Витязь на распутье (NUC27)

Продолжая разговор о будущем ядерных реакторов, надо снова пояснить ситуацию с современными инженерными подходами.
Часто люди, не вовлечённые в конструкторскую и проектную работу, воспринимают инженерный и конструкторский труд как некую прогулку по магазину с целью купить себе суповой набор, овощей и зелени для приготовления борща.
То есть — конструктор, материаловед или проектант идут себе по справочнику ГОСТов и ТУ, да и берут готовые куски проектируемого изделия из старых разработок. Ну а потом изящным росчерком пера соединяют все эти уже заранее просчитанные элементы в рамках некоего готового изделия.
На деле же проектирование любого сложного изделия (а реактор у нас изделие не просто сложное, а сверхсложное) — это постоянный процесс, вращающийся в рамках извечной "молотилки" проектного подхода: "дизайн-синтез-эксперимент-анализ-дизайн".

Проектная концепция рождается в голове у проектировщика, синтезируется в готовую документацию, документация воплощается в изделие, изделие работает и показывает результат, результат анализируется, сильные стороны усиливаются, а слабые — искореняются, а на основании этого проектная концепция опять перерабатывается.
При этом часто советскую проектную школу ругали именно за это: мол, смотрите — американцы уже летают на "Спейс Шаттлах", а вы всё ещё модернизируете старую королёвскую Р-7.
В то же время — в использовании такого постепенного, рационализаторского подхода нет ничего зазорного. Ведь изобретатель смотрит вперёд, а рационализатор — по сторонам.

При этом подход рационализатора в чём-то гораздо безопаснее. Ведь изобретение — это всегда "сшивка" мысленного дизайна с реальностью жизни. А в жизни, как мы помним, кроме бумаги часто на местности присутствуют и неприятные складки, именуемые оврагами:



И часто, в изобретательском угаре, можно ненароком уйти совсем не туда, откуда потом можно легко вернуться.
Так у нас много раз происходило и в истории проектирования и постройки экспериментальных ядерных реакторов.
Поэтому — посмотрим назад, потом — по сторонам, а потом — и вперёд.
Взглядом хрониста, взглядом рационализатора, взглядом изобретателя.

Сначала я хочу рассказать вам об истории американского реактора на быстрых нейтронах.
Ведь все споры о целесообразности "похода вперёд", которые сейчас сотрясают российское атомное сообщество и порождают мегабайты писем, отчётов, докладов и презентаций, которые должны отстоять преимущественное развитие проекта натриевых реакторов БН, проекта свинцово-висмутового реактора СВБР или проекта свинцового реактора БРЕСТ, уже были в истории развития атомной энергетики.
Но касались они проекта реактора-бридера Клинч Ривер (по английски - The Clinch River Breeder Reactor, сокращенно CRBRP).

Надо сказать, что первый экспериментальный реактор на быстрых нейтронах был создан именно в США.
20 декабря 1951, реактор EBR-I (Experimental Breeder reactor, по русски "экспериментальный реактор-размножитель") в Аргоннской Национальной лаборатории в Айдахо впервые произвёл достаточно электроэнергии для питания четырех ламп накаливания, а уже на следующий день произвёл достаточно энергии, чтобы обеспечить автономное питание всего здания, в котором он и был расположен. Конечно, по современным меркам, это был совершенно "игрушечный" реактор, но эксперименты на нём продолжались вплоть до 1964 года.


Энергосбережение? Нет, не слышали. У нас этого гуталину — завались.

Мощность EBR-I составила около 200 кВт, но, в силу его непостоянной работы и ряда аварий (так, например, в 1955 году на нём даже произошло частичное расплавление активной зоны), его так и не подключили к сети. Расплавление активной зоны было вызвано ненадёжной работой выбранного теплоносителя первого контура — эвтектики (смеси) жидкого натрия и жидкого калия, от которой впоследствии отказались.
Вообще, как я уже писал в прошлой статье, вопрос сочетания "надёжности" и "безопасности" с экономикой всегда стоял и стоит на повестке дня при проектировании любого ядерного реактора. И вопрос выбора между смесевым (эвтектическим) и чистым металлическим теплоносителем преследовал и будет преследовать ядерную индустрию. Ведь тут именно что "пока не попробуешь — хрен что узнаешь"

Интересно, что в зависимости от того, что считать "атомной электростанцией", EBR-I вполне может претендовать на это звание — поскольку дал промышленный ток впервые за три года до пуска Обнинской АЭС. Однако первой АЭС, подключенной к сети, стал всё же именно Обнинск.
Поэтому, реактор на быстрых нейтронах вполне может претендовать на звание первого реактора, который, помимо тепла, ещё снабдил нас и электричеством:


EBR-1. Первый полёт птицы. Теперь это — памятник первому электричеству, полученному из атома.

