Развитие атомной энергетики Реакторы транспортных двигательных установок Реакторы на быстрых нейтронах Реактор РБМК Реактор ВВЭР Реактивностные аварии Аварии с потерей теплоносителя

Атомная энергетика. Типы ядерных реакторов

Второй класс. Аварии с потерей теплоносителя. 

В английской литературе эти аварии называются Loc loss of current – аварии с потерей теплоносителя. Именно этот класс аварий тянет за собой большое усложнение станции с водяным теплоносителем. Это очень тяжелая авария, потому что при большом разрыве первого контура, если теплоноситель из реактора уйдет, сами понимаете, что получается – активная зона плавится под действием остаточного тепловыделения, проплавляет корпус реактора (расчеты такие есть), этот расплав может проплавить бетонное днище шахты, уйти в грунтовые воды – в общем, вызвать очень тяжелые последствия. Поэтому есть большое количество систем безопасности, которые сопротивляются, преодолевают аварию с потерей теплоносителя. Эта авария закладывается как проектная или как максимальная проектная, предусмотрено, что может лопнуть даже трубопровод самого большого диаметра – Бл800, но при этом тяжелой аварии не должно происходить. Что там? Вы знаете, есть гидроемкости, которые при остановке ГЦН какое то время под давлением газа подпитывают первый контур. Дальше. Вся вода, которая выпарится через дыру, попадает в пространство под контейнментом, стринглеры работают на струйках воды, этот пар конденсируется и собирается в приемниках, насосы прокачивают воду через теплообменник и как бы образуют циркуляцию через разорванный контур реактора, чтобы снова не оставить зону без охлаждения. Для осуществления всего этого нужно резервное электропитание и т.д. и т.д. Т.е. без электропитания трудно преодолеть эту аварию.

А вот теперь давайте рассмотрим, как такую аварию преодолеть в принципе, чтобы была не низкая вероятность ее появления, а чтобы она вообще была просто исключена. Первое требование. Надо применить теплоноситель с высокой точкой кипения. Почему нужна высокая точка кипения? Она нужна для того, чтобы теплоноситель не выкипел, даже если будет дырка в первом контуре. Тогда теплоноситель не выкипает, а выливается. Он вылится может в зависимости от того, где образовалась дыра - если дырка сверху, выше уровня, то теплоноситель не выкипит, он останется. С этой точки зрения чем выше точка кипения теплоносителя, тем лучше, жидкие металлы здесь хороши – у них высокая точка кипения. Ну а если ниже уровня? Жидкий металл не требует высокого давления (раз точка кипения высокая), значит, во-первых, не должно быть трубопроводов первого контура вне корпуса. Т.е. должна быть так называемая интегральная или моноблочная компоновка – только бак, в котором расположено все оборудование первого контура. И ни одного трубопровода вне этого бака быть не должно. Это сосуд, работающий под наливом, как говорится. Давление только то, которое создает насос, но и то это давление не на уровне теплоносителя, а около днища. Т.е. вероятность разгерметизации чисто постулированно можно предположить, но тем не менее в проекте предусматривается еще страховочный кожух. Поскольку давление низкое, а это тонкостенный сосуд, значит, может, произойти течь корпуса, теплоноситель свинец-висмут попадает туда, в этот зазор, а поскольку весь корпус у нас погружен в водяной бак, в котором действует система пассивного отвода тепла, то теплоноситель там и застывает. Т.е. эта течь самолокализуется, даже если она произойдет.

Вопрос – а бак охлаждается?

  А бак охлаждается. Есть теплообменники промежуточного контура, тепло нормально отводится, потери тепла постоянно отводятся.

Таким образом, можно исключить аварию с потерей теплоносителя детерминистически. И вот это очень важно, потому что в таком случае не требуется удорожание станции. Потому что требования безопасности и требования экономики в традиционных реакторах вошли в конфликт. Вот если сейчас потребовать снизить уровень риска на действующих станциях, то будет удорожание станций и они из-за этого потеряют конкурентность. А здесь гармоничное сочетание наблюдается – требования безопасности и экономики.

Третий класс аварий, связанный с химическими взрывами и с химическими пожарами. Требование исключить химические взрывы и пожары приводит к тому, что в реакторе не должно быть горючих веществ, также при эксплуатации реактора не должно образовываться каких-то горючих или взрывоопасных веществ.

