Инновационные технологии ядерных реакторов
Сегодня в мире большое внимание уделяется развитию инновационных технологий ядерных реакторов. В последние годы в этом направлении — создании атомной промышленности, развитии реакторной физики и техники, ядерной энергетики — РНЦ «Курчатовский институт» сделал огромный скачок вперед.
К слову, в настоящее время в мире по российским проектам созданы 63 установки типа ВВЭР (ВВЭР-реакторы мощностью 1 тыс. МВт каждый будут использованы и на Белорусской АЭС. — Прим. авт.). Последние две электрической мощностью по 1000 МВт были введены в строй в Китае, сообщает «Независимая газета». Автор статьи утверждает, что в ближайшие годы ожидается ввод в эксплуатацию 2 установок в Индии, началось сооружение аналогичного блока в Болгарии. Не так давно Россия выиграла тендер на строительство 4 реакторов в Турции и 2 в Украине. «В основном, на наш взгляд, по этому направлению в ближайшем будущем будет развиваться реакторная технология, — отмечает российскому изданию Юрий Семченков, директор Института ядерных реакторов (ИЯР) РНЦ «Курчатовский институт». — Перспективным реактором, проектирование которого заканчивается в 2009 году, станет форсированный реактор ВВЭР-1200 (АЭС-2006). Он создан на базе ВВЭР-1000 за счет увеличения активной зоны». К слову, интерес в ближайшей перспективе представляет развитие нового реактора по типу ВВЭР с большим коэффициентом воспроизводства. В настоящее время российские ученые начали концептуальную проработку такого проекта. Проект осуществляется под условным названием «Супер-ВВЭР». Надо признать, что планы эти весьма амбициозные — предполагается создание реактора ближайшего будущего, поскольку он основан на технологии, хорошо отработанной как в России, так и во всем мире.
Но если технология Супер-ВВЭР — это эволюционное развитие технологии действующих водо-водяных энергетических реакторов, предназначенных для производства электроэнергии, то высокотемпературные газоохлаждаемые реакторы (ВТГР) основаны на принципиально иных технологиях. Поэтому развитие концепций ВТГР подразумевает существенное продвижение в реакторных технологиях. По словам начальника отдела высокопотенциальной энергетики ИЯР Петра Фомиченко, в реакторах типа ВТГР для охлаждения активной зоны используется не водяной теплоноситель, как в ВВЭР, а высокотемпературный газ. Основное принципиальное отличие и преимущество высокотемпературных технологий — возможность достижения необычайно высоких температур теплоносителя на выходе из реактора, гораздо больших, чем в ВВЭР — до 1000 градусов. Добиться таких высоких температур можно, как отмечает пресс- служба «Росатома», используя керамическое топливо и химически инертный гелий в качестве теплоносителя. На основе анализа мирового опыта и работ, проводившихся в России, в качестве топлива ВТГР была предложена концепция микротвэлов, состоящих из топливного сердечника малого диаметра (около 0,5 мм) с нанесенными на него высокопрочными и жаропрочными защитными слоями из пироуглерода и карбида кремния. На основе этих микротвэлов создаются шаровые тепловыделяющие элементы или топливные компакты, напоминающие короткие стерженьки.
Как отметил П. Фомиченко, такие высокие температуры можно использовать в различных технологических процессах. Если основное предназначение реакторов типа ВВЭР — все-таки производство электроэнергии, то высокотемпературные газовые реакторы открывают для атомной энергетики новое пространство. К слову, реакторные системы с ВТГР призваны заметно расширить сферу использования атомной энергии и войти в те области энергопотребления, где атомная энергия пока не завоевала значимых позиций. Это, как подчеркивает автор статьи, прежде всего производство промышленного тепла для энергоемких технологий — например, химических, металлургических, — для производства моторного топлива, а также водорода. Именно этим сферам принадлежит большая часть потребления энергии. Поэтому высокотемпературное направление в реакторных технологиях, развиваемое в Курчатовском институте, способно внести существенный вклад в расширение сферы использования ядерной энергии. Напомним, что новая стадия работы над высокотемпературными реакторами началась еще на рубеже столетий. Используя опыт, накопленный за предыдущие годы, а также достижения в работах над новыми реакторными материалами, исследователи предлагают новые технические решения, улучшающие возможности реакторов этого типа. Сегодня это активно развивающееся направление известно в мире как часть программы «Генерация-4», инициированной США. В этой программе, как отмечает российское издание, определены 6 типов различных реакторных концепций, и 2 из них используют гелий в качестве теплоносителя, в том числе и для производства высокопотенциального тепла. Вокруг перспективного высокотемпературного направления уже сложилась устойчивая международная кооперация. Туда устремлены и научные интересы российского ядерного института.
