Интервью на портале «Научная Россия»

"Территория тория"

За этот материал в спецвыпуске журнала "В мире науки" Валерий Чумаков получил главную премию в номинации "Новая энергия" на VII Всероссийском конкурсе инновационной журналистики Tech in Media`17

Хотя знаменитый шведский химик Йенс Якоб Берцелиус и назвал отрытый им в 1828 г. металл в честь скандинавского бога грома и молнии Тора, вряд ли он предполагал, какую важную роль в спасении человечества от энергетического голода ему определят томские ученые. Нам же об этом рассказал заведующий кафедрой технической физики Физико-технического  института ТПУ профессор Игорь Владимирович Шаманин.

— Когда вы начали заниматься торием?

Название изображения

— Работы по торию в Томском политехническом университете были начаты 20 лет назад, в 1996–1997 гг.

— Неужели в середине 1990-х гг. вы получили государственный заказ?

— Нет, от государства тогда чего-то добиться было нереально. Вели исследования по собственной инициативе. Некоторое время работали совместно с Германией, у которой в этой сфере уже был накоплен опыт. Потом в Германии с ядерной энергетикой все стало плохо, они отказались от исследований в этом направлении. Мы же занимаемся ториевыми работами до сих пор.

— Но уже с государственного ведома и при поддержке?

— Здесь все не так просто. Сегодня есть два основных взгляда на будущее энергетики, две концепции. Первая — замкнутый топливный цикл с использованием реакторов на быстрых нейтронах.

— Проект «Прорыв» «Росатома»?

Название изображения

— Совершенно верно. По нему пять лет назад было принято положительное решение. По другой концепции — с открытым топливным ядерным циклом на основе тория — не было. Хотя вопрос, какая из концепций более привлекательна,  дискуссионный. Мы работаем и живем в условиях рыночной экономики. Если первая концепция поддерживается, там есть финансовые потоки, у людей есть зарплата, то по второй исследования проводятся по собственной инициативе.

— Я не думал, что исследования в области ядерной энергетики настолько дешевы, что их можно вести без серьезной поддержки.

— Нет, конечно, какая-то поддержка есть. Большей частью это гранты на проведение фундаментальных исследований. Периодически обозначают свой интерес к теме флагманы отечественной науки, например Курчатовский институт. Но даже
если помощи совсем не будет, мы все равно не бросим торий, потому что дело стоящее.

— Настанет время, и в мире поймут вашу правоту?

— Торий показывает все свои преимущества и в физике, и в экономике. Это прекрасный воспроизводящий сырьевой нуклид (неделящийся изотоп, из которого получается делящийся — Примеч. ред.) и в открытом, и в замкнутом цикле. Все это мы знаем, это наш хлеб.

Название изображения

Бег с препятствиями

— В основе всей ядерной энергетики лежит процесс деления ядер и радиационного захвата ядрами нейтрона. Про нейтрон все слышали.

— Ну да, тяжелая элементарная частица, не имеющая электрического заряда.

— Лет 20–30 назад нас пугали нейтронной бомбой. Нейтронное оружие уже давно есть, просто им уже не пугают. Нейтрон — одна из основных элементарных частиц, входящих в состав ядра. По нейтронной физике написано много книг. Иногда говорят об элементарных частицах с большими или малыми энергиями. Про нейтроны тоже можно сказать, что у них бывают большие и малые энергии.
Грубое сравнение, но нейтрон можно уподобить спортсмену-бегуну. Существует такая сложная дисциплина: бег с препятствиями. Есть дистанция, есть барьеры, есть бегун — нейтрон. Это исходное состояние. При больших энергиях нейтрон ведет себя как частица, а при малых — как волна. Нейтрон теряет свою энергию порциями.
Теперь смотрите: дистанция, барьеры, бегун нейтрон. Перепрыгнул первый барьер — потерял порцию энергии. Сколько потерял, зависит от бегуна. Если потерял больше, чем надо, следующий барьер он не перепрыгнет, если меньше — врежется в него. Ему нужно рассчитать потери энергии, чтобы пройти всю дистанцию. В нейтронной физике есть целый раздел — резонансное поглощение нейтронов. Это и есть дорожка с препятствиями. Каждый из барьеров — это резонанс. Только в нейтронной физике барьеры не равноудалены, как в спорте, один стоит поближе, другой — подальше.