Рассмотрим воду в качестве теплоносителя. Вода, конечно же, негорючая, ею тушат пожары. Но когда вы используете воду как теплоноситель в процессе работы реактора, идет радиолиз воды, образуется водород, значит, возникает уже фактор водородной опасности. Если рассматривать тяжелые аварии, когда происходит нагрев циркониевых оболочек твэлов до 8000, то при таких температурах начинает идти пароциркониевая реакция. При этом образуется водород просто в громадных количествах. Значит, сразу появляется опасность взрыва гремучей смеси, поэтому должны быть системы безопасности, контроля, с этим явлением борются, но все это означает удорожание станции.

Графит. Вообще графит тоже относится к классу негорючих материалов. Вот вы попробуйте спичкой зажечь графит - не получится. Но это же углерод. И на РБМК он горел дай бог как. Потому что там графит под влиянием остаточного тепловыделения топлива разогрелся до температуры 2000 – 30000, а графит при такой температуре, получивший доступ к воздух прекрасно горит. Опасность именно этого реактора и этой аварии была не в том, что там разбросало куски активной зоны, а в том, что с дымом, с аэрозолями вот этого пожара разнесло, как говорится, далеко за пределы Советского Союза все эти радиоактивные облака. Значит, нельзя допускать, чтобы реактор горел.

Поэтому мы говорим, что воду мы должны исключить по причине водородной опасности и взрывоопасности, натрий – потому что он с водой прекрасно взаимодействует и горит, это горючий материал. А при взаимодействии с водой вообще идет экзотермическая реакция с выделением тепла, причем может произойти и взрыв.  На БН-600 есть специальные мембраны, которые предохраняют от разрывов в тех случаях, когда вода попадает в парогенератор и бурно растет давление газа за счет образования водорода. Но если говорить об экзотермической реакции, когда в трубке парогенератора струйка воды начинает попадать в натрий – в этом случае идет лавинообразное разрушение труб – т.е. течь не локализуется, а развивается лавинообразно (свищ). Прожигается следующая трубка, от нее еще, еще – надо очень быстро отключить этот парогенератор, чтобы вообще его не привести в негодность. На лодках со свинцово-висмутовым теплоносителем на первом этапе было огромное количество течей, но ничего подобного не происходило (я дальше об опыте буду говорить). Вообще, ни один другой реактор не может постоянно работать с течью парогенератора. Вот на первой лодке вообще постоянно работали с течью, их не могли устранить, плохие были парогенераторы, но установка это переживала.

Вопрос – а какие-нибудь недостатки у них, у свинцово-висмутовых, есть?

 Есть, конечно, я дальше об этом скажу. Не бывает такого теплоносителя, чтобы не было недостатков. У каждого что-то хорошо, а что-нибудь плохо.

Сейчас мы говорим о том, чтобы исключить химические взрывы и пожары, мы эти теплоносители (вода, натрий) отсеяли, остались тяжелые жидкометаллические теплоносители – свинец-висмут (освоенный) и свинец. У каждого из них есть свои достоинства и недостатки, о них мы сейчас поговорим. А любое техническое решение является компромиссом между достоинствами и недостатками.

Чем хорош свинец? Доступен. Т.е. его производство, мировое, очень большое и хорошо развито. Вы знаете - аккумуляторы свинцовые делаются, кабели, в бензин свинец добавляют, ну, в общем, развито огромное производство свинца. И не будет проблем с сырьевой базой, если от этой добычи свинца часть использовать для производства теплоносителей для атомных станций для реакторов. Первое достоинство. Потому что для висмута положение другое. Его мало производят и мало ресурсов висмута.

Второе достоинство, связанное с первым. Свинец примерно в восемь раз дешевле, чем висмут.

Третье достоинство. При облучении нейтронами, когда теплоноситель находится в реакторе, в свинце образуется 210Ро. 210Ро - это радиоактивный нуклид, который образует аэрозоли. Так вот, при облучении свинцового теплоносителя в реакторе образуется 210Ро в 1000 раз меньше, чем при облучении теплоносителя свинец-висмут. Т.е., как говорится, все карты в руки – свинцовый теплоноситель безопасней, дешевле, доступней. Это плюсы.

Минусы. Минус один, не очень существенный. Точка плавления эвтектического сплава свинец-висмут – 1250, а точка плавления свинца  - 3270, т.е. на 2000 выше. Это приводит к следующим последствиям, уже чисто эксплуатационным, которые затрудняют эксплуатацию и усложняют вопросы надежности. Вам же всегда нужно теплоноситель поддерживать в жидкой фазе, значит, чтобы теплоноситель не дал «козла», как говорят доменщики, т.е. не затвердел внутри, нижнюю температуру нужно поддерживать на уровне 4000 (с запасом).

Вопрос – а он при затвердевании не расширяется?

Нет, он не расширяется. Он усадку дает, но я об этом дальше буду говорить.