Следующее поколение экспериментальных реакторов было представлено в США реактором EBR-II, который вступил в строй в Аргоннской национальной лаборатории в 1964 году и действовал вплоть до 1994 года. Он был разработан уже с прицелом на замкнутый ядерный цикл — при создании EBR-II уже официально декларировалась полная переработка отработанного топлива, выделение остаточного урана и плутония из него и повторное использование этих изотопов на площадке EBR-II.
Однако, как мы помним, именно в этот момент в рассказе о планах у нас обычно и возникают проклятые складки местности.
Ни один из этих декларируемых моментов: полная переработка топлива, выделение плутония и урана из сборок и их повторное использование
— так и не был реализован на производственной площадке EBR-II.
Однако реактор честно отработал 30 лет и выдавал в среднем около 20 МВт мощности, при запланированной по проекту максимальной тепловой мощности в 62,5 МВт. Это полезная мощность реактора вполне обеспечивала большую часть тепловой и электрической энергии для окружающих реактор объектов.
То есть, уже на проекте EBR-II инженеры и конструктора столкнулись с двумя "удачами" цикла и реактора на быстрых нейтронах: задача переработки топлива и задача контроля состояния реактора оказались отнюдь не столь тривиальными, как они казались в самом начале.
Однако, на EBR-II уже в полной мере была отработана технология жидкого металлического теплоносителя, в качестве которого уже выступил хорошо знакомый нам чистый металлический натрий, который заменил оказавшуюся неудачной натрево-калиевую эвтектику.



EBR-II. Эта птица уже не взлетит. Но — летала!

Но, что интересно, на EBR-II, несмотря на его почтенный возраст, была уже полностью проверена система "пассивной безопасности", которая сейчас стоит во главе угла всех новых дизайнов реакторов.

В апреле 1986 года на EBR-II была проведена целая серия тестов на "пассивную безопасность". В первом тесте были полностью отключены главные насосы системы охлаждения первого контура, в то время, как реактор находился на полной тепловой мощности (62,5 МВт).
Не включая аварийных систем охлаждения, персонал станции смог заглушить реактор в течении примерно 300 секунд (5 минут).
Никаких повреждений ядерного топлива или конструкций реактора зафиксировано не было.
Этот тест показал, что даже при потере всей электрической энергии и невозможности остановки реактора с помощью обычных систем, реактор будет полностью заглушен самостоятельно — без опасности или ущерба для окружающей среды и для него самого.
В тот же день, вслед за демонстрацией аварийного глушения реактора без принудительного охлаждения, был проведен ещё один тест.
Реактор снова вывели на полную тепловую мощность, а затем расход теплоносителя (воды) во втором контуре также был принудительно остановлен, вслед за отключением насосов первого (натриевого) контура.
Это испытание тоже ожидаемо привело к повышению температуры, так как сброс тепла из реактора вообще полностью отсутствовал.
Основной системой охлаждения в этот момент стал лишь жидкий натрий и сама конструкция реактора.
Однако за счёт поглощения тепла конструкцией, нагрева и частичного кипения натрия — реактор смог с честью выдержать и это испытание, выйдя в полное охлаждение исключительно на запасах конструкции.

И не спрашивайте меня, что творилось на ЧАЭС через полмесяца после экспериментов на EBR-II. Это для меня находится за пределами добра и зла.
Ибо пускать цикл отработки технологии "дизайн-синтез-эксперимент-анализ-дизайн" на живом, подключенном к сети реакторе, да потом ещё и творчески перерабатывать программу испытаний — это для меня за пределами добра и зла.


Fermi One. Первый коммерческий бридер. Закрыт в 1972 году. Не взлетел.
 
