Распланировать атомное будущее
ТЕХНОЛОГИИ / #9 ДЕКАБРЬ 2023
Текст: Надежда ФЕТИСОВА / Иллюстрация: Кирилл ФИЛОНОВ
Простой вопрос: «Какой должна быть атомная энергетика будущего?» — всегда вызывает в кругах атомщиков жаркие дискуссии. Однозначного ответа вы не услышите — его не существует. Но в споре, как известно, рождается истина. Весь спектр ядерных технологий обсудили на VI Международной научно-технологической конференции «Инновационные проекты и технологии ядерной энергетики», прошедшей в ноябре в Научно-исследовательском и конструкторском институте энерготехники им. Н. А. Доллежаля (АО «НИКИЭТ»).
Несколько проектных направлений Росатома можно назвать ключевыми для энергетики будущего: это новые версии ВВЭР, быстрые реакторы и термоядерный синтез. Важность этих направлений подчеркивает интерес к ним зарубежных коллег.
Научный руководитель проектного направления «Прорыв» Евгений Адамов уверен: замкнутый ядерный топливный цикл с быстрыми реакторами — "вторая нога" мировой атомной индустрии, без которой ее дальнейшее развитие невозможно. Глобальная ядерная отрасль находится на переломном моменте существования. Если на 1990‑е годы пришелся пик выработки атомной энергии — почти 18 % в общемировом энергобалансе, — то сейчас доля АЭС в мире упала почти вдвое — до 10 %. Однако без атома глобальный энергопереход, о котором сейчас так много говорят, невозможен, уверен Е. Адамов. Показателен пример Германии: в 2011 году, когда страна решила отказаться от атомной энергетики в пользу ВИЭ, киловатт-час для потребителя стоил 11 евроцентов. Власти обещали, что с переходом на ВИЭ цена снизится до 6 евроцентов. Однако в 2023 году стоимость киловатт-часа составила 30 евроцентов. «Сейчас во всем мире созрело понимание того, что „зеленая“ энергия — это атомная энергия. Ее развитие возможно только при замыкании ЯТЦ», — говорит Е. Адамов.
Быстрые технологии стремятся развивать все ведущие ядерные державы. Россия — в лидерах, но Китай дышит нам в спину. С 2010 года здесь работает быстрый натриевый реактор CEFR, строятся два демонстрационных быстрых натриевых реактора CFR‑600. О свинцовых технологиях Поднебесная тоже не забывает. Представитель Международной академии физики нейтронов (FDS) Китая Чао Лю в своем выступлении рассказал о серии реакторов CLEAR. Он напомнил: Китай стремится достичь пика выбросов к 2030 году и к 2060‑му стать углеродонейтральным. «Атомная энергетика играет в Китае очень важную роль. Наша страна поддерживает разработку передовых энергетических систем, в том числе в соответствии с планами создаются реакторы со свинцовым теплоносителем», — подчеркнул Чао Лю. FDS возглавляет работы по свинцовым реакторам. Начиналось все со сборки нулевой мощности CLEAR‑0 с теплоносителем свинец-висмут и топливом на диоксиде урана. Первый этап ее строительства завершился в 2017 году. Сейчас в разработке три проекта: CLEAR‑400, CLEAR-A и CLEAR-M.
CLEAR-M (China Lead-based mini reactor) — малый модульный реактор, он может использоваться для плавучих станций и для электроснабжения удаленных областей. Планируемая тепловая мощность — 35 МВт, электрическая — 14 МВт. Топливо — UO2, обогащенный до 18,5 %, теплоноситель — свинец.
В CLEAR‑400 также планируется использовать диоксидное топливо с обогащением до 19,75 %. Этот реактор будет помощнее: 400 МВт (т) и 150 МВт (э).
CLEAR-A (A — advanced) — концептуально новый проект: усовершенствованный подкритический свинцовый реактор с внешним источником нейтронов. В качестве подпитки к топливу планируется использовать обедненный уран и торий. Для апробации технологии будет создан аппарат мощностью 10 МВт, в случае успеха построят CLEAR-A мощностью 100 и 1000 МВт.
Для отработки ключевых компонентов, материалов и топлива была создана многофункциональная экспериментальная свинцово-висмутовая петля KYLIN-II. Продолжительность испытаний на ней составила более 40 тыс. часов.