Высокие температуры нужны и для производства водорода. Сегодня многим известно, что водород может быть высокоэффективным и экологически чистым энергоносителем: он широко используется в промышленности и ракетной технике, а в будущем может найти применение в энергетике, бытовом теплоснабжении, на автотранспорте. Уже в 1970-е годы Курчатовский институт стал активно действующим центром атомно-водородной энергетики. «Результаты исследований позволили предложить новые подходы к выбору и совершенствованию реакторных материалов, расширить температурные и радиационные границы их использования, — сообщается на сайте Минатома. — На базе этих исследований и началось развитие нового направления использования атомной энергии — атомно-водородная энергетика, основанная на высокотемпературных реакторах с гелиевым охлаждением для производства водорода и других энергоносителей. Выполненные исследования по высокотемпературным реакторам стали основой для разработки и создания целого ряда реакторных установок с уникальными параметрами, в том числе ядерных ракетных двигателей».
Отметим, что в качестве ориентиров развития атомной энергетики России на долгосрочную перспективу взяты установленные мощности АЭС: 90 ГВт к 2030 году и 170 ГВт к 2050 году. Эти масштабы атомной энергетики определяются внутренними потребностями России по наращиванию электрогенерации в прогнозных сценариях развития экономики. Для замкнутого топливного цикла ученые рассчитали структуру атомной энергетики и масштаб увеличения установленных мощностей атомных станций. Она определена на основе многофакторного анализа. Эта структура обеспечивает преемственность в развитии реакторных технологий, эволюционное развитие новых направлений, минимизирует потребление природного урана, не требует излишнего форсирования в развитии предприятий по переработке ОЯТ. Для этого сценарного варианта предполагается развитие атомной энергетики на основе замкнутого топливного цикла с быстрыми реакторами с расширенным воспроизводством топлива (реакторы БР-S). Серийный ввод коммерческих быстрых реакторов в эксплуатацию по сценарию российских ученых начнется с 2025 года. К этому времени основные технические решения должны быть подтверждены на малой серии быстрых реакторов, вводимых в эксплуатацию с 2018 года, отмечает «Независимая газета». С 2025 года параллельно начнется развитие высокотемпературного направления, которое способно существенно расширить сферы применения атомной энергетики. Оно ориентировано на развитие атомно-водородной энергетики, производства искусственного моторного топлива, использование высокопотенциального тепла в промышленности.
Александр ПАНИЧ
К слову, в настоящее время в мире по российским проектам созданы 63 установки типа ВВЭР (ВВЭР-реакторы мощностью 1 тыс. МВт каждый будут использованы и на Белорусской АЭС. — Прим. авт.). Последние две электрической мощностью по 1000 МВт были введены в строй в Китае, сообщает «Независимая газета». Автор статьи утверждает, что в ближайшие годы ожидается ввод в эксплуатацию 2 установок в Индии, началось сооружение аналогичного блока в Болгарии. Не так давно Россия выиграла тендер на строительство 4 реакторов в Турции и 2 в Украине. «В основном, на наш взгляд, по этому направлению в ближайшем будущем будет развиваться реакторная технология, — отмечает российскому изданию Юрий Семченков, директор Института ядерных реакторов (ИЯР) РНЦ «Курчатовский институт». — Перспективным реактором, проектирование которого заканчивается в 2009 году, станет форсированный реактор ВВЭР-1200 (АЭС-2006). Он создан на базе ВВЭР-1000 за счет увеличения активной зоны». К слову, интерес в ближайшей перспективе представляет развитие нового реактора по типу ВВЭР с большим коэффициентом воспроизводства. В настоящее время российские ученые начали концептуальную проработку такого проекта. Проект осуществляется под условным названием «Супер-ВВЭР». Надо признать, что планы эти весьма амбициозные — предполагается создание реактора ближайшего будущего, поскольку он основан на технологии, хорошо отработанной как в России, так и во всем мире.
Но если технология Супер-ВВЭР — это эволюционное развитие технологии действующих водо-водяных энергетических реакторов, предназначенных для производства электроэнергии, то высокотемпературные газоохлаждаемые реакторы (ВТГР) основаны на принципиально иных технологиях. Поэтому развитие концепций ВТГР подразумевает существенное продвижение в реакторных технологиях. По словам начальника отдела высокопотенциальной энергетики ИЯР Петра Фомиченко, в реакторах типа ВТГР для охлаждения активной зоны используется не водяной теплоноситель, как в ВВЭР, а высокотемпературный газ. Основное принципиальное отличие и преимущество высокотемпературных технологий — возможность достижения необычайно высоких температур теплоносителя на выходе из реактора, гораздо больших, чем в ВВЭР — до 1000 градусов. Добиться таких высоких температур можно, как отмечает пресс- служба «Росатома», используя керамическое топливо и химически инертный гелий в качестве теплоносителя. На основе анализа мирового опыта и работ, проводившихся в России, в качестве топлива ВТГР была предложена концепция микротвэлов, состоящих из топливного сердечника малого диаметра (около 0,5 мм) с нанесенными на него высокопрочными и жаропрочными защитными слоями из пироуглерода и карбида кремния. На основе этих микротвэлов создаются шаровые тепловыделяющие элементы или топливные компакты, напоминающие короткие стерженьки.