— Как попало или по каким-то правилам?

— Там все строго и четко. У каждого ядра барьеры расставлены по-своему. И высота барьеров разная. Нам надо научиться управлять потерями энергии нейтрона, чтобы он контролируемым образом перескакивал барьеры либо по нашему усмотрению на четвертом или пятом спотыкался и исчезал, превратившись в волну (очень грубо говоря).

— Разве такое управление возможно?

— Возможно. Есть свойства ядер, против которых не пойдешь. В спорте можно изменять концентрацию кислорода, которым дышит бегун, в ядерной физике можно управлять свойствами среды, в которой движется частица.
У тория заряд ядра — 90, атомная масса — 232. Так называемое четно-четное ядро. Все четно-четные ядра — сильные резонансные поглотители. У каждого из резонансных поглотителей своя дорожка с барьерами, у которых разное удаление друг от друга и разная высота. Были проведены полномасштабные 3D-эксперименты на суперкомпьютере. Потребовалось 15 часов процессорного времени, чтобы получить нужные цифры. Выяснилось, что, если смешать торий с плутонием и с замедлителем графитом, такое сочетание дает возможность работать в сверхдлинной кампании.

— Это как?

— Тут уже можно говорить про экономику и реакторные установки. Сейчас ядерные установки работают по привычной программе: загрузили топливо, через 272 эффективных суток установка останавливается, чтобы переставить топливо. Совсем
выгоревшее извлечь и подгрузить свежее. Торий с плутонием позволяют это делать раз в восемь лет, а можно и реже. Но восемь лет — гарантированно.
Это последний результат, который мы получили, он опубликован в трех профильных журналах.

— Экспериментально подтвержден?

— На текущий момент это доказано не только на микроуровне — на уровне ядер. Мы работаем над компоновкой реакторной установки: из чего она будет состоять, что даст.

— Для такого топлива нужен особый реактор?

— Нет. Мы здесь инженеры-физики, физику знаем на университетском уровне и строить вечный двигатель никогда себе не позволим. Мы исходим из реалий. Где торий хорош? В реакторных установках с графитом. Про графит в свое время зря забыли.

— Причина веская: реактор на четвертом блоке Чернобыльской АЭС был графитовым.

— После этого словосочетание «ядерная энергетика» стало ругательным и графит объявили никчемным. Но это уникальный материал, температура его плавления 3700° C. Если нет кислорода, он работает при такой температуре вполне уверенно.

Водород животворящий

— К чему может привести развитие ториевой ядерной энергетики?

— Ториевое топливо с длительными бесперегрузочными кампаниями делает более реальной перспективу создания малогабаритных ядерных энергетических установок. Можно сделать ториевую мобильную АЭС на гусеничном ходу, например.
Загрузил на заводе топливом, своим ходом доставил на дальний рудник, карьер или в городок, для жизнеобеспечения которого раньше приходилось ежегодно доставлять сотни тонн угля, — и как минимум восемь лет она там у вас работает.

— В одном из ядерных институтов мне сказали, что программы создания мобильных ядерных реакторов тормозятся тем, что на каждый нужно не менее 600 человек охраны.

— Правильно, но это касается мобильных реакторов, где используется традиционное высокообогащенное ядерное топливо, которое можно использовать для создания ядерного оружия. Здесь этого нет. Торий — не высокообогащенный ­материал, как и уран-238. По нашим законам они входят в число ядерных материалов, но очень и очень низкого класса. При создании системы защиты и контроля по сравнению с другими у них минимальные требования.

— А максимальные?

— К плутонию.

— Но вы сказали, что у вас и плутоний используется.

— В самом начале цикла требуется немного обогащенного урана-235 или плутония-239, но это так называемый запал. Дальше система выходит в равновесный режим. Ториевая энергетика в части использования плутония-239 как раз уменьшает общее количество уже наработанного плутония на планете. Мы снижаем угрозу, поскольку можем в качестве запала использовать плутоний оружейный, приготовленный к утилизации, он там будет выжигаться.
Еще одна самостоятельная серьезная ветка развития — водородная энергетика. Она может привести к новому пониманию энергетического оснащения и безопасности.