Также действуют три испытательные установки. CLEAR-V используется для цифрового комплексного моделирования. CLEAR-S — стенд мощностью 2,5 МВт для инженерной валидации (в частности, для проведения теплогидравлических испытаний), загрузка по свинцу-висмуту — 240 тонн. На CLEAR‑0 проводятся испытания в области нейтронной физики, в частности, валидация метода нейтронного анализа и кодов. Особенность установки — она может работать как в критическом, так и в подкритическом режиме.
«Мы уверены, что реакторы со свинцовым теплоносителем будут играть важную роль в энергетике будущего», — заключил Чао Лю.
Генеральный конструктор «Прорыва» Вадим Лемехов рассказал о статусе работ по проекту БРЕСТ-ОД‑300. Он напомнил о пяти уровнях глубокоэшелонированной защиты инновационного свинцового реактора: от надежной упаковки топливной таблетки до герметичного ограждения реакторной установки (в будущем появится возможность снизить требования к герметичному ограждению благодаря свойствам теплоносителя, топлива, конструкторским решениям). Среди ключевых результатов НИОКР 2022−2023 годов В. Лемехов выделил три. Во-первых, работы по СНУП-топливу: определение максимальной среднерадиальной энтальпии, подтверждение запаса до максимального проектного предела твэлов при реактивностных авариях, а также испытания по падению полномасштабной ТВС — вся кассета сохраняет герметичность. Во-вторых, успешно прошли испытания вибрационной модели парогенератора. В-третьих, в конце прошлого года в Северске заработал стенд для испытаний опытного образца главного циркуляционного насосного агрегата (ГЦНА). «Думаю, что на данный момент это самый масштабный испытательный стенд со свинцовым теплоносителем в мире», — заключил В. Лемехов.
Семейство легководных
Если быстрые реакторы с тяжелым теплоносителем — это светлое будущее атомной энергетики, то прекрасное сегодня — это легководные реакторы. Эта технология еще не достигла своих пределов и имеет большие перспективы, уверен советник генерального директора Росатома Владимир Асмолов. Он напомнил, что всего было создано 96 легководных реакторов российского дизайна, сейчас в мире работает около 70 таких реакторов.
«ВВЭР- наш основной экспортный продукт среди энергетических реакторов, и повышение эффективности ВВЭР — главная задача», — подчеркнул В. Асмолов.
Он рассказал, что концерн «Росэнергоатом» и поддерживающие организации реализуют программу повышения уровня производства электроэнергии на действующих блоках с ВВЭР, рассчитанную до 2028 года. Основные направления: повышение эффективности техобслуживания и ремонта; оптимизация ремонтных циклов; модернизация с целью повышения мощности энергоблоков; снижение потерь в теплообменном оборудовании энергоблоков; модернизация турбогенераторов. Предполагаемый эффект от реализации программы — дополнительные 1000 МВт выработки российских АЭС.
В. Асмолов напомнил: в соответствии с принятой стратегией развития отрасли легководные реакторы в XXI веке должны стать частью двухкомпонентной атомной энергетики с замкнутым ядерным топливным циклом. Для достижения этой цели развитие технологий быстрых (РБН) и тепловых реакторов должно идти параллельно увязке топливных балансов ВВЭР и РБН. Новые реакторы обоих типов постепенно заместят действующие энергоблоки. «АЭС с реакторами ВВЭР в двухкомпонентной ядерной энергетике до 2100 года обеспечат использование регенерированного урана от переработки ОЯТ реакторов на тепловых нейтронах, устойчивость генерации, снижение потребления урана и эксплуатационных РАО (ВВЭР-С), а также переход к сверхкритическим параметрам (ВВЭР-СКД)», — подчеркнул В. Асмолов. По его мнению, развитие технологии ВВЭР будет хеджировать возможные отставания темпов и/или масштаба ввода блоков с быстрыми реакторами. Ближайшая перспектива — совершенствование проекта ВВЭР-ТОИ: повышение безопасности, увеличение КПД и маневренности, снижение капитальных и эксплуатационных затрат, сокращение сроков сооружения таких блоков. При этом В. Асмолов считает, что в проект были заложены «излишне консервативные решения», от которых нужно отказываться: это, в частности, возможность автономной (без участия оператора) работы блока при полном обесточивании станции и двухстороннем гильотинном разрыве ГЦТ. Такой усовершенствованный блок с ВВЭР будет построен на Смоленской АЭС‑2 ориентировочно к 2033 году.
