Газета 'Промышленные ведомости'
Главная Подшивка Подписка Редакция Партнерство Форум
Содержание номера 

Микротвэлами против ядерных катастроф и терроризма

Николай Пономарев-СТЕПНОЙ,
вице-президент Российского научного центра «Курчатовский институт»,
академик РАН
Евгений Гришанин,
заведующий лабораторией
ВНИИ атомного машиностроения, к. ф.-м. н.
Николай КУХАРКИН,
директор Института ядерных реакторов РНЦ
«Курчатовский институт», к.т.н.

В XXI век атомная энергетика входит в состоянии упадка. Ее быстрое развитие в 50-70 годы прошлого столетия породило иллюзию возможности безграничного роста числа АЭС. Тогда для них в индустриальных странах была создана мощная машиностроительная база. В частности, в СССР построили гигантский Атоммаш, который мог ежегодно обеспечивать корпусным оборудованием строительство восьми ядерных энергоблоков. Атомная энергетика вопреки утверждениям ее принципиального противника А. Яблокова была экономична и позволяла в меньшей степени зависеть от шахтерских проблем, с которыми всерьез мы еще только столкнемся в ближайшем будущем.
Авария в США на АЭС Три Майл Айленд резко остудила радужные планы развития атомной энергетики на Западе. А после Чернобыльской катастрофы для атомной энергетики наступила черная полоса и в России. Многие блоки АЭС, почти законченные строительством, были тогда закрыты.
Для века нынешнего, очевидно, будет характерно широкое распространение диверсий против крупных объектов техники вообще и АЭС, в частности. Недаром Дудаев еще в 1992 г. грозил сжечь Россию и США в атомном огне именно путем диверсий на АЭС. Последние события в США показали, как это может происходить.
По терминологии выдающегося историка Тойнби атомная энергетика получила «вызов судьбы» и должна ответить на него или исчезнуть. Ответ на этот вызов, очевидно, состоит в решении двух главных проблем: безопасность АЭС должна быть повышена до уровня, исключающего массовое радиоактивное поражение в случае аварий или диверсий, и должна быть радикально решена проблема захоронения радиоактивных отходов.
Ответом на этот вызов в России вначале явились новые проекты АЭС с реакторами типа ВВЭР и РБМК повышенной безопасности, в которых, по проектным оценкам, вероятность тяжелой аварии составляла меньше 10-6 (одна авария на миллион реакторолет работы). Однако даже столь малые риски не могут быть приемлемы, так как тяжелые аварии проходят по непроектным сценариям. Поэтому такое направление развития АЭС в принципе является неперспективным.
Как известно, в реакторах традиционной конструкции таблетки из окиси урана, при делении ядер которого выделяется тепловая энергия, размешены в трубках из сплава циркония. Такие стержни получили название «тепловыделяющие элементы» или сокращенно – твэлы. Циркониевый сплав был разработан специально для твэлов реакторов типа ВВЭР и РБМК, так как он обладает очень хорошими нейтронно-физическими характеристиками и высокой коррозионной стойкостью в воде при нормальной эксплуатации. Трубки из этого сплава прекрасно удерживают продукты деления, что и обеспечивает высокий уровень радиационной безопасности в нормальном режиме. Однако в аварийных режимах температура циркониевого сплава превышает 10000С, и тогда прочность сплава уменьшается в десять раз. В результате этого продукты деления выходят из твэлов и реактора. Последним барьером для радиоактивности в реакторах типа ВВЭР является герметичная защитная оболочка из предварительно наряженного железобетона. Реакторы типа РБМК не имеют такой защитной оболочки, и именно поэтому радиационные последствия чернобыльской катастрофы были столь тяжелыми. В случае же падения тяжелого самолета защитная оболочка и сам реактор типа ВВЭР могут быть разрушены и радиационные последствия будут такими же, как при чернобыльской катастрофе.
Для их уменьшения разработаны различные технические решения. В частности, для высокотемпературных реакторов с гелиевым теплоносителем в 60-х годах прошлого века были разработаны и успешно эксплуатировались шаровые твэлы с оболочкой не из металла, а из керамики, сохраняющей прочность при высокой температуре в тысячи градусов.
В высокотемпературных реакторах шаровые твэлы в нормальных режимах работали при температуре 15000С и при этом эффективно удерживали продукты деления. В аварийных режимах они сохраняли эту способность и при температуре 20000С. Однако они были весьма сложны в изготовлении и не прижились. Однако не все так безнадежно. За время, прошедшее после чернобыльской катастрофы, в России разработали новые технические решения, которые можно рассматривать в качестве «благих вестей» с точки зрения перспективы развития абсолютно безопасной атомной энергетики.
Во-первых, предложена концепция безотходной технологии утилизации радиоактивных материалов. Сущность этой технологии состоит в том, что Природе после соответствующей переработки возвращаются в виде остеклованных отходов радиоактивные вещества по биологической вредности примерно такие же, что содержалась в природном уране, добытом для атомной энергетики.
Второй «благой вестью» для атомной энергетики является новая разработка «Курчатовского института» — реактор для АЭС с микротвэлами, при любых тяжелых авариях которого, в том числе вызванных диверсиями, включая даже падение самолета на станцию, радиационные последствия окажутся очень малы.
