— Никита Сергеич, давайте, мы ещё сами подумаем, и, если такое строительство будет признано целесообразным, выйдем с эскизным проектом на НТС СССР, — предложил Александров.
— Годится. Ещё у вас какие новости?
— Построен малый прототип высокотемпературного газоохлаждаемого реактора для выработки водорода, — ответил Лейпунский. — Промышленный реактор планируем строить в районе Байконура, для получения больших количеств водорода. В ближайшем будущем ракетчикам водорода много понадобится.
(Имеется в виду аналог проекта МГР-Т)
— Газоохлаждаемого? Не реактора-ускорителя, а обычного, критического? — уточнил Хрущёв.
— Да, это новая, весьма перспективная концепция, — пояснил Лейпунский.
— Ну, не такая уж и новая, использовать в реакторе гелий в качестве теплоносителя ещё в 1947 году предлагали Фейнберг и Фурсов, — заметил Александров. — В Англии используются газоохлаждаемые реакторы Magnox, и строится более совершенный реактор AGR. Реакторы Magnox, конечно, пока далеки от совершенства...
— А ваш? Поподробнее расскажите, — попросил Первый секретарь.
— Прежде всего, это графитовый реактор, но у него совершенно другая конструкция, обеспечивающая повышенную безопасность. Он работает на микрочастицах топлива — оксида и карбида урана, либо оксида плутония, 'закатанных' в графитовую оболочку и 'замешанных' внутри графитовой матрицы — небольших графитовых стерженьков, которые уже собираются в тепловыделяющие сборки, — пояснил Лейпунский. — Такой реактор имеет малую плотность энергии, что исключает плавление активной зоны в случае тяжелых аварий реактивностного типа и при потере теплоносителя. Свойства безопасности и конструкционные характеристики делают реактор устойчивым к ошибкам оператора.
— Александр Ильич имеет в виду, что если обычный графитовый реактор имеет свойство разгоняться при повышении температуры, при появлении в активной зоне пара, при снижении плотности теплоносителя, например, от высокой температуры, что и делает его крайне опасным в эксплуатации, то газовый реактор, работающий на микрочастицах топлива, от этих недостатков свободен, — растолковал Александров, видя, как нахмурился было Хрущёв, услышав про графит в реакторе. — По безопасности такой реактор, пожалуй, даже превосходит реакторы ВВЭР.
— Как это? — удивился Никита Сергеевич.
— ВВЭР 'глохнет' при появлении пара в активной зоне, при повышении температуры теплоносителя, и при снижении его плотности, обычно — тоже в результате повышения температуры, — пояснил Доллежаль. — Но если подача теплоносителя нарушилась, активная зона реактора ВВЭР может расплавиться из-за большого количества остаточного тепла. Остывает она медленно, и всё это время реактор нужно охлаждать водой. К тому же в случае перегрева водяной пар при температуре 861 градус Цельсия вступает в реакцию с циркониевой оболочкой ТВЭЛов. При этом выделяется водород. Он скапливается под бетонным колпаком, и может неплохо так бабахнуть.
(Сравнение водно-графитовых и водо-водяных реакторов по. И.Н.Бекман. Ядерная индустрия. Лекция 13. Современные ядерные реакторы России)
— Эксплуатация атомного реактора — вообще дело достаточно опасное, требует высокой степени подготовки и строжайшей дисциплины, как говорил капитан, — усмехнулся Александров.
— Какой капитан? — удивился Хрущёв.
— Я вам потом расскажу, — академик улыбнулся. — Александр Ильич, про 'всеядность' по топливу ещё не забудьте.
Да! — кивнул Лейпунский. — В реакторе можно использовать различные варианты ядерного топливного цикла — уран, плутоний, торий. Эффективное использование топлива обеспечивается в цикле с его однократным прохождением через реактор без необходимости переработки и повторного использования.
Есть ещё один вариант оформления тепловыделяющих сборок — в виде графитовых шаров диаметром около 60 миллиметров, внутри которых находятся таблетки из расщепляющегося материала. В этом случае шары подаются в реактор непрерывно, проходят через активную зону, охлаждаются, проходят неразрушающую диагностику и снова подаются в реактор. В этом случае предполагается использование до 10 циклов прохода.
— Рабочим телом для турбины и теплоносителем для охлаждения реактора является гелий. Он подвергается двухступенчатому сжатию в компрессоре и промежуточному охлаждению, — рассказал Лейпунский. — Предварительный нагрев гелия высокого давления перед входом в реактор происходит в рекуператоре, который использует энергию гелия на выходе из турбины. В реакторе осуществляется ввод тепловой энергии в цикл и нагрев гелия до рабочей температуры. Горячий гелий высокого давления затем расширяется в турбине, которая приводит в действие компрессор и электрогенератор. Гелий низкого давления с выхода турбины направляется в рекуператор, где подогревает гелий высокого давления после компрессора. Сбросное тепло из цикла отводится в концевом холодильнике контуром оборотной воды.
