Энергия атома. [12] Новые теплоносители

 Жидкий металл

Несколько лет назад в России была утверждена федеральная целевая программа по развитию новых ядерных технологий. Она предполагает продвижение трех базовых проектов быстрых реакторов поколения IV – с натрием, свинцом или свинцом-висмутом в качестве теплоносителя. Это разработки БН, БРЕСТ и СВБР, находящиеся на разных стадиях реализации. Натриевый реактор у нас уже есть даже действующий, новый строится на Белоярской АЭС. Установка СВБР появится к 2017 году в Димитровграде. Пуск энергоблока с РУ БРЕСТ-ОД‑300 намечен на 2020 год.

Выбор теплоносителя во многом определяет конструкцию реактора, ведь от того, какое вещество будет использоваться в активной зоне, зависит безопасность и эффективность установки. К сожалению, идеального теплоносителя не существует. Например, вода требует высокого давления, натрий окисляется с выделением температуры, в свинце-висмуте образуется полоний, свинец имеет высокую температуру плавления. Однако у каждого есть и свои плюсы.

От ртути до натрия

Жидкие металлы из-за своих физико-химических характеристик оказались очень перспективными в плане использования в реакторах на быстрых нейтронах. Именно поэтому в середине прошлого века изучением их свойств занялись ученые по обе стороны океана. Но сначала физики заинтересовались ртутью.

В 1946 году в США был пущен первый быстрый реактор на ртутном теплоносителе Clementine. Спустя несколько лет после пуска американского Clementine в Обнинске заработал реактор БР‑2 мощностью 100 кВт на ртутном теплоносителе (его предшественник БР‑1 охлаждался с помощью воздуха). Но проработать на этом металле удалось менее года. Практика продемонстрировала его неперспективность. 



Гайку погрузили во ртуть

В 1959 году в ФЭИ был пущен реактор БР‑5, первый контур которого заполнялся натрием, а второй – натрий-калием (в то же время исследования свойств этих теплоносителей шли во Франции, Германии и Японии). Начались широкомасштабные исследования различных типов теплоносителя: ртути, натрия, лития, эвтектических сплавов натрий-калия и свинца-висмута.

Но в итоге остановились на натрии. Так появился БН‑350 в Казахстане (сейчас остановлен), а потом БН‑600 – единственный в мире (на момент написания статьи, скоро будет пущен реактор на БН в Китае, а также сооружается БН-800 на Белоярской АЭС) действующий промышленный реактор на быстрых нейтронах. Параллельно с натрием изучались свойства свинца и сплава свинца-висмута на предмет применения в энергетических установках стратегических подводных лодок. В результате несколько поколений судовых реакторов получили свинцово‑висмутовый теплоноситель. 

Натрий

Сегодня это, пожалуй, базовый теплоноситель для быстрых реакторов. На Белоярской АЭС работает энергоблок с реактором БН‑600, там же строится усовершенствованный и более мощный БН‑800 (главный конструктор – ОКБМ им. Африкантова).

Почему именно натрий? Прежде всего из-за теплофизических характеристик. У натрия относительно невысокая температура плавления, что важно для технологического процесса: при 100 °C уже можно считать, что это жидкость, но обычно в активную зону он подается при температуре около 300 °C (температура на выходе – 500 °C). Температура кипения – за 700 °C. Рабочий диапазон теплоносителя очень широк и, как следствие, большие запасы по теплосъему.

Но особенно важно, что, не опасаясь вскипания теплоносителя, корпус реактора можно проектировать, по сути дела, на атмосферное давление (в реакторах типа ВВЭР давление довольно высокое). А это дает существенную экономию материалов при проектировании активной зоны и трубопроводов. Для быстрых энергетических реакторов корпуса имеют толщину всего несколько сантиметров.

Натрий относительно легкий металл, и его гидравлическое сопротивление невелико. Очень важное достоинство – хорошая совместимость со многими сталями, которые применяются в реакторостроении. 

В общем, это был бы почти идеальный теплоноситель, если бы не окислялся с выделением температуры при соприкосновении с воздухом и водой. А значит, понадобятся технические и конструкторские меры, чтобы избежать пожаров. Еще один минус – в России натрий необходимого качества просто не выпускается, закупать его планируется во Франции или Китае. 

Свинец

Прежде всего, свинец пожаро- и взрывобезопасен. К тому же он дешевле натрия, обладает сходными характеристиками, но кипит при более высокой температуре. Значит, до кризиса теплообмена, связанного с кипением, есть запас. Еще один важный плюс – даже если в корпусе реактора появится трещина, свинец естественным образом застынет и герметизирует ее.

Минусы – температура плавления выше, чем у натрия, соответственно давление внутри контуров должно быть больше. Поначалу ученые опасались, что это создаст трудности. Однако опасения были преувеличены. Сейчас и у нас, и за рубежом без проблем работают экспериментальные установки на свинце.

В ФЦП «Ядерно-энергетические технологии нового поколения» рассматривается создание опытно-демонстрационной станции БРЕСТ-ОД‑300 со свинцовым теплоносителем, проект которого должен быть готов к 2015 году (главный конструктор энергоблока – НИКИЭТ им. Доллежаля). Чтобы реакторная установка заработала, ученые должны полностью отработать все технологии.

Свинец-висмут

Главное преимущество сплава свинец-висмут то же, что и у свинца: он не так агрессивен по отношению к воздуху и воде, как натрий. Важно также, что свинец-висмут меньше замедляет нейтроны. Однако с точки зрения коррозионной стойкости у сплава есть проблемы.

Технология отработана: судовые ядерные энергетические установки на свинце-висмуте существуют не один десяток лет. Опыт их создания и эксплуатации будет крайне полезен при сооружении инновационного реактора СВБР‑100. Научным руководителем проекта является ФЭИ, а реализовываться он будет на площадке НИИАР.

Зачем понадобилось добавлять висмут? Чтобы нивелировать недостатки свинца. Таким образом снижается температура плавления и облегчается работа с реактором. Здесь есть одно но – наработка на висмуте полония. Это ведет к ужесточению подходов к технологии очистки, безопасности и т. д.

В отличие от чистого свинца, сплав апробирован, в частности, на АПЛ. Но масштабировать технологию тяжело. К тому же висмут довольно дорогой металл, а его производства в России нет. Для СВБР, электрическая мощность которого всего 100 МВт, свинец найдется, но если в следующих поколениях установок она будет повышаться, это может стать проблемой. Сплав больше пригоден для маломощных реакторов. В прочих случаях, пожалуй, оптимальны только два варианта – натрий и свинец.

* * *

Специалисты считают, что выбор одного наиболее перспективного теплоносителя для реакторов на быстрых нейтронах на данном этапе делать рановато. Сначала нужно накопить опыт использования жидко‑ металлических теплоносителей в промышленных условиях, что произойдет уже через несколько лет.

Андрей ЩУКИН,
«Страна РОСАТОМ», №44