Название изображения

— Про водород сейчас часто говорят, что это топливо будущего.

— Реакторная установка для нашего топлива должна быть высокотемпературной графитовой. Поскольку она высокотемпературная, сам бог велел ее сделать многоцелевой. Это не просто электричество, а электричество в газотурбинном цикле с КПД до 70%. А высокие температуры позволяют проводить генерацию водорода.

— Электролизом, с помощью того же произведенного электричества?

— Нет, без использования электричества. Берем природный газ, загоняем в теплообменник, где по первому контуру циркулирует гелий. Из природного газа вперемешку с паром мы получаем так называемый энергетический газ. Он делится на две части: CO и молекулярный водород.
Просчитана экономика такой реакторной установки: цена полученного водорода заметно ниже, чем в электролизерах. В промышленных масштабах мы можем получать водород только на мощных ядерных реакторах.

— Почему раньше на АЭС водородом не занимались?

— На обычных АЭС это не так эффективно, как на высокотемпературных. Хотя сама идея атомной водородной энергетики отнюдь не нова и принадлежит не нам. Первым ее

Название изображения

высказал академик В.А. Легасов. Когда она была озвучена, о высокотемпературных реакторах уже немного говорили, но про торий никто не вспоминал. Сейчас, когда внимательно посмотрели на нейтронную физику, на торий, выяснилось, что высокотемпературная ядерная установка на нем получается очень красивой.

— А как к вашим работам относятся нефтяные компании, для которых водородная энергетика вполне может стать могильщиком?

— Нормально относятся. Я вхожу в состав комитета конгресса по атомно-водородной энергетике в Сарове. В первый раз конгресс прошел в 2006 г. Там были представители и от ядерной энергетики, и от оружейного комплекса, и от энергетики. Были и автопроизводители, поскольку автоконцепты и даже ходовые автомобили с водородным топливом — уже реальность.
Водородная энергетика уже случилась. Если говорить о ракетной технике, водород используется в шаттлах, в мощных ракетах-носителях «Энергия». Но пока это дорого, поскольку весь водород электролизный. И для наших добытчиков углеводородов это не смерть, а вторая жизнь. Ведь водород у нас получается не из воды, а из природного газа, который добывают как раз они.

Название изображения

— Кто из атомщиков вас поддерживает?

— НИЦ «Курчатовский институт», Институт ядерной физики СО РАН. Мы нашли полное понимание у специалистов нижегородского ОКБМ им. И.И. Африкантова, главного проектировщика российских реакторов. Они даже уже сделали наброски по оборудованию второго контура, который в их варианте позволяет не только генерировать водород, но и организовать глубокую переработку нефти.

— То есть крекинг-процесс на ядерном топливе?

— Причем в нем за счет сверхвысоких температур можно будет использовать не только нефть, но и попутные газы, которые сегодня просто сжигаются.

— Но проект «Прорыв» — ваш конкурент?

— Не будем вникать в наши научные и околонаучные споры, согласия и разногласия. Мы участвуем в этом проекте сразу по нескольким направлениям. 

Первое: у нас есть кафедра химической технологии, которая занимается разработками замкнутых ядерных топливных циклов. Это проблемы рециклирования топлива, разделения и очистки от продуктов деления.
Вторая проблема, которой мы занимаемся в области «Прорыва», — подготовка специалистов по управлению ядерными реакторами на быстрых нейтронах. Подобных кафедр сейчас не так много.
Третье: у нас существует договор, связанный с созданием автоматических систем управления такими реакторами и технологическими процессами при рециклировании. Мы здесь работаем.
Есть финансирование, соответственно, мы от этого не отказываемся.

Техника без опасности

— По производству топлива из урана у нас уже давно построены и действуют огромные комбинаты. При переходе на торий все придется начинать заново?

— С торием ситуация несколько проще, чем с ураном. Торий-232 — моноизотоп, его обогащать не надо, он сразу готов к работе. Сам торий-232 не делится нейтронами, это сырьевой нуклид. Делится уран-233, а он получается из тория прямо
в реакторной установке. Там получается и там же сгорает. Через некоторое время после запуска образование урана-233 из тория и скорость его деления выравниваются и реакторная установка приходит в равновесие.

— В аварийной ситуации сколько времени потребуется на остановку?