Значит, получается ремонтная площадка при температуре 4000 – т.е. любое действие - что-то там заменить, перегрузку вести – выливается в чрезвычайно трудную задачу. По сравнению с температурой плавления 1250 свинца-висмута, для которых ремонт производился при температуре где-то 160 – 1700. Я помню, как ремонтировали парогенераторы – просто открывали крышку парогенератора, была там какая-то защита, под ногами - асбестовые коврики. Открывали крышку и, в общем, на горячем парогенераторе искали дефектную трубку, потом вставляли пробку и обваривали их. Все это можно было делать и это делают. А когда 4000 – непонятно, как это делать. В общем то, это все роботы должны делать, а не люди. Но это, конечно, преодолимо, но значительно все осложняет и удорожает.

Второе. Есть одна принципиальная проблема, которая заключается в том, что коррозионная стойкость сталей в тяжелых жидких металлах резко падает с увеличением температуры. Т.е., скажем, ниже 4000 – проблем с коррозией нет, при 5000 – уже надо что-то думать, подбирать специальные марки стали. Самое трудное – это оболочка твэлов, потому что оболочка твэлов самая горячая. Длительный опыт показывает, что 6000 на оболочке – это нормально, это может быть обеспечено. А вот 6500 – когда то может быть и можно использовать, но под вопросом. Так вот, поскольку для свинца нижняя температура вынужденно увеличена из-за точки плавления, то вынужденно увеличена и верхняя температура. Вот тот проект БРЕСТ, который три года был флагманом Минатома, атомной энергетики, который пытались всему миру протолкнуть - вот он использовал свинцовый теплоноситель, причем вот те плюсы назывались, ну а минусы – нет, считалось, что ничего страшного тут и нет. Но все равно, ничего хорошего из этого не получилось, ни одна страна (а Адамов тут огромные усилия прилагал) – ни Америка, ни Япония, ни Европа – никто этот проект не принял – все остановились на свинце-висмуте. И, как резервный вариант – натрий. Пока неясно, что свинец – это столбовая дорога атомной энергетики мира, до этого еще очень далеко. А на свинце-висмуте вы имеете низкую температуру ремонтной площадки, нормальное обслуживание, которое проверено, а потом имеете максимальную температуру, которая сегодня проверена и которая по коррозии тоже проблем не вызывает.

Теперь вопрос о ресурсах, о стоимости. По ресурсам. Руководитель этой работы в НИКИЭТе Орлов Виктор Владимирович (он когда то у нас в ФЭИ работал), знал все. По справочникам посмотрел - висмута действительно добывают очень мало, запасы висмута очень маленькие, его в земле в 100 раз меньше, чем свинца. Когда мы рассматривали теплоноситель с точки зрения химических пожаров, то пришли к выводу, что тяжелые и жидкие металлы, в частности, свинец хороши всем, но свинец имеет вот этот недостаток, а вот висмут имеет недостаток по стоимости, по ресурсам и т.д. Зная, что справочные данные ограничены (все эти запасы цветных металлов были секретны) наш институт за свои деньги, заработанные на других контрактах, дал запрос институту, который занимался ураном, представить информацию обо всех подземных выработках, промтехнологии работ и т.д. Оказалось, что Россия по висмуту одна из самых богатых стран мира, но висмут никому был не нужен в больших количествах. Он использовался для приготовления лекарств, желудочных препаратов, его где-то там в подшипники добавляют, немножко он используется в электронике, в общем, применение висмута очень маленькое. Поэтому его добычу никто не развивал. Есть свободные мощности добычи висмута, мировые, но они не используются. Спрос удовлетворяется, поэтому кто будет вкладывать в это деньги? Так вот, оказалось, что на базе уже разведанных месторождений у нас в Читинской области можно организовать крупнотоннажное производство висмута, порядка тысячи тонн в год, ресурсы которого обеспечат 70 гиговатт, т.е. ввод 70 гиговатт мощностей с такими реакторами. При этом нужно учесть, что теплоноситель никуда не теряется. Когда кончается срок службы реактора, теплоноситель может быть извлечен оттуда и использован (после проведения рафинирования) в другой установке, т.е. он никуда не теряется. Ну, конечно, можно покупать висмут на мировом рынке, хотя у нас висмут и в Читинской области есть, еще он найден на Северном Кавказе, да и еще найдется. Японцы вообще говорят (после проведения оценок), что рассеянного висмута много – т.е. вопрос висмута – это вопрос стоимости, а не ресурсов. В земле его очень много. Вопрос в стоимости – висмутовые руды очень бедные.