Следующий этап развития легководной ветви — ВВЭР-С (со спектральным регулированием). Сейчас в проработке два проекта: средней (ВВЭР-С-СМ) и большой (ВВЭР-С-БМ) мощности. В основе первого — корпус реактора ВВЭР‑1000 и технические решения проекта ВВЭР‑600. Два блока с реакторами ВВЭР-С‑600 планируется построить на площадке Кольской АЭС, ввод первого блока в эксплуатацию намечен на 2034 год. Для проекта ВВЭР-С-БМ планируется использовать корпус реактора ВВЭР‑1500 и технические решения проекта ВВЭР-ТОИ.
Основные отличия спектральных ВВЭР от их собратьев: отказ от циркониевых сплавов в активной зоне, снижение запаса реактивности за счет уменьшения начальной загрузки уранового топлива и отказ от борного регулирования. Последняя задача, по словам В. Асмолова, уже частично решена.
А в конце 2040‑х в строй войдут реакторы ВВЭР-СКД (со сверхкритическим давлением). Они будут характеризоваться эффективным использованием делящихся материалов (значение КВ близкое к единице) и повышением термодинамической эффективности (КПД около 40−45 %). «С огромным энтузиазмом жду сверхкритики, но, боюсь, не доживу», — заключил В. Асмолов.
Без термояда никуда
Слова «термоядерный синтез» и «будущее» в среде атомщиков — почти синонимы. Новости по проекту ИТЭР представил глава Учреждения госкорпорации «Росатом» «ИТЭР-Центр» (Российское агентство ИТЭР) Анатолий Красильников. Главной темой дискуссий стал отказ от бериллия в качестве материала для первой стенки по требованию французского регулятора (бериллий — очень токсичный материал). Руководство ИТЭР предлагает заменить бериллий вольфрамом (из него изготавливается дивертор), но у российских термоядерщиков есть возражения. Если стенка будет вольфрамовой, примеси вольфрама попадут в плазму, и придется тратить гораздо больше энергии на ее нагрев. Россия предлагает компромисс: покрыть вольфрамовые элементы карбидом бора (В4С). Вольфрам имеет большой заряд — Z=74, у бора — всего 5, у углерода — 6. Поэтому и зарядности примесей плазмы при покрытии карбидом бора будут существенно ниже, а значит, снизятся потери энергии за счет излучения примесей. «И в этом, и в следующем году будут проводиться НИОКР по этой теме», — подчеркнул А. Красильников.
Вклад российской стороны в проект ИТЭР будет даже бо́льшим, чем планировалось изначально. «Нам было поручено изготовить семь диагностических систем, по факту мы делаем 13. Это важно: чем больше партнер поставляет диагностик, тем активнее он сможет участвовать в научно-экспериментальной программе ИТЭР. Кроме того, Международный совет ИТЭР решил поднять мощность электронного циклотронного нагрева с 25 МВт до 70 МВт. Коллеги надеются, что львиную часть работ по изготовлению гиротронов также возьмет на себя Россия. Сейчас по этому вопросу идут консультации», — рассказал А. Красильников.
При этом Россия в участвует далеко не во всех направлениях проекта ИТЭР, где она имеет нужные компетенции. «В проект ИТЭР включены не все требуемые реактору термоядерные технологии; не включены, например, первая стенка из лития, генерация стационарного тока, гибридный бланкет, катушки из высокотемпературных сверхпроводников. Все эти решения нужно воплотить в российском проекте ТРТ (токамака с реакторными технологиями)», — считает А. Красильников. ТРТ станет плазменным прототипом чистого термоядерного реактора и одновременно — термоядерным источником нейтронов для гибридного реактора.
