Россия строит уникальный энергокомплекс с атомным реактором на быстрых нейтронах и свинцовым теплоносителем

Российский проект «Прорыв» — один из главных мировых проектов в ядерной энергетике. «Прорыв» предусматривает создание ядерных энергетических технологий нового поколения на базе замкнутого топливного цикла с использованием реакторов на быстрых нейтронах. На площадке Сибирского химического комбината планируется возвести опытно-демонстрационный комплекс в составе энергоблока с реактором БРЕСТ-ОД-300 со свинцовым теплоносителем и замыкающих ядерный цикл производств по фабрикации и переработке топлива.

Научный руководитель «Прорыва» Евгений Адамов утверждает: «Внедрение результатов проекта поэтапно в диапазоне 2020–2030-х годов даст старт развитию крупномасштабной ядерной энергетики, создаст предпосылки укрепления России в качестве лидера на мировом рынке ядерных технологий и продуктов».

Естественная безопасность «Прорыва»

Ключевым для проекта «Прорыв» является понятие «естественная безопасность». Это обобщение принципа «внутренне присущей безопасности» не только на сами реакторные установки, но и на весь топливный цикл.

«Естественная безопасность» включает в себя:

• исключение аварий на АЭС и на предприятиях ядерного топливного цикла, требующих эвакуации, а тем более отселения населения (техническая безопасность);
• радиационно-миграционную эквивалентность захораниваемых долгоживущих радиоактивных отходов и добываемого топливного сырья (экологическая безопасность);
• технологическую поддержку режима нераспространения.

Как пояснил «Ъ-Науке» главный конструктор «Прорыва» Вадим Лемехов, для достижения технической безопасности предлагаются следующие средства:

• активная зона с нулевым запасом реактивности на выгорание благодаря использованию быстрого спектра нейтронов и плотного топлива («прививка» против аварий чернобыльского типа — реактивностных аварий);
• отвод остаточного тепла при потере охлаждения к конечному поглотителю — атмосферному воздуху с естественной циркуляцией («прививка» против аварий фукусимского типа — теплоотводных аварий);
• жидкометаллический теплоноситель.

Свинцовый теплоноситель — впервые в мире

Выбор свинца в качестве теплоносителя на первый взгляд представляется странным: никто в мире этого не делал. «Да, действительно, ранее созданные реакторы на быстрых нейтронах используют в качестве теплоносителя натрий, и сейчас в рамках проектного направления "Прорыв" разрабатывается реакторная установка БН-1200 с натриевым теплоносителем»,— говорит Вадим Лемехов. Но выбор свинца неслучаен и обусловлен целым рядом технических достоинств:

• малой замедляющей способностью свинца, что позволяет иметь быстрый спектр нейтронов при широкой решетке тепловыделяющих элементов, обеспечивая тем самым эффективную циркуляцию во всех режимах работы;
• инертностью взаимодействия при контакте с окружающими средами — воздухом и водой, что исключает пожары и взрывы;
• высокой температурой кипения свинца (1745°C), что исключает аварии с кризисом теплообмена и быстрым разрушением тепловыделяющих элементов;
• низкой активируемостью.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Переработка отработавшего топлива

Ключевой задачей для реактора со свинцовым теплоносителем является работа в замкнутом топливном цикле — для полного использования энергетического потенциала уранового сырья. Масштаб и результативность обосновывающих исследовательских работ по плотному нитридному уран-плутониевому топливу позволили уже в 2015 году приступить к сооружению объектов опытно-демонстрационного комплекса на площадке АО «Сибирский химический комбинат» в Томской области. К началу нынешнего года строительно-монтажные работы по сооружению завода по производству ядерного топлива выполнены на 46%, на них затрачено уже более 4 млрд руб. Завершено возведение строительных конструкций трех основных корпусов. В технологическом корпусе уже организованы отопление и освещение, ведутся отделочные работы, идет подготовка к монтажу основного технологического оборудования.

Результатом проведенных исследований по замыканию топливного цикла стала комбинированная схема переработки отработавшего топлива (пирохимическая + гидрометаллургическая переработка), которая позволяет:

• перерабатывать отработавшее топливо с низким временем выдержки и высоким выгоранием;
• обеспечивать технологическую поддержку режима нераспространения;
• иметь потери делящихся материалов ≤ 0,1%;
• получать продукты, пригодные для фабрикации нового топлива;
• минимизировать объемы высокоактивных долгоживущих высокоактивных отходов;
• выделять фракции минорных актиноидов (нептуний, америций, кюрий) для возврата в ядерный топливный цикл.

Как устроен реактор БРЕСТ

Реакторы типа БРЕСТ имеют интегральную конструкцию. Корпус реактора кроме традиционных функций по размещению оборудования и организации тракта циркуляции выполняет еще функции радиационной защиты и локализации течей теплоносителя при разгерметизации границы первого контура. Выражаясь проще, это металлобетонные бассейны, куда в теплоноситель (свинец) опускаются активная зона и прочее технологическое оборудование. Разгерметизация контуров с потерей металлического теплоносителя здесь исключена, а отсутствие избыточного давления предотвращает опасность взрыва. А поскольку свинец и бетон — это одни из лучших материалов для защиты от ионизирующего излучения, фон снаружи корпуса — естественный.