Станция получается значительно проще по конструкции, чем обычная АЭС, и за счёт этого дешевле. В ней используется авиационная газовая турбина, как рассчитанная на высокие температуры, и прямотрубные теплообменники с пластинчатым оребрением. Нет никаких промежуточных межфазных переходов теплоносителя, из пара в воду, на которых теряется тепло и снижается коэффициент полезного действия. Гелий разогревается до 850 градусов, при этом в активной зоне нет металлических деталей, то есть, плавиться там нечему. Вся установка полностью располагается под землёй, всё капсулировано. При этом даже отказ системы управления не ведёт к расплавлению топлива. Всё автоматически затухает и медленно остывает за счёт рассеивания тепла в грунт, окружающий станцию.
Никита Сергеевич озабоченно почесал нос:
— Товарищи, я не специалист, конечно, но вы ранее сами упоминали в разговорах, что графит при облучении и высокой температуре ещё и распухает со временем? А тут вы собираетесь в реакторе какие-то шарики катать? А ну как графит у вас распухнет, канал сузится, и застрянет ваш шарик внутри реактора? Оно, конечно, может, и не ё#нет, раз воды нет, но и работоспособность дорогостоящей установки нарушится. А как её под землёй чинить?
Вы поймите, я не против важных научных экспериментов. Я вам специально мои дилетантские сомнения высказываю, потому что сталкивался уже с ситуациями, когда разработчики углубляются в решение узкоспециальных проблем, и не замечают других трудностей, которые им кажутся несущественными именно потому, что 'лежат на поверхности'.
— Тут, Никита Сергеич, есть объективная трудность, — пояснил Александров. — Дешёвых и доступных материалов — замедлителей нейтронов не так много, я бы сказал — раз-два и обчёлся. В прямом смысле раз-два. Графит и вода. Лёгкая или тяжёлая. Всё остальное сильно дороже. Тут или на быстрые нейтроны переходить, но это — совсем другое, более дорогое топливо высокого обогащения, или графит, без вариантов.
— Понимаю. Эксперимент, безусловно, провести надо, это вы правильную работу затеяли, — одобрил Первый секретарь. — Но вот строительство полноразмерного реактора, да ещё и на космодроме, как мне представляется, надо затевать тогда, когда основные проблемы будут решены, и будет полная уверенность, что установка проработает достаточно долго, чтобы окупить расходы. А для получения водорода что нужно?
— Нужен будет трубопровод от Каспия, для подачи воды, — ответил Лейпунский. — Сейчас на опытном образце проводятся плановые эксперименты для изучения особенностей его конструкции и поведения под нагрузкой. Также необходимо отработать критически важную технологию изготовления электромагнитных подшипников для компрессора турбины, это поможет значительно продлить срок её эксплуатации. Технология совершенно новая, непростая, и востребованная также для гироскопов.
— Вот это правильно, — похвалил Никита Сергеевич. — Сразу думаете о всех возможных применениях.
— Именно так, — подтвердил Лейпунский. — В этой работе ещё одно важно — постепенно поднимая температуру газового теплоносителя, теоретически можно выйти на температуры плавления некоторых металлов. Я не говорю, что это будет просто, так как всё упирается в высокотемпературные конструкционные материалы для самого реактора и ТВЭЛов, но в принципе, если в активную зону не поступает кислород, то графит вполне будет держать такие температуры.
— Это вы к чему ведёте? — недоверчиво осведомился Никита Сергеевич.
— К тому, что в некоторых отдельных случаях такой реактор может даже использоваться в металлургии, — пояснил академик. — Я не имею в виду, что мы в ближайшие годы сможем перевести всю металлургию на атомную энергетику, но в перспективе, возможно, какая-то её часть могла бы использовать в качестве высокотемпературного источника энергии не кокс или электричество, а непосредственно поток горячего гелия из реактора.
Сейчас у нас вокруг металлургических заводов располагаются обширные отравленные зоны, где даже растительность погибла. Это — результат выбросов газа из доменных печей и труб. При этом при сгорании угля в атмосферу выбрасывается значительно больше радиоактивных изотопов, чем при нормальной работе обычной АЭС.
И посмотрите, для сравнения, на окрестности любой атомной станции. Абсолютно нормальная природа, трава, деревья, в пруде-охладителе ценную промысловую рыбу разводят...
— Вот теперь понимаю! — широко улыбнулся Никита Сергеевич. — Понятно, что вы в этом вопросе только в самом начале пути, так?
— Именно, — согласился Лейпунский. — Там ещё пилить и пилить, но если удастся добиться результата, то оно того стоит. 1 тонна обогащенного урана по тепловыделяющей способности равна 1350 тыс. тонн нефти или природного газа. Если процесс деления идет на быстрых нейтронах, следовательно, реакция захватывает основной изотоп урана-238, то исходя из соотношения теплотворных способностей и цен на уголь и уран, стоимость калории из основного изотопа урана оказывается примерно в 4000 раз дешевле, чем из угля. Это, конечно, если процессы 'сжигания' и теплосъема не окажутся в случае урана значительно дороже, чем в случае угля. В случае медленных нейтронов стоимость 'урановой' калории, если исходить из вышеприведенных цифр, будет, учитывая заметно меньшую распространенность изотопа урана-235, уже лишь в 30 раз дешевле 'угольной' калории при прочих равных условиях, но это всё равно выгодно, учитывая значительно меньшее загрязнение окружающей среды, чем при сжигании угля или нефти. Конечно, если на АЭС не происходит аварий.