Теперь стоимость. Учитывая, что все-таки теплоноситель дорогой, при разработке конструкции нужно принимать меры, чтобы в реакторе не было лишнего теплоносителя, чтобы его было только необходимое количество. В реакторе такой конструкции потребность в висмуте 1100 тонн на 1 гиговатт электрической мощности. В одном реакторе где-то около 200 т теплоносителя, не висмута, а теплоносителя, висмут составляет примерно половину. Т.е. вот этот сплав свинца-висмута примерно 50 на 50. Эвтектика. Почему такой сплав выбран? У свинца точка плавления 3270, у висмута – 2710, а вот у сплава точка плавления оказывается 1250. Т.е. выбран такой состав, который обеспечивает минимальную точку плавления.

Вопрос – а сколько тонн теплоносителя в одном реакторе?

В одном реакторе около 200 т теплоносителя – свинец плюс висмут.

Вопрос – тогда ртуть, наверное, проще было бы использовать?

А, делали на ртути. Во-первых, ртуть исключительно сильно захватывает нейтроны, и не только тепловые, но и быстрые - раз. Ртуть страшно ядовита, токсична - два.

 Вопрос – ну а свинец?

 Со ртутью не сравнить. Холодный свинец вообще не токсичен, если он прольется, то дробь в руках будет а больше ничего. А со ртутью обязательно будет отравление, если жидкая ртуть открытая. И наконец, у ртути точка кипения низкая. У нее 3700, примерно, т.е. это надо иметь реактор уже под давлением. Были ртутные турбины в свое время, перед войной еще – ничего хорошего. Короче говоря, не годится ртуть.

Теперь по стоимости. С учетом вот такого удельного расхода висмута на киловатт, вклад стоимости теплоносителя в капитальные затраты меньше 1 %. Да, висмут дорогой, теплоноситель получается дороже, чем свинцовый, но вклад его в удельные капитальные затраты меньше 1 %. Значит, он не является определяющим, даже если цена висмута вырастет, допустим, в 10 раз. Есть такая геологическая закономерность – доступные затраты минерального сырья увеличиваются в квадрате от цены, которую может платить потребитель. Вот вы цену увеличиваете в 10 раз, а ресурсы по такой цене увеличиваются в 100 раз, квадратично. Вот такая есть закономерность.

И есть еще одна возможность расширения – отойти от сплава свинец-висмут эвтектического состава 50 – 50. Если содержание висмута в теплоносителе уменьшить, то при этом точка плавления вырастет. Мы рассматривали, допустим, сплав, в котором 10 % висмута, т.е. в 5,5 раз меньше, чем в эвтектике. Вот в этом экономия, или расширение – точка плавления увеличивается в два раза и составляет уже 2500. Но не 3270. Т.е. можно постепенно идти и по этому пути. Но надо и свинец осваивать. Я не против свинца, но ему еще не пришло время. То, как он Адамовым внедрялся, очень похоже на действия большевиков в 1917 году, которые строили коммунизм под лозунгом: «Железными цепями загоним человечество в рай». Вот не понимает человечество, что ему нужно в рай, а большевики понимали, а тех, кто не понимает, железными цепями надо загнать. Вот атомную энергетику железными цепями, кнутами гнали в БРЕСТ (имеющего реактор со свинцовым теплоносителем), а ведь это была чистейшая авантюра. Никто из институтов отрасли этот проект не поддержал, но последние слова Адамова, когда он уже перестал быть министром, Филину, главному, были: «это же надо быть дураком, имея столько денег, никого не сделать сторонником, не привлечь на свою сторону….». Все понимают эти проблемы и трудности. Надо нормально работать, придет время - будет и свинец, может, через 50 лет, когда проблемы эти все будут решены. Сначала построить маленький реактор на свинце, не идти сразу на станцию 300 МВт, ведь это огромный экономический риск. БРЕСТ - это просто совершенно неразумная политика, чисто амбициозная, ничего за этим больше нет. Хотя по идее концепция быстрого реактора с тяжелым жидким  металлом – это правильная концепция, но ее техническая реализация совершенно не подготовлена. Ну а продиктовано это насильственное внедрение было тем, что Адамов был директором НИКИЭТ, он хотел свой институт продвинуть, а свинец-висмут разрабатывало уже ФЭИ. Хотя ФЭИ тоже сейчас осваивает свинец, но по приказу, за деньги Минатома, но он не является идеологом этой концепции.

Вопрос – а сейчас министр откуда?

  Румянцев, из Курчатовского института. Он сам не энергетик, он физик, твердотельщик, т.е. ему это все равно. Мы добились того, чтобы было совещание у министра в декабре, он одобрил эти работы, сказал, что хорошо, что вы сделали это в инициативном порядке, но дальше то надо уже работать по плану. Негматулин, Безубцев, Иванов – все поддержали проект. Но денег нет. Пока что дали всего 2 млн. руб. на этот год – это слезы, это просто смешно.

Четвертый класс аварий – теплоотводные аварии. Дальше смотрим по безопасности. С теплоносителем посмотрели аварии, теперь теплоотводные аварии или аварии, связанные с отводом остаточного тепловыделения. Т.е. теплоотводные аварии – это аварии, при которых прекращается внешний теплоотвод. Реактор (желательно) должен сохранять работоспособность, причем, как минимум, не должно быть выбросов радиоактивности в условиях полного обесточивания станции. Детерминистически это означает, что нет энергосистемы, ни один дизель не завелся, аккумуляторная батарея, как говорится, не работает – вот с карманными фонариками, с переносными, только и можно ходить и смотреть. И вот в этих условиях нужно, чтобы не произошло тяжелой аварии. Так вот, оказывается, что реактор с тяжелым жидким металлом дает уникальную возможность сброса вот этого тепла через корпус реактора. Потому что в аварийных условиях теплоноситель может быть нагрет и на 7000, и на 8000, и на 9000 - и при этом давление не повысится. И какой-то катастрофической коррозии, вызывающий разрушения, тоже не будет. Но если в нормальных условиях температура корпуса реактора 3000 и поток тепла вот в этот бак водяной идет 500 кВт, то когда корпус нагреется (вместе с теплоносителем) до 7000, то пойдет поток тепла до 1500 кВт. Аккумулирование тепла металлоконструкциями реактора, нагрев в воде приводит к тому, что даже если прекратится охлаждение этого бака (воды в баке пром. контура тоже нет, ни один насос не работает) – вода в нем начнет кипеть. Период невмешательства длится пять суток – пока вода не выкипит. Так вот, при этом никакой катастрофы не произойдет. В течение пяти суток пожарные машины из цистерны, из пруда качают воду, потому что единственная борьба с этой аварией – долить водой. Эти штуцера могут быть выведены куда то там далеко от станции, находиться вблизи пруда, понятно, как это делать.

Можно сделать и по-другому. Можно сделать контур естественной циркуляции еще один – из воды к воздуху теплообменника. Тогда получается бесконечное время – т.е. постоянно будут работать воздушные радиаторы, навешанные снаружи контейнмента. Ну а я бы сказал – ребята, зачем это, ведь это дорого, зачем? Мы же делаем реактор по нормам, это далеко превосходит принцип единичного отказа, зачем мы будем ухудшать экономику?

Вопрос – а естественная циркуляция здесь не возникает? 

Как же не возникает? Обязательно возникает. По всем контурам идет естественная циркуляция. Внутри идет естественная циркуляция свинца-висмута с передачей тепла через корпус. В баке идет своя естественная циркуляция, потому что внутренняя стенка горячая, наружная – холодная. Когда нагрелась вода в баке до 900, возникает циркуляция вот в этой петле и тепло уходит в воздушный теплообменник. Т.е. вот это полностью пассивная система, без всяких переключений, без клапанов, без заслонов, без ничего. Т.е. она всегда действует, и вы не думаете, включится она или не включится, она всегда отводит тепло.

Вопрос – ей генераторы не нужны?

Не нужны. В этом проекте есть два дизель-генератора, но они не относятся к первой категории по безопасности. Потому что катастрофической аварии не происходит, даже если они не включатся. Назначение этих дизель-генераторов - сохранение работоспособности оборудования (чтобы там подшипники не поплавились и т.д.), т.е. эти два дизель-генератора служат просто для предотвращения экономических потерь. Они не входят в систему безопасности.

Таким образом, мы пришли, исходя из требований безопасности, к облику реактора с внутренней самозащищенностью. Вот термин такой есть – внутренняя самозащищенность. Сейчас внедряется другой термин – внутренняя присущая безопасность, но этот термин дезориентирует людей, потому что реактор, конечно, все равно остается опасным

Прежде чем перейти собственно к резонансному поглощению, рассмотрим некоторые понятия из теории замедления нейтронов. Рассматривая процесс замедления, мы уже выяснили, что в качестве замедлителей могут быть использованы вещества с малым массовым числом, причем не все элементы с малым массовым числом могут быть замедлителями.

Следующее понятие, которое мы должны рассмотреть – это поток замедляющихся нейтронов

Для этого нам надо будет рассмотреть некоторые новые понятия из теории замедления нейтронов, прежде чем перейти собственно к резонансному поглощению


Система автоматического управления или поддержания мощности реактора