Первый в мире коммерческий реактор на быстрых нейтронах LMFBR (Liquid Metal Fast Breeder Reactor, по русски: "Жидкометаллический реактор на быстрых нейтронах") тоже был построен в США, на станции имени Энрико Ферми, в штате Мичиган.
Мощность "Ферми-Один", как назвали этот блок, составила 94 МВт электрической мощности.
Строительство "Ферми-Один" началось даже раньше, нежели постройка прожившего гораздо дольшк EBR-II, ещё в 1956 году, сразу же на волне успехов первых американских бридеров и открытия в СССР станции в Обнинске.
Замах создателей "Ферми-Один", коммерческого консорциума компаний Dow Chemical and Detroit Edison был смелым и революционным. Замахивались не много ни мало — а сразу на создание в ближайшей перспективе целой индустрии атомной генерации электроэнергии, построенной исключительно на реакторах-размножителях на быстрых нейтронах.

Закладка фундамента блока "Ферми-Один" состоялось в 1956 году. Однако, с самого начала стройка блока столкнулась с массой инженерных и конструкторских проблем. Не были отработаны материалы, не было никакой определённости со стойкостью конструкции в мощных потоках высокоэнергетических нейтронов. Сроки сдачи постоянно откладывались и "пальма первенства" первой американской АЭС, которая дала ток на сеть мало-помалу ушла к традиционным реакторам на тепловых нейтронах, первый из которых дал ток в сеть на АЭС Шипингпорт в 1958 году.
"Ферми-Один" же стал неимоверным долгостроем и был введен в эксплуатациютолько в 1963 году, через семь лет после начала строительства.

Однако практически сразу на "Ферми-Один" посыпались недостатки и недочёты конструкции, которые поставили под угрозу само существование реактора. Так, 5 октября 1966 перекачка натрия была заблокирована куском циркония, который оторвался от тепловыделяющей сборки и перекрыл канал для перекачки натрия. В результате локального перегрева полностью расплавились шесть топливных сборок и весь первый контур реактора оказался заражённым радиацией. Ьридер поистине оказался "горячей штучкой".
Сам этот случай стал основой для книги Джон Г. Фуллера с названием "Как мы почти потеряли Детройт".
Сама книга оказалась достаточно скандальной и провокационной, ну а Детройт США таки потеряли. Причём, что характерно, совершенно без помощи реактора-бридера. А скорее — вопреки.

Оторвавшийся кусок циркония смогли удалить из реактора только через полтора года, уже в апреле 1968 года.
Ещё два года занял ремонт повреждённой активной зоны, и АЭС была готова возобновить работу в мае 1970 года, но тут на станции неожиданно возник пожар с натриевым теплоносителем. АЭС решили перезапустить в июле 1970-го года.
Однако, станция так и не была пущена в строй вплоть до августа 1972 года, когда оперирующей компании "Ферми-Один" было окончательно отказано в продлении лицензии на многострадальный блок.

Однако американская бридерная программа не закончилась вместе с "Ферми-Один". Как я сказал — окончательную точку в вопросе американских бридеров поставил именно проект реактора-бридера в Клинч Ривер. Именно The Clinch River Breeder Reactor, сокращенно CRBRP и должен был стать той "взлетающей птицей", которая была призвана вынести бридерную программу США к недостижимым высотам замкнутого ядерного цикла. Впервые о CRBRP начали говорить в 1970-м году, уже на фоне понимания того, что "Ферми-Один" таки "не полетел".


Так должна была выглядеть эта гордая птица. Она не взлетела. Точнее — так и не вылупилась из яйца.

Целью этого проекта была разработка и создание натриевого реактора на быстрых нейтронах, который должен был быть демонстрационным прототипом для следующего класса аналогичных американских реакторов. При этом реактор Клинч-Ривер задумывался как существенный шаг на пути к освоению технологии жидкометаллических быстрых реакторов с целью их коммерческого использования в электроэнергетике. Местом размещения реактора Клинч-Ривер должен был стать участок площадью 6 км², административно входящий в состав города Оук-Ридж в штате Теннесси. Того самого Оук-Ридж, который был создан "с нуля" в 1940-м году в рамках Манхеттенского проекта и в котором ковались первые тонны плутония и урана для американской военной ядерной программы.