А. Красильников напомнил, что в 2021—2022 годах «ИТЭР-Центр» совместно с АО НИИЭФА и НИЦ «Курчатовский институт» разработали концептуальный проект ТРТ. По предварительным оценкам, создание такого реактора обойдется примерно в € 1,5 млрд, сроки строительства — около восьми лет (до завершения монтажа). «Создание и экспериментальная эксплуатация технологических платформ ИТЭР и ТРТ, с учетом опыта реализации других крупных термоядерных экспериментов партнером по ИТЭР, позволят на следующем этапе осуществить сооружение как чистого термоядерного, так и гибридного (синтез-деление) реактора», — резюмировал А. Красильников.
Национальный термоядерный проект развивает не только Россия. Своим опытом на этом направлении поделились представители Казахстана. Здесь с 2017 года работает КТМ (Казахстанский токамак материаловедческий) — в первом и втором этапах физпуска (2017 и 2019 года соответственно) участвовали специалисты АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ», АО НИЭФА, Курчатовского института. КТМ предназначен для исследований материалов дивертора при больших тепловых нагрузках, а также для испытания отдельных узлов и элементов будущих термоядерных реакторов. «Особенности нашего токамака — ИТЭР-подобная плазма, мощности потоков такие же, как планируются на ИТЭР. Наличие диверторного устройства из 24 сменных сегментов позволяет исследовать различные материалы, так как эти сегменты можно заменять без разгерметизации вакуумной камеры», — объяснила главный научный сотрудник филиала «Институт атомной энергии» РГП НЯЦ Казахстана Ирина Тажибаева. Еще одна особенность КТМ — вытянутое сечение плазмы и аспектное соотношение, равное 2 — это пограничная область между сферическими и классическими токамаками. Это единственная в мире подобная установка мегаамперного диапазона.
В 2017 году было подписано межправсоглашение о совместном использовании КТМ странами СНГ, с тех пор тут ведут исследования ученые Казахстана, Белоруссии и России. В следующем году на токамаке запланированы оптимизация сценария плазменного разряда, ввод оставшихся контуров управления плотностью и формой плазмы. В результате будет получена плазма с током 750 кА и длительностью разряда около 1 секунды. В 2026—2027 годах длительность разрядов должна достигнуть 5 секунд. На 2028 год запланированы полномасштабные эксперименты по исследованию материалов первой стенки и дивертора. «Одни из первых образцов материалов, планируемых к тестированию на КТМ, — вольфрам и макет литиевого дивертора», — пояснила И. Тажибаева.
Пара слов о малых
О развитии технологий малых реакторов в мире рассказал представитель Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) Владимир Артисюк. Всплеск интереса к ММР очевиден: в 2012 году в ежегодном обзоре МАГАТЭ рассматривались 32 варианта дизайна таких реакторов, в последнем, от 2023 года, — уже 83 варианта.
Агентство прогнозирует, что спрос на малую мощность будет расти и дальше. «Потребление электроэнергии в ближайшие годы будет быстрее всего расти в Африке, Юго-Восточной Азии и Латинской Америке. С учетом требования декарбонизации, а также того, что энергия нужна странам с неразвитой сетевой ядерной инфраструктурой, атомные станции малой мощности могут стать для них лучшим решением», — отметил В. Артисюк.
Он напомнил, что в прошлом году МАГАТЭ создало базу данных по малым модульным реакторам (ARIS SMR Booklet 2022). Сейчас, по данным агентства, в 18 странах мира разрабатываются 83 проекта ММР разной степени готовности. Больше всего таких проектов у США (20), России (17) и Китая (10). МАГАТЭ делит проекты малых реакторов на две группы: водоохлаждаемые (таких проектов в мире 38) и инновационные (advanced, таких проектов в мире 45). К последним агентство относит все остальные известные технологии: высокотемпературные газоохлаждаемые (самые популярные из инновационных — 21 проект), жидкосолевые (13 проектов), свинцовые (8 проектов) и натриевые (3 проекта). Однако строятся всего три установки: CAREM‑25 в Аргентине, ACP‑100 в Китае и БРЕСТ-ОД‑300 в России. Более 55 % малых реакторов, по данным МАГАТЭ, связаны с HALEU топливом.
МАГАТЭ поддерживает развитие малых реакторов: на базе агентства работает платформа smr.iaea.org. Каждая страна может обратиться туда за помощью в оценке своих проектов ММР. Как рассказал В. Артисюк, такие запросы уже поступали от Иордании, Боливии, Бразилии, Кот д’Ивуара.