Конструкторская концепция реакторной установки БРЕСТ-ОД-300 заключается в следующем:

• интегральная компоновка в сочетании с многослойным металлобетонным корпусом (нет выхода теплоносителя за пределы корпуса) для исключения потери теплоносителя;
• отсутствие запорной арматуры в первом контуре — невозможно прекращение циркуляции;
• схема циркуляции теплоносителя с перепадом свободных уровней — гарантированное продление циркуляции при обесточивании;
• полное воспроизводство делящихся материалов в активной зоне ограничивает запас реактивности, исключает возможность реализации тяжелой реактивностной аварии;
• применение системы аварийного расхолаживания с естественной циркуляцией и отводом тепла к атмосферному воздуху.

Приятным бонусом свинца оказалось то, что весь железный мусор, например упавшие гайки, не тонет в теплоносителе, а плавает на поверхности, так что его легко собрать и удалить из реактора.

Химически пассивный, малоактивируемый свинец позволил сконструировать ядерную установку в двухконтурном исполнении с рабочим телом «вода—пар» во втором контуре. Особенностью использования свинца в активной зоне является разреженность пучка тепловыделяющих элементов, что позволяет без существенного смягчения спектра нейтронов обеспечить в активной зоне приемлемые значения энергонапряженности и гидравлических потерь с необходимым уровнем естественной циркуляции в случае обесточивания. В случае останова насосов в контуре более 20 сек. сохраняется принудительная циркуляция благодаря потенциальной энергии, запасенной в разности уровней свинца в напорной камере и камере всасывающего насоса. Далее при остановленных насосах отвод тепла от зоны осуществляется естественной циркуляцией свинца.

Второй контур состоит из парового и конденсатно-питательного трактов и одного турбоагрегата. Турбина конденсационная, быстроходная типа К-300-15,7/50. Во избежание затвердевания свинцового теплоносителя применен смешивающий подогреватель питательной воды для обеспечения ее температуры на входе в парогенератор не менее 340°C. Конструкционный материал конденсатно-питательного тракта — коррозионно-стойкая сталь, материал принят для уменьшения объема водоочистки и увеличения межпромывочных интервалов по теплообменному оборудованию конденсатно-питательного тракта. В проекте принято оборотное техническое водоснабжение с башенной градирней.

Особенность второго контура в том, что, в отличие от существующих проектов АЭС, на него не возлагаются функции безопасности по аварийному отводу тепла от реактора.

Конструкционной особенностью активной зоны является бесчехловая шестигранная тепловыделяющая сборка с гладкостержневыми тепловыделяющими элементами. Она обеспечивает более высокую степень безопасности активной зоны по сравнению с конструкцией, в которой используются чехловые сборки. Для бесчехловой сборки при перекрытии расхода теплоносителя на входе теплоотвод обеспечивается за счет перетока теплоносителя из «соседей». Расчеты показали, что перекрытие расхода теплоносителя на входе даже семи сборок бесчехловой конструкции в центральной части активной зоны не приводит к росту температуры, превышающему принятый критерий в 800°С.

Рабочие органы системы управления и защиты реактора находятся под активной зоной. При обесточивании вводятся в активную зону действием силы Архимеда. При перегрузках топлива рабочие органы расцепляются с приводами и также под действием силы Архимеда вводятся в активную зону, переводя реактор в глубоко подкритическое состояние.

Благодаря конструктивным решениям по применению свинцового теплоносителя, обеспечению малого запаса реактивности, пассивным системам безопасности суммарная вероятность повреждения активной зоны — не более 9•10^-9 в год.

Проектная документация энергоблока откорректирована по замечаниям предыдущих экспертиз и с учетом оптимизационных решений. Выпущены первоочередные комплекты рабочей документации. Подтверждена возможность изготовления оборудования реакторной установки на отечественных предприятиях: получены технико-коммерческие предложения от потенциальных поставщиков. Разработаны проекты нормативных правовых актов для реакторных установок со свинцовым теплоносителем, которые сейчас проходят процедуру согласования в Ростехнадзоре.

Главный конструктор реакторных установок БРЕСТ и главный конструктор «Прорыва» Вадим Лемехов пояснил «Ъ-Науке», что решения, применяемые в реакторной установке БРЕСТ-ОД-300, могут быть использованы в коммерческих реакторных установках большой мощности с обеспечением их конкурентоспособности.

Пуск реактора БРЕСТ-ОД-300 запланирован на 2026 год.

Подводя предварительные итоги, можно сказать, что за последние несколько лет Россия вырвалась в безусловные мировые лидеры в быстрых реакторах естественной безопасности со свинцовым теплоносителем.

Владимир Тесленко, кандидат химических наук