— Ядерщики никогда не говорят «остановка реактора». Остановка — это место, где останавливаются автобусы. В реакторе это называется «останов». На останов любого реактора требуются секунды. Кнопку нажали — и все. Гораздо сложнее процесс перехода с одной мощности на другую. Если говорить не про останов, а про переход из базового режима в диспетчерский, когда оператору говорят: «Вы должны выдавать на-гора 20 тыс. м3 водорода в час». Это одна мощность, на которой работает реактор. Если нужно перейти на 10 тыс. м3, это другая мощность. Такой переход во всех реакторных установках требует определенного времени.

— Какая разница, выключить или на другую мощность перейти?

— В нейтронной физике при переходе с одного уровня мощности на другой возникают ксеноновые колебания, накапливается элемент ксенон. Ториевая установка высокотемпературная, газоохлаждаемая и работает не в привычном термодинамическом цикле, где есть вода и пар, а в газотурбинном цикле, когда в первом контуре стоит газовая турбина, которую вращает гелий. Они гораздо маневреннее. Если стоит паровая турбина, для ее перевода на другую скорость вращения нужно выполнить очень много технологических операций.
Возле атомных станций всегда есть пруды-охладители, градирни. При уменьшении мощности на АЭС пар, который вращает турбину, надо выбрасывать в окружающую среду. В газотурбинном цикле этого делать не надо. И нет затрат времени на фазовое превращение воды в пар с надкритическими и сверхкритическими парами — сухой пар. Здесь просто есть гелий, инертный газ. В этом плане у тория масса преимуществ. Самый главный плюс — в его топливном цикле практически отсутствуют тяжелые трансурановые и трансплутониевые элементы.

— Даже при взрыве реактора конечное загрязнение будет в разы ниже в сравнении с урановым?

— Урановый ядерный реактор теоретически не может взорваться, как атомная бомба. Современная АЭС гипотетически выдержит падение крупного самолета. Если при этом произойдет разрушение приводов поглощающих стержней, системы управления и защиты, может произойти только тепловой взрыв. Ториевый же реактор по своей внутренней физической сути не способен привести к ядерному взрыву. Его можно разрушить до основания, дорого заплатить за загрязнение зала, территории станции, но он никогда не разрушится подобно чернобыльскому. Так что одна из возможностей предельно обезопасить ныне действующие АЭС — перевести их через модернизацию на использование тория. Ториевый реактор способен обеспечить высокую ядерную безопасность.

— У вас уже есть проект высокотемпературного графитового водородопроизводящего реактора на тории?

— Мы, Физико-технический институт, или весь Томский политехнический университет, имеем лицензию на проектирование и изготовление ­узлов для собственной реакторной установки ИРТ-Т. Лицензии на проектирование реакторной установки, которая пойдет в серию на производство, у нас нет, и никто нам ее не даст. Для такой цели есть ОКБМ им. И.И. Африкантова. Мы занимаемся ядерной физикой, нейтронной физикой. Мы разработали концепт реакторной установки, подготовили техническое задание на проектирование. Согласно закону об использовании атомной энергии, мы можем передать его в ОКБМ. Если в «Росатоме» скажут: «Проектируйте», они должны это быстро сделать. Времени прошло много, мы уже 20 лет работаем над торием. Есть множество публикаций в серьезных журналах по ядерной физике: по свойствам тория, по сравнению его свойств со свойствами урана-238, его поведению в паре с плутонием, с ураном. Вплоть до того что мы уже
предложили конструкцию унифицированного топливного ­блока.

— Модульная конструкция?

— Почти. Хочешь установку на 60 МВт — в ней будет 100 типовых блоков. Хочешь больше потенциального тепла, электроэнергии, завезем 400 блоков, сделаем установку на 150 МВт.

Доходы от отходов

— Но запасов тория у нас на жизнь хватит?

— Его жечь не пережечь: это тринадцатый по распространенности элемент в мире. Если взять территорию России, даже только разведанных запасов хватает для того, чтобы говорить об энергетике на базе ториевых установок. Есть наши любимые туганские пески, которые все разрабатывают и никак не могут разработать. Это богатый источник тория. Вообще торий — обязательная составляющая минерального сырья, в котором содержатся редкоземельные элементы. Если мы добываем редкоземельный элемент, ториевый концентрат образуется в виде отходов с нулевой балансовой стоимостью.