В агентстве действует рабочая группа по ММР, в составе которой есть и российские атомщики. Она разделена на три подгруппы: обновление дорожной карты развития малых технологий; разработка кодов, проведение НИОКР, адаптация стандартов; совершенствование микрореакторов.
«В последних публикациях МАГАТЭ малые модульные реакторы называют новой парадигмой ядерной энергетики. Должен отметить нестыковку с нашей национальной стратегией: нужно, чтобы тема замыкания ЯТЦ так же громко звучала на мировой арене», — заключил В. Артисюк.
Научный руководитель проектного направления «Прорыв» Евгений Адамов уверен: замкнутый ядерный топливный цикл с быстрыми реакторами — "вторая нога" мировой атомной индустрии, без которой ее дальнейшее развитие невозможно. Глобальная ядерная отрасль находится на переломном моменте существования. Если на 1990‑е годы пришелся пик выработки атомной энергии — почти 18 % в общемировом энергобалансе, — то сейчас доля АЭС в мире упала почти вдвое — до 10 %. Однако без атома глобальный энергопереход, о котором сейчас так много говорят, невозможен, уверен Е. Адамов. Показателен пример Германии: в 2011 году, когда страна решила отказаться от атомной энергетики в пользу ВИЭ, киловатт-час для потребителя стоил 11 евроцентов. Власти обещали, что с переходом на ВИЭ цена снизится до 6 евроцентов. Однако в 2023 году стоимость киловатт-часа составила 30 евроцентов. «Сейчас во всем мире созрело понимание того, что „зеленая“ энергия — это атомная энергия. Ее развитие возможно только при замыкании ЯТЦ», — говорит Е. Адамов.
Быстрые технологии стремятся развивать все ведущие ядерные державы. Россия — в лидерах, но Китай дышит нам в спину. С 2010 года здесь работает быстрый натриевый реактор CEFR, строятся два демонстрационных быстрых натриевых реактора CFR‑600. О свинцовых технологиях Поднебесная тоже не забывает. Представитель Международной академии физики нейтронов (FDS) Китая Чао Лю в своем выступлении рассказал о серии реакторов CLEAR. Он напомнил: Китай стремится достичь пика выбросов к 2030 году и к 2060‑му стать углеродонейтральным. «Атомная энергетика играет в Китае очень важную роль. Наша страна поддерживает разработку передовых энергетических систем, в том числе в соответствии с планами создаются реакторы со свинцовым теплоносителем», — подчеркнул Чао Лю. FDS возглавляет работы по свинцовым реакторам. Начиналось все со сборки нулевой мощности CLEAR‑0 с теплоносителем свинец-висмут и топливом на диоксиде урана. Первый этап ее строительства завершился в 2017 году. Сейчас в разработке три проекта: CLEAR‑400, CLEAR-A и CLEAR-M.
CLEAR-M (China Lead-based mini reactor) — малый модульный реактор, он может использоваться для плавучих станций и для электроснабжения удаленных областей. Планируемая тепловая мощность — 35 МВт, электрическая — 14 МВт. Топливо — UO2, обогащенный до 18,5 %, теплоноситель — свинец.
В CLEAR‑400 также планируется использовать диоксидное топливо с обогащением до 19,75 %. Этот реактор будет помощнее: 400 МВт (т) и 150 МВт (э).
CLEAR-A (A — advanced) — концептуально новый проект: усовершенствованный подкритический свинцовый реактор с внешним источником нейтронов. В качестве подпитки к топливу планируется использовать обедненный уран и торий. Для апробации технологии будет создан аппарат мощностью 10 МВт, в случае успеха построят CLEAR-A мощностью 100 и 1000 МВт.
Для отработки ключевых компонентов, материалов и топлива была создана многофункциональная экспериментальная свинцово-висмутовая петля KYLIN-II. Продолжительность испытаний на ней составила более 40 тыс. часов.
Также действуют три испытательные установки. CLEAR-V используется для цифрового комплексного моделирования. CLEAR-S — стенд мощностью 2,5 МВт для инженерной валидации (в частности, для проведения теплогидравлических испытаний), загрузка по свинцу-висмуту — 240 тонн. На CLEAR‑0 проводятся испытания в области нейтронной физики, в частности, валидация метода нейтронного анализа и кодов. Особенность установки — она может работать как в критическом, так и в подкритическом режиме.
«Мы уверены, что реакторы со свинцовым теплоносителем будут играть важную роль в энергетике будущего», — заключил Чао Лю.
Генеральный конструктор «Прорыва» Вадим Лемехов рассказал о статусе работ по проекту БРЕСТ-ОД‑300. Он напомнил о пяти уровнях глубокоэшелонированной защиты инновационного свинцового реактора: от надежной упаковки топливной таблетки до герметичного ограждения реакторной установки (в будущем появится возможность снизить требования к герметичному ограждению благодаря свойствам теплоносителя, топлива, конструкторским решениям). Среди ключевых результатов НИОКР 2022−2023 годов В. Лемехов выделил три. Во-первых, работы по СНУП-топливу: определение максимальной среднерадиальной энтальпии, подтверждение запаса до максимального проектного предела твэлов при реактивностных авариях, а также испытания по падению полномасштабной ТВС — вся кассета сохраняет герметичность. Во-вторых, успешно прошли испытания вибрационной модели парогенератора. В-третьих, в конце прошлого года в Северске заработал стенд для испытаний опытного образца главного циркуляционного насосного агрегата (ГЦНА). «Думаю, что на данный момент это самый масштабный испытательный стенд со свинцовым теплоносителем в мире», — заключил В. Лемехов.
Семейство легководных
Если быстрые реакторы с тяжелым теплоносителем — это светлое будущее атомной энергетики, то прекрасное сегодня — это легководные реакторы. Эта технология еще не достигла своих пределов и имеет большие перспективы, уверен советник генерального директора Росатома Владимир Асмолов. Он напомнил, что всего было создано 96 легководных реакторов российского дизайна, сейчас в мире работает около 70 таких реакторов.
«ВВЭР- наш основной экспортный продукт среди энергетических реакторов, и повышение эффективности ВВЭР — главная задача», — подчеркнул В. Асмолов.
Он рассказал, что концерн «Росэнергоатом» и поддерживающие организации реализуют программу повышения уровня производства электроэнергии на действующих блоках с ВВЭР, рассчитанную до 2028 года. Основные направления: повышение эффективности техобслуживания и ремонта; оптимизация ремонтных циклов; модернизация с целью повышения мощности энергоблоков; снижение потерь в теплообменном оборудовании энергоблоков; модернизация турбогенераторов. Предполагаемый эффект от реализации программы — дополнительные 1000 МВт выработки российских АЭС.
В. Асмолов напомнил: в соответствии с принятой стратегией развития отрасли легководные реакторы в XXI веке должны стать частью двухкомпонентной атомной энергетики с замкнутым ядерным топливным циклом. Для достижения этой цели развитие технологий быстрых (РБН) и тепловых реакторов должно идти параллельно увязке топливных балансов ВВЭР и РБН. Новые реакторы обоих типов постепенно заместят действующие энергоблоки. «АЭС с реакторами ВВЭР в двухкомпонентной ядерной энергетике до 2100 года обеспечат использование регенерированного урана от переработки ОЯТ реакторов на тепловых нейтронах, устойчивость генерации, снижение потребления урана и эксплуатационных РАО (ВВЭР-С), а также переход к сверхкритическим параметрам (ВВЭР-СКД)», — подчеркнул В. Асмолов. По его мнению, развитие технологии ВВЭР будет хеджировать возможные отставания темпов и/или масштаба ввода блоков с быстрыми реакторами. Ближайшая перспектива — совершенствование проекта ВВЭР-ТОИ: повышение безопасности, увеличение КПД и маневренности, снижение капитальных и эксплуатационных затрат, сокращение сроков сооружения таких блоков. При этом В. Асмолов считает, что в проект были заложены «излишне консервативные решения», от которых нужно отказываться: это, в частности, возможность автономной (без участия оператора) работы блока при полном обесточивании станции и двухстороннем гильотинном разрыве ГЦТ. Такой усовершенствованный блок с ВВЭР будет построен на Смоленской АЭС‑2 ориентировочно к 2033 году.