Микротвэлы — это очень маленькие сферические диаметром до 1 мм частицы уранового топлива, которые заключены в многослойную, высокотемпературную и очень прочную керамическую оболочку, способную эффективно удерживать продукты деления в любых авариях. Поэтому даже в случае разрушения корпуса реактора, микротвэлы, разлетевшись по территории АЭС, не выпустят радиоактивные частицы в атмосферу, а микротвэлы можно будет собрать при помощи специальных механических устройств.
Сам процесс производства микротвэлов хорошо иллюстрирует их высокую стойкость к высокой температуре и коррозионно активной среде. Сначала методом, который мы здесь не будем описывать, получают сферические частицы из двуокиси урана. Затем при температуре 15000С через слой таких частиц прокачивают метан. При этом образуется «кипящий слой», в котором частицы при разложении метана покрываются слоями сажи. При столь высокой температуре эта сажа, называемая пирографитом, получается очень прочной. Затем через «кипящий слой» прокачивают газ, содержащий кремний, при разложении которого сферические частички поверх сажи покрываются еще слоем карбида кремния. Далее следует кипячение таких шариков в смеси азотной и серной кислоты, в результате чего с их поверхности удаляются частицы урана, а также растворяются шарики с дефектным покрытием. Таким образом, уже в процессе изготовления микротвэлы проходят, образно говоря, «через огонь, воду и медные трубы». Поэтому не следует удивляться тому, что микротвэлы показали высокую работоспособность при их многомесячном испытании в водяном теплоносителе при температуре 3500С, при испытании в паре с температурой 10000С и в среде дымовых газов при температуре15000С.
Технология изготовления микротвэлов значительно проще обычных в циркониевых трубах и дешевле их примерно на 40 %. Микротвэлы помещаются в чехлы из более дешевой нержавеющей жаростойкой стали, выдерживающей 12000С.
Исходя из изложенного видно, что применение микротвэлов позволяет создать реакторы для атомной энергетики с уникальными свойствами защищенности относительно любых тяжелых аварий, включая вызванных диверсиями или действиями персонала АЭС.
Важно, что тепловыделяющие сборки с микротвэлами могут применяться в действующих блоках АЭС без изменения конструкции реактора, причем возможна полная их унификация с традиционными сборками по габаритам, присоединительным элементам и тепло-гидравлическим и нейтронно-физическим характеристикам.
Возникает естественный вопрос: почему такое прекрасное техническое решение до сих пор не внедрено? Ведь замечательные свойства микротвэлов известны давно. Объяснение этому — в свойствах человеческой психологии. Во-первых, специалисты по атомной технике почти не используют технических решений, созданных в других отраслях. Во-вторых, АЭС сооружаются по старым нормативным правилам и удовлетворяют им. А за повышение их безопасности сверх требований нормативных документов никакой экономической выгоды работники АЭС не имеют.
Есть и другие проблемы. Современные методы утилизации отработавших традиционных стержневых твэлов непригодны для микротвэлов, так как их не берет ни кислота, ни огонь. Это обратная сторона высокой стойкости микротвэлов, утилизировать которые можно будет, лишь предварительно механически разрушив их, например, в специальных существующих шаровых мельницах.
Разработка микротвэлов началась в 1992 г. Исследована коррозионная стойкость микротвэлов в водяном теплоносителе, экспериментально показана высокая их способность удерживать продукты деления в аварийных условиях при температуре более 10000С в паро-воздушной среде, намечено провести реакторные испытания экспериментальных сборок микротвэлов. Изготовление полномасштабных сборок может быть осуществлено через 2-3 года. Но все эти работы пока ведутся за счет средств французской фирмы Фраматом, которых явно недостаточно.
Разработчики данного перспективного направления уверены, что использование микротвэлов в реакторах АЭС и атомоходов совершенно необходимо для обеспечения безопасности не только России в условиях нарастания международного терроризма. Применение микротвэлов создаст необходимые условия радиационной безопасности, что будет способствовать широкомасштабному развитию атомной энергетики у нас и за рубежом.


От редакции
Работы по созданию микротвэлов финансируются французской фирмой и вполне возможно результаты этих работ окажутся в ее собственности. Тем более, что российское патентное ведомство отказало в выдаче патента на микротвэлы их создателям, мотивируя свое решение... отсутствием новизны. Поэтому через несколько лет мы вынуждены будем покупать лицензии на качественно новые безопасные ядерные реакторы за рубежом и лишимся громадного рынка по строительству безопасных АЭС.
Как известно, атомная энергетика находится в собственности государства. Поэтому может быть Правительство РФ и Государственная дума обратят внимание на стратегически значимую новинку и уже в бюджете 2002 года выделят необходимое финансирование для завершения ее разработки?

Главная Подшивка Подписка Редакция Партнерство Форум
  © Промышленные ведомости  
Полезные ссылки  Rambler's Top100