Реактор Клинч-Ривер должен был иметь тепловую мощность 1000 МВт и электрическую мощность в интервале 350-380 МВт. В этом отношении он должен был стать "родным братом" советского реактора-бридера БН-350, который к тому времени уже строился в казахстанском Шевченко (теперь — Актау).
Топливом для реактора должны были стать 198 шестигранных сборок, собранных в форме цилиндра с двумя зонами обогащения топлива. Внутренняя часть реактора должна была состоять из 108 сборок, содержащих плутоний, обогащенный до 18%. Их должна была окружать внешняя зона, состоящая из 90 сборок с плутонием, обогащенным до 24%. Такая конфигурация должна была обеспечить наилучшие условия для тепловыделения.
Таким образом, замах в случае CRBRP был вообще адским — это должен был быть первый в мире чисто плутониевый реактор-бридер.

Впервые проект CRBRP был представлен в 1970 году. В 1971 году президент США Ричард Никсон установил  на эту технологию наивысший приоритет среди научно-исследовательских работ страны. Реально впереди у США замаячил успех, сравнимый если не с Манхеттенским проектом, то уж равный высадке на Луне, так точно.
Однако горделивая птица CRBRP так и не взлетела.

Одной из главных причин такой ситуации была продолжающаяся эскалация стоимости проекта. В 1971 году Комиссия по атомной энергии США установила, что стоимость проекта составит "порядка 400 млн долларов". Частный сектор обещал профинансировать большую часть проекта, выделив под эти нужды около 257 млн долларов.
В последующие годы, однако, на фоне начальных разработок и уточнения цены проекта, стоимость проектирования и постройки CRBRP подпрыгнула до 700 млн.
По состоянию на 1981 год, после одиннадцати лет проектных и конструкторских работ и проведения массы натурных испытаний, на проект CRBRP был потрачен уже миллиард долларов бюджетных средств, при том, что общая стоимость проекта постройки реактора оценивалась уже в 3 – 3,2 млрд долларов, не считая еще одного миллиарда, который был необходим для строительства завода по производству специального плутониевого ядерного топлива.
Кроме того, в ходе рутинной проверки, в 1981 году, комитет Конгресса вскрыл случаи различных злоупотреблений внутри проекта CRBRP (да, да! воруютс!), что еще более утяжелило стоимость проекта и привело к потере доверия к нему.

Перед тем, как принять решение о закрытии, стоимость проекта оценивалась уже в 8 млрд долларов США.

Другой причиной стала высокая стоимость строительства и эксплуатации самого реактора-бридера для производства электричества.
В 1981 году было оценено, что стоимость строительства быстрого реактора будет вдвое больше строительства стандартного легководного реактора такой же мощности. Было также подсчитано, что для того, чтобы бридер мог экономически конкурировать с обычными легководными реакторами, цена урана должна составлять 165 долларов за фунт, в то время как в действительности эта цена находилась тогда лишь на уровне 25 долларов за фунт.
Частные генерирующие компании не пожелали вкладывать деньги в такую рискованную технологию.
Да, сейчас, на уровне вовлечения в отработку запасов урана со стоимостью в 130 и даже в 260 долларов за килограмм, стоимость американского бридера уже не выглядит катастрофой, но тогда это оказалось смертельным приговором для проекта.

Еще одной серьезной причиной для сворачивания программы бридеров стала угроза возможного нарушения режима нераспространения, поскольку в этой технологии происходит наработка плутония, который также может быть использован для производства ядерного оружия. Из-за международной озабоченности по поводу вопросов распространения ядерных материалов, в апреле 1977 году президент США Джимми Картер призвал отложить на неопределенный срок строительство коммерческих быстрых реакторов всюду в мире.
Нефти было ещё завались, атомные разрешения перестали "пользоваться спросом", в общем — конспирологи могут улыбаться.

Президент Картер вообще был последовательным оппонентом проекта Клинч Ривер. В ноябре 1977 года, наложив вето на законопроект о продолжении финансирования, Картер сказал, что это будет «неоправданно дорого» и «после завершения строительства станет технически устаревшим и экономически необоснованным». Кроме этого он заявил о бесперспективности технологии быстрых реакторов вообще. Вместо того, чтобы вкладывать ресурсы в демонстрационный проект на быстрых нейтронах, Картер предлагал взамен «потратиться на увеличение безопасности существующих ядерных технологий».