Следующий этап развития легководной ветви — ВВЭР-С (со спектральным регулированием). Сейчас в проработке два проекта: средней (ВВЭР-С-СМ) и большой (ВВЭР-С-БМ) мощности. В основе первого — корпус реактора ВВЭР‑1000 и технические решения проекта ВВЭР‑600. Два блока с реакторами ВВЭР-С‑600 планируется построить на площадке Кольской АЭС, ввод первого блока в эксплуатацию намечен на 2034 год. Для проекта ВВЭР-С-БМ планируется использовать корпус реактора ВВЭР‑1500 и технические решения проекта ВВЭР-ТОИ.
Основные отличия спектральных ВВЭР от их собратьев: отказ от циркониевых сплавов в активной зоне, снижение запаса реактивности за счет уменьшения начальной загрузки уранового топлива и отказ от борного регулирования. Последняя задача, по словам В. Асмолова, уже частично решена.
А в конце 2040‑х в строй войдут реакторы ВВЭР-СКД (со сверхкритическим давлением). Они будут характеризоваться эффективным использованием делящихся материалов (значение КВ близкое к единице) и повышением термодинамической эффективности (КПД около 40−45 %). «С огромным энтузиазмом жду сверхкритики, но, боюсь, не доживу», — заключил В. Асмолов.
Без термояда никуда
Слова «термоядерный синтез» и «будущее» в среде атомщиков — почти синонимы. Новости по проекту ИТЭР представил глава Учреждения госкорпорации «Росатом» «ИТЭР-Центр» (Российское агентство ИТЭР) Анатолий Красильников. Главной темой дискуссий стал отказ от бериллия в качестве материала для первой стенки по требованию французского регулятора (бериллий — очень токсичный материал). Руководство ИТЭР предлагает заменить бериллий вольфрамом (из него изготавливается дивертор), но у российских термоядерщиков есть возражения. Если стенка будет вольфрамовой, примеси вольфрама попадут в плазму, и придется тратить гораздо больше энергии на ее нагрев. Россия предлагает компромисс: покрыть вольфрамовые элементы карбидом бора (В4С). Вольфрам имеет большой заряд — Z=74, у бора — всего 5, у углерода — 6. Поэтому и зарядности примесей плазмы при покрытии карбидом бора будут существенно ниже, а значит, снизятся потери энергии за счет излучения примесей. «И в этом, и в следующем году будут проводиться НИОКР по этой теме», — подчеркнул А. Красильников.
Вклад российской стороны в проект ИТЭР будет даже бо́льшим, чем планировалось изначально. «Нам было поручено изготовить семь диагностических систем, по факту мы делаем 13. Это важно: чем больше партнер поставляет диагностик, тем активнее он сможет участвовать в научно-экспериментальной программе ИТЭР. Кроме того, Международный совет ИТЭР решил поднять мощность электронного циклотронного нагрева с 25 МВт до 70 МВт. Коллеги надеются, что львиную часть работ по изготовлению гиротронов также возьмет на себя Россия. Сейчас по этому вопросу идут консультации», — рассказал А. Красильников.
При этом Россия в участвует далеко не во всех направлениях проекта ИТЭР, где она имеет нужные компетенции. «В проект ИТЭР включены не все требуемые реактору термоядерные технологии; не включены, например, первая стенка из лития, генерация стационарного тока, гибридный бланкет, катушки из высокотемпературных сверхпроводников. Все эти решения нужно воплотить в российском проекте ТРТ (токамака с реакторными технологиями)», — считает А. Красильников. ТРТ станет плазменным прототипом чистого термоядерного реактора и одновременно — термоядерным источником нейтронов для гибридного реактора.
А. Красильников напомнил, что в 2021—2022 годах «ИТЭР-Центр» совместно с АО НИИЭФА и НИЦ «Курчатовский институт» разработали концептуальный проект ТРТ. По предварительным оценкам, создание такого реактора обойдется примерно в € 1,5 млрд, сроки строительства — около восьми лет (до завершения монтажа). «Создание и экспериментальная эксплуатация технологических платформ ИТЭР и ТРТ, с учетом опыта реализации других крупных термоядерных экспериментов партнером по ИТЭР, позволят на следующем этапе осуществить сооружение как чистого термоядерного, так и гибридного (синтез-деление) реактора», — резюмировал А. Красильников.
