Реакция безопасности

РЕАКЦИЯ БЕЗОПАСНОСТИ

26 июня 1954 г. в нашей стране произошло без всякого преувеличения историческое событие. В 100 км от Москвы на территории сверхсекретной лаборатории «В» состоялся энергетический пуск первой в мире промышленной атомной электростанции. В 17:45, согласно записи в оперативном журнале, на турбину электрогенератора был подан пар, разогретый энергией, высвободившейся в результате деления атомных ядер. Впервые в истории человечества свет и тепло в дома принесла не аккумулированная энергия Солнца — будь то нефть, газ, уголь, энергия воды или ветра, — а укрощенная человеком энергия атомного ядра.

О первых шагах мирного атома в СССР, о нынешнем дне и о перспективах российской ядерной энергетики рассказывает советник генерального директора госкорпорации «Росатом» доктор технических наук, профессор Владимир Григорьевич Асмолов, занимавший с 2003 по 2004 г. пост заместителя министра РФ по атомной энергии, а затем около десяти лет — пост первого заместителя генерального директора концерна «Росэнергоатом».

Начать, пожалуй, надо не с 1950-х гг., а немного раньше. Полыхает Вторая мировая война. Обеспокоенные перспективой создания немцами ядерного оружия, Соединенные Штаты совместно с Великобританией и Канадой начинают активную разработку атомной бомбы в рамках Манхэттенского проекта, кульминацией которого стала ядерная бомбардировка японских городов Хиросимы и Нагасаки. Руководство Советского Союза понимало, что для выживания страны необходимо в кратчайшие сроки овладеть энергией деления атомного ядра. Советский атомный проект стартовал в 1943 г. и, несмотря на послевоенную разруху и необходимость восстанавливать обескровленное войной народное хозяйство, на это были брошены все имеющиеся в распоряжении ресурсы. Решалась важнейшая первоочередная задача обеспечения безопасности страны, и в 1949 г. она была успешно выполнена: испытав в казахстанских степях первую плутониевую бомбу, СССР быстро ликвидировал атомную монополию США.

Занимаясь разработкой и совершенствованием ядерного оружия, Игорь Васильевич Курчатов и другие физики хорошо понимали, что ядерная энергия может стать не только разрушительным оружием невиданной силы, но и практически неисчерпаемым источником энергии, способным решить проблему обеспечения энергетической безопасности страны. Здесь уместно вспомнить письмо Петра Леонидовича Капицы Молотову, датированное еще 1945 г., в котором он, отмечает: «Необходимо использовать энергию деления ядер в мирных, культурных целях».

По самым оптимистическим прогнозам, при нынешних темпах роста энергопотребления в мире ископаемые источники энергии на Земле истощатся уже через 100 лет. Поэтому альтернативы ядерной энергетике просто не существует. Несмотря на все протесты «зеленых» и прочих радикалов, атомные электростанции продолжают строить во многих странах, и во все больших масштабах.

С ростом числа атомных электростанций все острее встает проблема обеспечения безопасности ядерной технологии, т.е. проблема обеспечения безопасности и надежности их работы и проблема обращения с радиоактивными отходами. Авария на американской АЭС «Три-Майл-Айленд», а затем чернобыльская катастрофа заставили мировое ядерное сообщество уделить проблеме безопасности самое пристальное внимание.

Творцы советского атомного проекта никогда не сомневались в том, что из военного он перерастет в мирный. Сегодняшняя атомная энергетика унаследовала от советского атомного проекта практически все: уникальных специалистов, технологии, производство, знания.

Уже в конце 1940-х гг. были предложены первые варианты использования атомной энергии в самых разных областях. Впоследствии разрабатывались уникальные проекты атомных авиационных и ракетных двигателей, атомного локомотива и даже атомного танка. Из атомного проекта выплыли корабли-ледоколы, атомные подводные лодки, родились энергоустановки для космических аппаратов, гражданская ядерная энергетика. Конечно же, серьезного экономического обоснования объектов ядерной энергетики тогда не требовалось. Атомные станции были дороже обычных, мощности их были невелики. Безопасность, безусловно, была одним из приоритетов, но, пожалуй, не главным. А безопасность — это прежде всего база знаний. Чем больше ты знаешь о системе, тем легче спрогнозировать ее состояние в любой момент работы. Если чего-то не знаешь, необходимо инициировать исследования, иногда очень сложные и дорогие, чтобы это незнание восполнить.

^{27 июня 1954 г. в подмосковном Обнинске дала ток первая в мире АЭС}

Каждый рубеж — главный

Авария на Три-Майл-Айленде стала первым звонком. Выброшенной наружу в результате потери теплоносителя и плавления активной зоны радиоактивности, было относительно немного — всего 15 кюри. Гром прогремел семь лет спустя в Чернобыле. В результате аварии с резким ростом реактивности было выброшено в окружающую среду более 50 млн кюри радиоактивных материалов.

После нее пришло четкое осознание, что нужно не просто знать, как работает реактор, но иметь средства, позволяющие уверенно его контролировать в любом состоянии. Авариями с ростом реактивности управлять невозможно. Активная фаза аварии на Чернобыльской АЭС длилась всего четыре секунды. Такого типа аварии должны быть исключены физическими свойствами самого реактора. А вот протяженными во времени авариями с нарушением теплоотвода, такими как на Три-Майл-Айленде или в Фукусиме, управлять можно и необходимо. Для этого нужно неукоснительно соблюдать общие правила и регламенты, понимать принципы обеспечения безопасности и вообще досконально знать, что происходит в той или иной ситуации. А для этого, в свою очередь, необходимо иметь представление о том, как поведет себя реактор в экстремальных ситуациях и в аварийном состоянии. После аварий на Три-Майл-Айленде и в Чернобыле были проведены серьезнейшие эксперименты, направленные на понимание процессов, которые сопровождают аварии. В СССР одним из главных специалистов в этой области был мой учитель Виктор Алексеевич Сидоренко, ныне — член-корреспондент академии наук. Мы с ним разработали и возглавили программу исследований тяжелых аварий, изучали процессы перехода горения в детонацию, взрыв водорода, проблему удержания расплава в корпусе реактора и т.д.. В1987 г. в Семипалатинске на импульсном реакторе ИГР мы даже промоделировали маленький управляемый «Чернобыль»: взяли твэл из канального реактора большой мощности (РБМК) и посмотрели, как он разрушается. Теперь мы все досконально знаем о таких авариях и можем дать надежную гарантию того, что они никогда не повторятся.

^{Купол энергоблока строящейся Нововоронежской АЭС-2}

Задача на перспективу

Пока еще не ясно, насколько дорог будет уран в ближайшее время и сколько мы его найдем. На сегодня уже можно объективно утверждать, что энергетика, базирующаяся на реакции деления ядер тяжелых элементов, может обеспечить потребности человечества в любом обозримом будущем. Дорога, по которой мы идем, и все наши усилия направлены именно на это.

В будущем при замыкании ядерного топливного цикла по урану и плутонию мы придем к тому, что вопрос обеспечения ядерным топливом будет снят. Для того чтобы обеспечить это будущее, надо думать и работать уже сейчас.

На сегодня доля атомной энергетики в суммарном производстве электроэнергии в мире составляет около 17%, что явно не соответствует ее возможностям. Проблема обращения с отходами и отработанным ядерным топливом пока лишь усугубляется, потому что сейчас мы их только накапливаем. С переходом на замкнутый топливный цикл мы сможем решить эту проблему, сжигая в реакторах на быстрых нейтронах всякую дрянь, которую нарабатывают атомные реакторы. Фактически сегодня мы конструируем день завтрашний, когда ядерное топливо можно будет назвать безотходным возобновляемым источником энергии.

Безусловно, есть и другие возобновляемые источники энергии — ветер, солнце, приливы, биоэнергия. Но они привязаны к местности, дороги и в целом не способны покрыть глобальные потребности человечества. Я ни в коем случае не против солнечной или ветровой энергетики, но и тут надо научиться оценивать все плюсы и минусы. И тогда мы, может быть, поймем, что низкочастотный шум от ветряков — не есть хорошо; что, «замостив» пустыню Сахару солнечными батареями, мы спровоцируем климатическую катастрофу; что просто так забрать с какой-то территории огромное количество энергии солнца без последствий для окружающей среды не получится.

Если говорить об угле и газе, то и они по мере исчерпания станут слишком дороги. Хотя атомная энергия тоже не дешева, но собственно топливная составляющая в цене атомного киловатта невелика — всего 17–20% от себестоимости. Остальное — инвестиционная, капитальная составляющая. Она так велика потому, что сегодня мы очень серьезно заботимся о безопасности. Это обременение высококонцентрированного источника энергии, которое требует затрат. Любой новый реакторный блок, любая новейшая ядерная технология должны быть пропущены через фильеру знаний, доказывающую их безопасность. И безопасность эта должна строиться на принципе глубокоэшелонированной защиты. В первую очередь надо создать надежный щит от нарабатываемой в ходе ядерных реакций радиоактивности. Здесь предусмотрено сразу несколько барьеров, удерживающих опасность внутри: сама топливная матрица, оболочка твэла, первый контур, корпус реактора и, наконец, надежная защитная оболочка.

Кроме самих барьеров предусмотрены меры по обеспечению их целостности. Образно говоря, каждый барьер безопасности защищает группа солдат, которая ежесекундно готова к действиям. Главный принцип такой защиты: каждый барьер рассматривается как последний рубеж. Накопленная за десятилетия база знаний о работе реакторов — фундаментальная основа жизнедеятельности всей атомной отрасли России. А у нее есть надстройка — культура безопасности, и главный ее принцип — приоритет безопасности при всех обстоятельствах.

Как сделать работу реактора максимально безопасной, не поднимая его стоимость до небес? Часто говорят, что необходимо строить «реакторы с естественной безопасностью», в которых критические ситуации просто невозможны уже в силу их конструкции. Я этого не понимаю. Для меня безопасность реактора и его отдельных частей оценивается возможностью контролировать работу реактора и управлять ею в любой ситуации. Необходимо протащить новую разработку через фильеру глубокоэшелонированной защиты. Постулируй аварию, какой бы она маловероятной ни была, и исследуй пути ее развития. На каждом этапе докажи, что ситуация поддается контролю, что ты можешь остановить выброс радиоактивности на одном из барьеров безопасности.

Если корпус реактора в случае плавления активной зоны удерживает расплав внутри барьера, ловушку активной зоны можно убрать. Но сначала докажи, что удержит. Вот, с моей точки зрения, абсолютно безукориз

Мало построить атомную станцию, надо обеспечить ее непрерывную безаварийную работу в течение всего жизненного цикла. Проследим всю его цепочку. Для атомной станции нужно топливо. Нужны надежные топливные элементы определенного вида. Значит, нужна добыча, нужно обогащение, нужно производство твэлов, нужны конструкционные материалы оболочки и т.д. За каждым из этих элементов стоит огромнейшая работа.

Вот лишь один пример. Оболочка нашего тепловыделяющего элемента или твэла — это так называемый 110-й сплав: цирконий и 1% ниобия. Цирконий используется потому, что он практически прозрачен для нейтронов. Если температура оболочки твэла превышает 1000⁰ С и есть контакт с паром, начинается пароциркониевая реакция с выделением большого количества водорода, как это произошло на АЭС «Фукусима-1». Смешиваясь с кислородом воздуха, водород взрывается, что при той же аварии мы и имели возможность наблюдать.

Сейчас уже есть проекты, позволяющие отказаться от циркония с сохранением нейтронной прозрачности. Например, проблему можно решить с помощью керамических материалов. Есть предложения сделать «сэндвичи», чтобы исключить взаимодействие циркония с паром. Это не какие-то далекие задумки, это вещи, которые сегодня серьезно обсуждаются и скоро начнут реализовываться.

Далее: у нас есть корпус реактора, радиационная стойкость и прочность материала которого определяют срок службы всего комплекса. Мощный поток нейтронов, непрерывно бомбардирующих корпус, вызывает радиационное изменение структуры его материала, которое ведет к резкому увеличению хрупкости и разрушению. На сегодня срок службы корпуса реактора составляет в среднем 60 лет. За последние пять лет был создан новый материал, способный выдержать поток нейтронов на порядок выше. Разработчики этого нового материала получили государственную премию. Даже при интенсивном облучении 100 лет такой реакторный корпус выдержит точно. А больше и не нужно. Тут важно другое: теперь мы можем не ставить в активную зону протекторы корпуса, что позволяет поднять мощность реактора.

Первые реакторы из нового материала будут запущены в 2019 г. на Курской АЭС-2. Здесь мы далеко впереди планеты всей.