Как отметил П. Фомиченко, такие высокие температуры можно использовать в различных технологических процессах. Если основное предназначение реакторов типа ВВЭР — все-таки производство электроэнергии, то высокотемпературные газовые реакторы открывают для атомной энергетики новое пространство. К слову, реакторные системы с ВТГР призваны заметно расширить сферу использования атомной энергии и войти в те области энергопотребления, где атомная энергия пока не завоевала значимых позиций. Это, как подчеркивает автор статьи, прежде всего производство промышленного тепла для энергоемких технологий — например, химических, металлургических, — для производства моторного топлива, а также водорода. Именно этим сферам принадлежит большая часть потребления энергии. Поэтому высокотемпературное направление в реакторных технологиях, развиваемое в Курчатовском институте, способно внести существенный вклад в расширение сферы использования ядерной энергии. Напомним, что новая стадия работы над высокотемпературными реакторами началась еще на рубеже столетий. Используя опыт, накопленный за предыдущие годы, а также достижения в работах над новыми реакторными материалами, исследователи предлагают новые технические решения, улучшающие возможности реакторов этого типа. Сегодня это активно развивающееся направление известно в мире как часть программы «Генерация-4», инициированной США. В этой программе, как отмечает российское издание, определены 6 типов различных реакторных концепций, и 2 из них используют гелий в качестве теплоносителя, в том числе и для производства высокопотенциального тепла. Вокруг перспективного высокотемпературного направления уже сложилась устойчивая международная кооперация. Туда устремлены и научные интересы российского ядерного института.
Высокие температуры нужны и для производства водорода. Сегодня многим известно, что водород может быть высокоэффективным и экологически чистым энергоносителем: он широко используется в промышленности и ракетной технике, а в будущем может найти применение в энергетике, бытовом теплоснабжении, на автотранспорте. Уже в 1970-е годы Курчатовский институт стал активно действующим центром атомно-водородной энергетики. «Результаты исследований позволили предложить новые подходы к выбору и совершенствованию реакторных материалов, расширить температурные и радиационные границы их использования, — сообщается на сайте Минатома. — На базе этих исследований и началось развитие нового направления использования атомной энергии — атомно-водородная энергетика, основанная на высокотемпературных реакторах с гелиевым охлаждением для производства водорода и других энергоносителей. Выполненные исследования по высокотемпературным реакторам стали основой для разработки и создания целого ряда реакторных установок с уникальными параметрами, в том числе ядерных ракетных двигателей».
Отметим, что в качестве ориентиров развития атомной энергетики России на долгосрочную перспективу взяты установленные мощности АЭС: 90 ГВт к 2030 году и 170 ГВт к 2050 году. Эти масштабы атомной энергетики определяются внутренними потребностями России по наращиванию электрогенерации в прогнозных сценариях развития экономики. Для замкнутого топливного цикла ученые рассчитали структуру атомной энергетики и масштаб увеличения установленных мощностей атомных станций. Она определена на основе многофакторного анализа. Эта структура обеспечивает преемственность в развитии реакторных технологий, эволюционное развитие новых направлений, минимизирует потребление природного урана, не требует излишнего форсирования в развитии предприятий по переработке ОЯТ. Для этого сценарного варианта предполагается развитие атомной энергетики на основе замкнутого топливного цикла с быстрыми реакторами с расширенным воспроизводством топлива (реакторы БР-S). Серийный ввод коммерческих быстрых реакторов в эксплуатацию по сценарию российских ученых начнется с 2025 года. К этому времени основные технические решения должны быть подтверждены на малой серии быстрых реакторов, вводимых в эксплуатацию с 2018 года, отмечает «Независимая газета». С 2025 года параллельно начнется развитие высокотемпературного направления, которое способно существенно расширить сферы применения атомной энергетики. Оно ориентировано на развитие атомно-водородной энергетики, производства искусственного моторного топлива, использование высокопотенциального тепла в промышленности.
Александр ПАНИЧ
Строительство и недвижимость. Статья была опубликована в номере 47 за 2008 год в рубрике энергетика