Проект Клинч Ривер был возобновлен после прихода к власти Рональда Рейгана в 1981 году. Несмотря на растущую оппозицию со стороны Конгресса, он отменил запрет своего предшественника, и строительство возобновилось. Однако, 26 октября 1983 года, несмотря на успешный ход строительных работ, Сенат США большинством (56 против 40) призвал отказаться от дальнейшего финансирования строительства и объект был заброшен.
Как на это повлияла катастрофа на советской ЧАЭС и зачем за полгода до этого была проведена серия экспериментов на EBR-II — для меня вопрос открытый, но непознаваемый. Пусть этим занимаются конспирологи — вместе с измерением теней на лунных снимках "Аполлонов".

Для меня в этой американской истории важен тот факт, что дорога наверх никогда не усыпана розами.
В реальной жизни у нас очень редко бывают ситуации, когда "любая дорога ведёт к победе". Как и нет "единственно верного пути", который нам понятен сразу же, ещё на краеугольном камне изначального выбора:



Поэтому реальная жизнь, реальный процесс конструирования и проектирования, реальная эксплуатация реальных изделий — это всегда путь проб, ошибок, тупиковых ветвей и жестоких разочарований.
И его совершенно невозможно представить в начале. Вот так, сразу, ясно и во всех деталях.
Мы знаем идеальный результат, мы подтвердили его опытом.

СССР и Россия вот уже 55 лет идёт по магистральной дороге натриевых реакторов, начатую ещё в 1959 году с пуском в Обнинске первого реактора на быстрых нейтронах БР-5, который верой и правдой отработал вплоть до 2002 года.
Его "сын", реактор БОР-60, трудится и до сих пор, помогая оценивать материалы, которые используются во "внуке" первого БР-5, работающего и сейчас БН-600.
На магистральной дороге натриевых быстрых реакторов у СССР и у России были и ошибки, и потери.
Первый советский реактор, БР-2, был с ртутным теплоносителем и это, как и эвтектика натрий-калий у американцев, оказалось "быстрым" тупиком.
Россия на этом пути потеряла БН-350 — от остался в независимом Казахстане, который бездарно потерял свой единственный атомный реактор, увидив свою неспособность поддерживать столь сложный агрегат в эксплуатации.
Каждая следующая ступенька на этом пути даётся России не без боя.
Строится БН-800, проектируется БН-1200.
"Натриевое шоссе" уверенно и постепенно даёт России технологии, которые являются её уникальным заделом в новом мире — в мире, в котором природный ²³⁵U будет стоить не меньше 260 долларов за килограмм, а вроде бы "бесполезный" пока ²³⁸U сотнями тысяч тонн лежит на российских обогатительных предприятиях.

Это — залог будущего благополучия России.

Но в любом начинании у русских всегда есть "резервный вариант".
Может быть, мы и не были первыми на Луне — но по результатам "лунной гонки" у России остался весь спектр ракет-носителей и двигателей к ним (хотя Н-1 и безумно жаль).
А вот США сейчас пытаются восстановить производство легендарного водородного J-2 и используют для полётов в космоc русские РД-180 и НК-33, а украинцы делают для США первые ступени ракет и системы управления к ним.
О проекте же CRBRP уже никто в США и не вспоминает: тут уж "умерла — так умерла".
Хотя это и уровень казахского, потерянного для России, реактора БН-350.

А Россия, кроме постройки "натриевого шоссе" из БН-800 и БН-1200, планирует ещё и создание реакторов на свинцовом теплоносителе (БРЕСТ) и на свинцово-висмутовой эвтектике (СВБР).
Как и совершенствует шаг за шагом технологию проверенного водо-водяного реактора ВВЭР, текущая версия которого, ВВЭР-1000 должна быть планово заменена на ВВЭР-1200, а в перспективе — и на ещё более мощную и совершенную версию ВВЭР-ТОИ.
Путь этот сложен, многотруден, но это именно путь неторопливой русской инженерной черепахи, которой лучше добиться каждый раз очередного улучшения конструкции, нежели постоянно ловить ускользающего журавля где-то в инженерно-несбыточном небе.

Ну а как летают японские, французские и американские птицы-журавли на современном этапе развития ядерной энергетики — я расскажу в следующем материале.
Вкратце же я скажу им: "удачи", "удачи" и ещё раз "удачи".
Пока это скорее страусы и птички-киви. А в перспективе — и хромые утки. Под кроватью.