Кроме корпуса есть большое количество внутрикорпусных устройств, которые тоже подвергаются нейтронному обстрелу. Поэтому по заказу «Росэнергоатома» начаты работы по созданию новой стали для таких элементов.

Шаг за шагом

80% реакторов в мире сегодня — водо-водяные. Наибольший опыт мировая атомная энергетика накопила, работая именно с ними, и на сегодня они отвечают всем требованиям безопасности. Но подошло время переходить на новую ступеньку ядерно-энергетической лестницы.

Как-то руководитель Манхэттенского проекта генерал Лесли Гровс заметил, что «бумажный проект всегда прост, дешев, легок в исполнении, а любые проблемы в нем решаются ластиком и карандашом. Реальный проект никогда не строится в заложенные сроки, он всегда гораздо дороже, чем предлагают авторы. И если сделаешь что-то не так, исправить это чрезвычайно сложно». Для меня опыт, который накоплен сегодня при конструировании и эксплуатации легководных реакторов, гораздо важнее любых — самых замечательных, лучших — предложений по обеспечению безопасности с использованием новых технологий. Я готов их поддерживать, но хочу быть уверенным, что эта их «безопасность» не бумажная, а реальная.

Решающий фактор здесь — степень обоснованности. Какую процедуру должно пройти новое топливо, чтобы получить сертификат безопасности для работы в коммерческих реакторах? Нужно испытать его на стендах, затем в исследовательских реакторах. Потом загрузить в реальный реактор одну кассету или один твэл. Нужно, чтобы оно там проработало необходимый период времени. После этого его нужно выдержать лет пять его в бассейне, чтобы можно было с ним работать, а затем отвезти в НИИАР и в горячих камерах посмотреть, какие у него свойства. Но таким образом мы обосновали лишь его безопасность при нормальной эксплуатации.

Затем мы должны взять кусок топлива уже выгоревшего. Загрузить его в исследовательский реактор, провести испытания, допустим, на реактивностную аварию, подобную той, что была в Чернобыле, и посмотреть, какой у него предел разрушения. И так далее... Минимальное время для того, чтобы обосновать нововведения в топливо, — 15–20 лет. Но именно такой подход гарантирует нам отсутствие аварий.

Есть два пути. Можно сразу поставить перед собой и перед отраслью глобальную задачу, идти к ней всю жизнь и в конце сказать: «Увы, я так и не дошел». На мой взгляд, разумнее ставить краткосрочные задачи, чтобы получать удовлетворение от того, что достиг успеха, и ставить следующую задачу. Идти от одной близкой цели к другой. Может быть, именно таким образом и удастся решить глобальную задачу гарантированной безопасности и гарантированной эффективности атомной энергетики.

Подобного рода тактических задач великое множество. Сейчас мы имеем технологию, которую считаем надежной и безопасной, — доказательно безопасной. Ее можно сделать еще эффективнее, не снижая уровня безопасности, — существует даже так называемая программа снижения издержек. Обоснование безопасности подразумевает определенный уровень консерватизма или уровень запаса. Его можно оставить таким же, можно увеличить, можно уменьшить. Уменьшаешь запас — повышаешь производительность. Доказательное снижение консерватизма влечет повышение эффективности.

Как оптимально использовать топливо, как снизить его количество в реакторе, используя различные выгорающие поглотители, как обеспечить переход с гадолиния на эрбий... У меня сегодня на столе около 80 страниц проектов с обоснованиями той или иной новой технологии, которые можно реализовать уже в ближайшее время.

Но, конечно, есть и глобальная, стратегическая цель: переход на замкнутый топливный цикл на основе реакторов на быстрых нейтронах. Без этого у атомной энергетики нет перспектив. Главные требования к будущему атомной энергетики — гарантированная безопасность, эффективность, конкурентоспособность, отсутствие ограничений по топливу, проблем с ОЯТ и радиоактивными отходами и гарантия нераспространения ядерного оружия. Замкнутый цикл всем этим требованиям отвечает.

Я почти 50 лет отдал атомной отрасли и имел возможность посмотреть на нее с разных сторон. Я отчетливо вижу, что полный набор доказательств того, что атомная энергетика - не зло, а благо, отрасль имеет.

Подготовил Валерий Чумаков