Национальный термоядерный проект развивает не только Россия. Своим опытом на этом направлении поделились представители Казахстана. Здесь с 2017 года работает КТМ (Казахстанский токамак материаловедческий) — в первом и втором этапах физпуска (2017 и 2019 года соответственно) участвовали специалисты АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ», АО НИЭФА, Курчатовского института. КТМ предназначен для исследований материалов дивертора при больших тепловых нагрузках, а также для испытания отдельных узлов и элементов будущих термоядерных реакторов. «Особенности нашего токамака — ИТЭР-подобная плазма, мощности потоков такие же, как планируются на ИТЭР. Наличие диверторного устройства из 24 сменных сегментов позволяет исследовать различные материалы, так как эти сегменты можно заменять без разгерметизации вакуумной камеры», — объяснила главный научный сотрудник филиала «Институт атомной энергии» РГП НЯЦ Казахстана Ирина Тажибаева. Еще одна особенность КТМ — вытянутое сечение плазмы и аспектное соотношение, равное 2 — это пограничная область между сферическими и классическими токамаками. Это единственная в мире подобная установка мегаамперного диапазона.
В 2017 году было подписано межправсоглашение о совместном использовании КТМ странами СНГ, с тех пор тут ведут исследования ученые Казахстана, Белоруссии и России. В следующем году на токамаке запланированы оптимизация сценария плазменного разряда, ввод оставшихся контуров управления плотностью и формой плазмы. В результате будет получена плазма с током 750 кА и длительностью разряда около 1 секунды. В 2026—2027 годах длительность разрядов должна достигнуть 5 секунд. На 2028 год запланированы полномасштабные эксперименты по исследованию материалов первой стенки и дивертора. «Одни из первых образцов материалов, планируемых к тестированию на КТМ, — вольфрам и макет литиевого дивертора», — пояснила И. Тажибаева.
Пара слов о малых
О развитии технологий малых реакторов в мире рассказал представитель Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) Владимир Артисюк. Всплеск интереса к ММР очевиден: в 2012 году в ежегодном обзоре МАГАТЭ рассматривались 32 варианта дизайна таких реакторов, в последнем, от 2023 года, — уже 83 варианта.
Агентство прогнозирует, что спрос на малую мощность будет расти и дальше. «Потребление электроэнергии в ближайшие годы будет быстрее всего расти в Африке, Юго-Восточной Азии и Латинской Америке. С учетом требования декарбонизации, а также того, что энергия нужна странам с неразвитой сетевой ядерной инфраструктурой, атомные станции малой мощности могут стать для них лучшим решением», — отметил В. Артисюк.
Он напомнил, что в прошлом году МАГАТЭ создало базу данных по малым модульным реакторам (ARIS SMR Booklet 2022). Сейчас, по данным агентства, в 18 странах мира разрабатываются 83 проекта ММР разной степени готовности. Больше всего таких проектов у США (20), России (17) и Китая (10). МАГАТЭ делит проекты малых реакторов на две группы: водоохлаждаемые (таких проектов в мире 38) и инновационные (advanced, таких проектов в мире 45). К последним агентство относит все остальные известные технологии: высокотемпературные газоохлаждаемые (самые популярные из инновационных — 21 проект), жидкосолевые (13 проектов), свинцовые (8 проектов) и натриевые (3 проекта). Однако строятся всего три установки: CAREM‑25 в Аргентине, ACP‑100 в Китае и БРЕСТ-ОД‑300 в России. Более 55 % малых реакторов, по данным МАГАТЭ, связаны с HALEU топливом.
МАГАТЭ поддерживает развитие малых реакторов: на базе агентства работает платформа smr.iaea.org. Каждая страна может обратиться туда за помощью в оценке своих проектов ММР. Как рассказал В. Артисюк, такие запросы уже поступали от Иордании, Боливии, Бразилии, Кот д’Ивуара.
В агентстве действует рабочая группа по ММР, в составе которой есть и российские атомщики. Она разделена на три подгруппы: обновление дорожной карты развития малых технологий; разработка кодов, проведение НИОКР, адаптация стандартов; совершенствование микрореакторов.
«В последних публикациях МАГАТЭ малые модульные реакторы называют новой парадигмой ядерной энергетики. Должен отметить нестыковку с нашей национальной стратегией: нужно, чтобы тема замыкания ЯТЦ так же громко звучала на мировой арене», — заключил В. Артисюк.
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