии на сегодня быстрый натриевый реактор - 140 мегаваттный (тепловых мегаватт) Joyo. После закрытия многострадального Mondju эта исследовательская установка (тоже с непростой судьбой) должна быть снова введена в строй к 2020 году.

Союзник США - Япония за прошедшее время практически не сдвинулась из непонятной ситуации, когда программа по развитию быстрых реакторов вроде и есть и в то же время стоит на месте. Было принято решение закрыть многострадальный Monju (который 10 лет восстанавливали после серьезной аварии, чтобы через несколько месяцев попасть на другую серьезную аварию) и восстановить быстрый исследовательский реактор Joyo. Хотя, если эта работа будет выполнена, Япония окажется на ступеньку выше США, перспективы развития быстрых реакторов в будущем в этой стране весьма неясные. Кроме общего неприятия атомной энергетике в этой стране, есть еще и какой-то злой рок - оба быстрых реактора поймали кучу проблем и аварий, что и привело к нынешнему тупику - закрывать жалко, а продолжать страшно. Есть правда накопленный объем плутония из переработанного ОЯТ, для ликвидации которого (на этом настаивает США) лучше всего подошел бы быстрый реактор. Но можно и без него. Аккуратно спрогнозирую, что новости по прогрессу быстрых реакторов из Японии появятся не раньше 2030х годов.

Дозиметрическая разведка на реакторе Mondju после большого натриевого пожара в 1995 году. Натриевые пожары на БН сочетают в себе разнос радионуклидов, собственно сам пожар, опасность взрывов при взаимодействии с водой и еще и "пепел" в виде гидрооксида натрия.

Соседка Японии - Южная Корея, в которой было запланировано строительство быстрого натриевого реактора KALIMER-600 и шла программа его разработки (включая облучение прототипов топлива в БОР-60) также столкнулась с разворотом отношения к атомной энергетике от сугубо позитивного к слабо негативному с приходом в прошлом году нового президента. Даже удешевленная и уменьшенная версия KALIMER - 150 мегаваттный PGSFR в настоящий момент не имеет финансирования. Как и в Японии, перспективы развития неясны, но в отличии от Японии, в ЮК нет построенных быстрых реакторов и “прибить” всю программу гораздо проще.

В свою очередь Индия, 15 лет назад выглядевшая самым перспективным новичком, запускавшая весьма продвинутый проект PFBR-500 в строительство, в итоге, похоже, попала на еще один национальный долгострой, а-ля национальный танк или истребитель. PFBR не запущен до сих пор, со сдвигом сроков уже на 8 лет. Причины не называются, но по слухам проблемы с разнообразными элементами реакторной установки, выполненных или изготовленных с ошибками. Хотя предыдущий (он же первый) исследовательский быстрый натриевый реактор Индии FTBR в начале своей карьеры тоже собрал массу сложностей, сроки той программы получились гораздо более сжатыми.

Монтаж страховочного корпуса PFBR-500 с красивой теплоизоляцией в конце 200х годов.

Активная зона PFBR-500, набитая имитаторами ТВС.

Не слышно ничего и про какие-то альтернативные ветви в быстрой программе Индии, кроме PFBR/CFBR.

Завершая абзац про Индию, хочется добавить, что сами индийцы признают, что снятие санкций по атомной программе и приход иностранных реакторных технологий расслабило отечественных разработчиков и менеджеров, поэтому все своеобразные программы (а тут, кроме PFBR стоит вспомнить о тяжеловодных ториевых бридерах AHWR) замедлились или зависли.

Даже сегодня, через 33 года после пуска и через 23 года после закрытия, французский быстрый натриевый реактор Superphenix мощностью 1200 мегаватт остается самым продвинутым представителем этой реакторной технологии.

Франция. Некогда безусловно передовая в области быстрых реакторов страна, обладавшая 1200-мегаваттным промышленным быстрым реактором, производством и использованием МОКС-топлива, переработкой уранового и МОКС-ОЯТ, развитой экспериментальной базой откатывается все дальше. После закрытия Phenix атомщики явно хотели “пересидеть” отсутствие большой быстрой программы в разработке и строительстве (а потом и эксплуатации) больших общеевропейских исследовательских реакторов - ALLEGRO, ALFRED, MYRRHA и строительстве национального опытно-промышленного натриевого ASTRID мощность в 600 МВт электрических. С точки зрения программ 80х годов это был натянутый компромисс, но это позволяло сохранить кадры и технологии. Однако реальность получилась еще хуже. Вслед за невнятным Олландом к власти пришел внятно-зеленый Макрон, а параллельно тому французский атомный гигант Areva прошел через серьезнейший финансовый кризис, потребовавший денежных вливаний и деления фирмы на части. В такой ситуации 600 мегаваттный ASTRID стоимость в 4-5 миллиарда евро стал слишком дорогим, и к 2018 году проект был урезан до 250 мегаватт электрических (как Phenix, построенный в 1975 году). Одновременно старт строительства уехал с ~2020 на 2025, т.е. разрыв по наличию быстрого реактора в французской быстрой программе составит не менее 20 лет.

Другие перечисленные проекты, в которых участвуют французы в Европе также затягиваются. В итоге от былого величия к 2030 году может остаться неплохая наука и горы отчетов, но даже если Франция решит сдуть пыль со своих планов по замене текущего поколения PWR на быстрые реакторы в 2040х - сделать это будет крайне сложно и дорого.

Французы продемонстрировали на Phenix реальный ЗЯТЦ, с двухкратным проходом плутония через цикл "бридер-переработка ОЯТ-фабрикация"

В то время, как французская быстрая программа закукливается и усыхает, на другой стороне континента - в Китае, все быстро развивается и расширяется. Китай как будто не в курсе всемирного уныния по поводу перспектив быстрых реакторов, считая, что после 2030 года для обеспечения топливной устойчивости многосотгигаваттного флота китайской атомной энергетики основной упор в новом строительстве будет сделан на быстрые реакторы (с ЗЯТЦ). Основная линия - повторение французской и советской программ: линейка быстрых натриевых реакторов с урановым а затем МОКС топливом. Первый опытный реактор, CEFR, мощностью 65 мегаватт тепловыхз (20 электрических) проектировался в 90х годах в России, но строился китайцами самостоятельно. Пущенная в 2010 году, эта установка стала для Китая чем-то вроде полигона, где нарабатывается опыт и понимание, каким образом надо строить и эксплуатировать быстрые натриевые реакторы. Фактически с 2011 года и до сих пор CEFR находится в полурабочем состоянии, работая на мощности всего несколько десятков дней в году. Не выполнена и задача перевода реактора на МОКС топливо (оригинальное урановое китайцы закупают у ТВЭЛ).

Взято: tnenergy.livejournal.com