(источник — http://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/432441/Uran_fakty_i_faktiki)
— Да, но в результате работы АЭС образуется очень много радиоактивных отходов, — возразил Хрущёв. — Хранить их дорого и опасно, перерабатывать — ещё дороже и ещё опаснее.
— Здесь, Никита Сергеич, многое будет зависеть от того, какой будет выбран основной топливный цикл, — ответил академик Доллежаль. — Для реактора мощностью 1000 мегаватт, работающего с нагрузкой в 80 процентов, и вырабатывающего 7000 гигаватт-часов в год, в течение года требуется 20 тонн уранового топлива с содержанием 3,5 процента урана-235, который получают после обогащения примерно 153 тонн природного урана.
При этом для выработки энергии используется только 1 процент урана, 3 процента переходит в высокоактивные отходы, подлежащие захоронению в любом случае. Небольшая часть, менее процента, преобразуется в плутоний и другие актиноиды, теплоту и газообразные продукты распада. Около 96 процентов урана-238 остаётся в отработанном ядерном топливе.
В случае открытого топливного цикла, который у нас используется сейчас, всё это топливо считается отходами и после периода выдержки идёт на захоронение.
Его можно перерабатывать, так как в нём, например, содержится около 1 процента высококачественного плутония. Один процент от 20 тонн, это, как вы понимаете, 200 килограммов, то есть от 20 до 38 ядерных боеприпасов, в зависимости от конструкции, если считать чисто по критической массе. Либо его можно смешивать с обеднённым ураном, получая МОКС-топливо, и использовать затем в реакторах-размножителях.
Восстановленный уран может возвращаться на дополнительное обогащение, или поставляться в виде свежего топлива для действующих реакторов. Это получается так называемый закрытый топливный цикл. Он является эффективной системой максимального использования урана без его дополнительной добычи на рудниках. По энергетике экономия составляет примерно 30 процентов.
При этом количество отходов, подлежащих захоронению, снижается примерно до 3-4 процентов от общей массы находящегося в обращении урана, тогда как при открытом цикле в отходы уходит 96 процентов урана.
— Вас, Николай Петрович, послушать, так у закрытого цикла одни только плюсы, и никаких минусов? Что-то не верится, — проворчал Никита Сергеевич.
— Минусы есть, и существенные, — ответил академик Александров. — Закрытый топливный цикл — дорогое удовольствие. При открытом цикле отсутствует основной источник загрязнения окружающей среды радионуклидами — радиохимический завод. Радиоактивные вещества постоянно находятся в твёрдом состоянии в герметичной упаковке (в ОТВС), не происходит их 'размазывание' по огромным площадям в виде растворов, газов при 'штатных' и нештатных выбросах.
Исчезают все проблемы, связанные со строительством и будущим выводом из эксплуатации радиохимического завода: финансовые и материальные затраты на строительство и эксплуатацию завода, в том числе на зарплату, электро-, тепло-, водоснабжение, на огромное количество защитного оборудования и техники, химических реагентов, агрессивных, ядовитых, горючих и взрывоопасных веществ — кислот, щелочей, органических жидкостей. и т.д. Исчезает необходимость закачивания под землю трития, устраняются проблемы с утилизацией йода, жидких и газообразных отходов и выбросов.
Сроки контролируемого хранения отработанного ядерного топлива составляют 50-60 лет — почти такие же, как и суммарные сроки контролируемого хранения отработанных ТВС и отверждённых высокоактивных отходов при замкнутом цикле. Но требуется сооружение множества дополнительных хранилищ для контролируемого хранения отработанного топлива.
При этом 'вечное' захоронение отработанных ТВС не означает полное и вечное исключение из оборота содержащихся в них ядерных материалов. 'Могильник' для отработанного топлива — это искусственное компактное месторождение урана и плутония, к 'разработке' которого всегда можно вернуться в случае крайней необходимости. Например, когда появятся новые принципы подхода к использованию ядерных материалов, новые, возможно — более дешёвые технологии по переработке отработанного топлива, снизится активность осколочных радионуклидов.
Недостатки открытого цикла — большая стоимость долговременных хранилищ и полигонов для захоронения, трудности обеспечения долговременной изоляции ТВС от окружающей среды. Всё-таки по 20 тонн отработанного топлива в год с каждого 1000-мегаваттного реактора — это очень немало. При этом существует реальная опасность освобождения радионуклидов в случае разрушения ТВЭЛов при их длительном хранении. Также необходима постоянная вооруженная охрана захоронений.