— Иначе говоря — в виде мусора.

— Даже несколько хуже, чем мусора. Этот концентрат надо опять закопать, поскольку он немножко подсвечивает. В рассеянном виде он дает естественный фон, а в концентрированном уже фонит посильнее. Поэтому просто выбросить его  нельзя, надо утилизировать. Вот мы и предлагаем утилизировать его всем на благо в ядерном реакторе.

— Торий добыли, что дальше?

— До конца этого года при поддержке Министерства промышленности и торговли мы получим топливную таблетку. В ней не будет урана и плутония, поскольку у нас нет лицензии на работу с этими материалами, но в ней будут графит и торий. Мы ее поместим в наш реактор, облучим и посмотрим, какое там происходит накопление урана и других продуктов.

— Не может быть, чтобы у проекта были одни только плюсы.

— На сегодня у тория обозначен один основной недостаток. В природной смеси содержится практически 100% тория-232. Но там есть почти 1,5 х 10-8 % тория-228. У 232-го полураспад происходит около 14 млрд лет.

— Сравнимо с возрастом Вселенной.

— Грубо говоря, он стабильный. А у 228-го период полураспада по альфа-распаду на уровне двух лет. При его распаде в конце концов образуется хвост жестких гамма-излучателей. Это полоний, свинец, висмут, таллий. Энергия гамма-излучения, которая сопровождает их распад, велика. Если мы положим концентрат тория на депозит, со временем хранилище начнет светить, поскольку 228-й распадается. Но радиохимики РАН, которые занимаются этим вопросом и с которыми мы плотно контактируем, говорят, что проблем нет. У них есть химические методы чистки ториевого концентрата.

— По уму, не нужно давать ториевому концентрату отлеживаться два года. Его нужно сразу перерабатывать в топливо и помещать в активную зону.

— Других недостатков у тория нет, одни преимущества. По механике, по технологичным свойствам он очень хорош. Прекрасно обрабатывается, ковкий, пластичный.

— На Западе торием тоже наверняка кто-то занимается?

— Как я уже говорил, приличный опыт был в Германии. В городах Юлих и Хамм стояли прототипы реакторов на основе тория AVR и THTR 300 соответственно. AVR — экспериментальная АЭС, на которой был испытан принцип действия высокотемпературного реактора с гранулированным топливом. После этого в Хамме в 1988 г. была запущена АЭС THTR 300 мощностью около 300 МВт. THTR расшифровывалось как Thorium Hochtemperaturreaktor, высокотемпературный ториевый реактор. В нем были очень красивые шарообразные твэлы. Его заглушили в 1988 г.

— После аварии в Чернобыле.

— К 2000 г. в Германии свернули все работы по торию. Сегодня впереди планеты всей традиционно Китайская Народная Республика. На торий они давным-давно обратили внимание. В Индии к торию повышенный интерес, поскольку там самые большие его запасы. В Штатах о наших работах знают. Тут ничего секретного нет.

— Предположим, что принято положительное решение по вашему реактору. К какому году мы могли бы ожидать запуска первого экспериментального?

— По инициативе Томского политехнического университета приказом по Министерству промышленности и торговли уже создана межведомственная рабочая группа по ториевой реакторной установке четвертого поколения. Председатель —
первый заместитель министра промышленности и торговли Г.С. Никитин. План мероприятий начиная со старта и заканчивая первой опытно-демонстрационной установкой нами разработан. Он рассчитан на 13 лет.

— Немало.

— Смотря с чем сравнивать. Если с послевоенной атомной гонкой, когда Сибирский химический комбинат был построен от первого колышка до первой продукции за два с половиной года, то много. Но тогда это была жизненная необходимость. Сейчас бы мы два с половиной года только согласовывали проект со всеми надзорными и контролирующими инстанциями. Поэтому 13 лет — это реалистичный прогноз. Главное — не тянуть. Чтобы к 2030 г. подарить человечеству новый энергоресурс, начинать надо уже сейчас.

Беседовал Валерий Чумаков

Название изображения

 

водородная энергетика торий

Назад

Социальные сети

Комментарии

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий