Георгий Тошинский: о свинце-висмуте и не только

На вопросы корреспондентов AtomInfo.Ru отвечает советник генерального директора ГНЦ РФ - ФЭИ, советник генерального директора АО "АКМЭ-инжиниринг" Георгий ТОШИНСКИЙ.

Георгий Тошинский, фото Сергей Стожилов.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра.



На основе курса лекций

Георгий Ильич, у Вас буквально на днях вышла книга "Беседы о ядерной энергетике, физике реакторов и технологии модульных быстрых реакторов с теплоносителем свинец-висмут (для начинающих и не только)".


С содержанием книги можно ознакомиться по этой ссылке.- Прим. AtomInfo.Ru.
Это так, и я сразу хотел бы дать пояснения по названию книги. Это не учебник для студентов, имеющих профессиональную подготовку и нуждающихся в углублённых знаниях. Это пособие в первую очередь для начинающих, что и отражено в её названии.
Книга написана по материалам курса лекций, которые мне лет 25 назад предложили читать инженерам АЭС для повышения их квалификации. Институтское образование у них, конечно, было, но за годы работы на станциях многие базовые вещи они уже успели забыть.
Мне поставили задачу за три месяца научить турбинистов, ремонтников и энергетиков пониманию физических проблем безопасности, динамике реакторов, рассмотреть аварийные режимы, и так далее.

У курсов повышения квалификации есть своя особенность. Занятия со слушателями там проводятся не последовательно, как в вузах, а параллельно.Поэтому мне пришлось по ходу дела давать первичные знания по смежным предметам.
Но главный акцент в своём курсе я делал на безопасность, и вы можете убедиться в этом, посмотрев книгу. Мы разбирали тяжёлые аварии, которые происходили в атомной энергетике и породили волну радиофобии, тем самым объективно затормозив развитие этой технологии.
В доступной форме я попытался рассказать, откуда возникают факторы опасности в атомной энергетике и как их преодолеть. Я старался донести до слушателей, что безопасность работающих сегодня в мире АЭС в значительной степени обеспечивается теми людьми, которые их эксплуатируют, ремонтируют и обслуживают.

Я хотел, чтобы слушатели поняли одну важную вещь. У них на атомных станциях в руках, с одной стороны, громадный источник энергии, приносящий пользу людям, а с другой - большой источник потенциальной опасности.
Работая на АЭС, ты должен знать, откуда и какая тебя может подстерегать опасность. Если ты предупреждён, то ты вооружён!
В одном из приложений к книге я цитирую парадигмы адмирала Риковера, в том числе, его известные шесть тезисов.

Первый тезис звучит так: "Атомная энергия опасна". Но она же, говорится во втором тезисе, "обладает огромными возможностями для улучшения жизни людей". И далее адмирал приходит к выводу о том, что атомная энергия должна быть отраслью для предельно компетентных технарей, профессионалов, знающих о ней всё, и в этом случае атомная энергия может использоваться безопасно и надёжно.


Раздел о свинце-висмуте

Кроме общих тем, Ваша книга касается также вопросов технологии модульных быстрых реакторов с теплоносителем свинец-висмут.

На первый взгляд может показаться, что это инородный раздел книги. Я включил его намеренно, потому что считаю - эта технология сможет сыграть большую роль в будущей атомной энергетике.
В приложении с парадигмами адмирала Риковера я привожу полный текст его знаменитой статьи "Реакторы на бумаге и в жизни". В соответствии с её положениями, СВБР сегодня относится к бумажным реакторам, потому что он не построен. Но ведь все действующие реакторы когда-то были бумажными!

У реакторов СВБР большой потенциал по безопасности, так как в них отсутствует внутренняя запасённая энергия - нет высокого давления, а теплоноситель химически инертен. Это означает, что у СВБР нет тех причин, что вызвали наиболее тяжёлые аварии в ядерной энергетике (TMI-2, Чернобыль, Фукусима).

Расплавить активную зону СВБР возможно, как и любую активную зону, потому что остаточное энерговыделение принципиально неустранимо. Но при расплавлении важно, чтобы не поднималось давление, и не разрушались защитные барьеры.
Температуры кипения тяжёлых жидких металлов (свинец, свинец-висмут) настолько высоки, что, пожалуй, раньше корпус реактора расплавится, чем ТЖМТ закипит. Следовательно, роста давления при тяжёлой аварии в СВБР не будет.

Кроме того, в СВБР нет водорода. В легководных реакторах водород выделяется даже в нормальных режимах эксплуатации за счёт радиолиза, не говоря об аварийных режимах. В свинцово-висмутовых (и свинцовых) реакторах проблемы водородной опасности не существует изначально.


Ваш коллега и почти единомышленник Алессандро Алемберти из Италии хорошо отзывается о свинце-висмуте, но всё-таки отдаёт предпочтение свинцу. Один из его аргументов - полоний. Например, что произойдёт, если полоний попадёт во второй контур и выйдет в окружающую среду?

Наши западные коллеги опасаются проблемы полония в свинцово-висмутовых установках, потому что не владеют опытом их эксплуатации.
На наших лодках со свинцом-висмутом и наземных стендах-прототипах на начальном этапе освоения этой технологии мы прошли через все возможные аварии, которые можно было только придумать. В том числе, однажды мы залили через одну негерметичную трубку до трети трубок парогенератора радиоактивным сплавом свинец-висмут.

По горячим следам мы считали, что эту установку придётся выкинуть. Однако удалось разработать простые методы удаления сплава из теплообменных трубок парогенератора. Разработали также меры радиационной безопасности при удалении, и никто не переоблучился.
Сплав удалили, и встал следующий вопрос. Трубки после этого инцидента должны стать "грязными". Подводная лодка - это замкнутый объём, в котором живёт экипаж, дышит этим воздухом. Выполнили двукратную промывку парогенератора горячим дистиллятом с последующей отправкой дистиллята для очистки. После этого содержание полония в воде второго контура не превышало допустимых значений по санитарным правилам.

Были и другие аварии. На стенде 27/ВТ в ФЭИ пролилось 20 тонн сплава. Его пришлось выдалбливать и удалять, как твёрдый радиоактивный отход.
Вы понимаете, что облучение проникающим излучением можно скрыть - так, как поступали Курчатов, Александров, Славский и многие другие ветераны отрасли. Они оставляли свои дозиметры в кабинете и шли в зону интенсивного излучения для устранения последствий аварии. Сколько бэр они получили за свою жизнь - неизвестно.
Но у полония основная опасность связана с внутренним облучением. Период полувыведения полония из организма - меньше месяца. Люди, работавшие со свинцом-висмутом, сдавали свои биологические выделения в радиометрические лаборатории, где с высокой точностью определяли дозу внутреннего облучения.

Могу сказать, что за всё время ни по военному, ни по гражданскому персоналу не было превышено допустимое значение по внутренней дозе, после которой наступают последствия для здоровья.
Распространённой - и неверной! - точкой зрения является то, что проблема полония появилась только при работах над свинцово-висмутовыми лодками. На самом деле, в 50-ые годы полоний специально нарабатывали в США и СССР для изготовления полоний-бериллиевых источников для инициации ядерных зарядов.


РИТЭГи ещё были полониевые...

Да, но позже. Сначала полоний производили в значительных количествах именно для ядерных зарядов. Причём для этих целей требовалось выделять чистый полоний. Для примера, в свинце-висмуте типичные концентрации полония составляют порядка 1 атома на миллион.
При изготовлении чистого полония его летучесть увеличится на шесть порядков по сравнению с полонием в свинце-висмуте. Соответственно, все проблемы по безопасности будут намного более острыми.

В начале 90-ых годов американские медики провели ретроспективное исследование уровня смертности персонала, который был занят на полониевом производстве (всего 4,5 тысячи человек) в сравнении с референтными группами по штату Огайо и по США в целом.
Никакой корреляции уровня смертности с занятостью на полониевом производстве они не обнаружили. Не нашли никаких отклонений и у той группы работников, что набрали дозы до 1 Зв. Скорее наоборот, наблюдалась небольшая тенденция на меньший уровень смертности у атомщиков. Это, правда, может быть связано с другими факторами, такими как более высокий уровень жизни (зарплата, питание и так далее).


Или с положительным влиянием малых доз.

Я затрагиваю этот вопрос в своей книге, хотя это совершенно не моя область. Упоминаю, например, известные всем радоновые ванны (радон, это тот же альфа излучатель) и их благотворное влияние на здоровье.
Итог по полонию можно сформулировать следующим образом. Да, он представляет собой фактор опасности, но этот фактор на сегодняшний день хорошо изучен и известно, как опасность полония преодолевать.
Кроме того, нельзя в лоб сравнивать реакторную установку подводной лодки, где было много трубопроводов малого диаметра (это было слабое место), с реактором СВБР, где никаких трубопроводов с теплоносителем нет. Реактор СВБР - это фактически бак без избыточного давления.

Для парогенераторов СВБР предусмотрены специальные конструктивные меры против попадания сплава во второй контур. Иными словами, если какая-либо теплообменная трубка потечёт, то сплав в ней и останется. На лодках, к сожалению, такого сделано не было.


История вопроса

Каким образом появилась тематика свинцово-висмутового теплоносителя?

Александр Ильич Лейпунский начал разрабатывать тематику быстрых бридеров в 1949 году. Физику ему рассчитали Лев Николаевич Усачёв и группа теоретиков.
Годом позже в ФЭИ на преддипломную практику были направлены три человека из МЭИ, имевшие профильное реакторное образование - Павел Анатольевич Ушаков, Юрий Васильевич Архангельский и я.

Александр Ильич поручил нам сделать теплогидравлический расчёт быстрых реакторов с различными теплоносителями. Под номером один в списке теплоносителей у него числился свинец-висмут. Были также натрий и гелий.
Выбор свинца-висмута Александр Ильич обуславливал другими соображениями, не теми, которыми сегодня руководствуемся мы. По сравнению с натрием свинец-висмут плохо замедляет нейтроны - следовательно, в таком реакторе можно получать высокие значения коэффициента воспроизводства (КВ), что тогда относилось к первоочередным задачам.


Но свинец с этой точки зрения ещё лучше.

Лейпунский был, прежде всего, физиком-экспериментатором. Он понимал, что обращаться с теплоносителем, становящимся жидким при температуре 327°C, будет гораздо сложнее, чем с теплоносителем с температурой плавления 125°C.

А как подобрали конкретный состав сплава свинец-висмут?

Диаграмма состояния сплава свинец-висмут была на тот момент давно известна и описана в литературе. Соотношение свинца и висмута 44:56 было выбрано потому, что при таком соотношении температура плавления сплава минимальная.
Практика в целом подтвердила правильность сделанного выбора, удерживать сплав в жидком состоянии было достаточно легко. Но были и случаи несанкционированного замораживания свинца-висмута в контуре.

Мы очень боялись замораживания, во всех инструкциях были включены категорические запреты доводить ситуацию до замораживания. Для лодок была организована специальная береговая инфраструктура с паровым котлом для поддержания температуры в первом контуре выше температуры плавления - горячий пар от котла подавался в систему парового обогрева на лодку по трубам.
Практика показала ненадёжность береговой инфраструктуры. По этой причине после прихода лодки на базу нужно было держать реактор на холостом ходу на мощности полпроцента. Военные отреагировали так: "Если вы не решите проблему замораживаиия/размораживания, то такие установки нам не нужны".

Освоение свинцово-висмутовой технологии проходило в условиях жёстких сроков. Шла холодная война, нам требовалось срочно догонять и перегонять американцев с их подводным атомным флотом.
Мы говорили: "Есть вещи, которых мы не знаем, нам нужно провести по ним НИР". Высшее руководство отвечало нам: "Потом проведёте!". Приходилось идти на риск. В результате из восьми АПЛ со свинцом-висмутом две пришлось списать досрочно, а на третьей заменить реакторную установку.
Мне очень обидно, что спустя 30 лет мы узнали на основе европейских данных, а точнее, из двух объёмных справочников по свойствам тяжёлых жидких металлов, что сплав свинца и висмута эвтектического состава при плавлении и затвердевании имеет нулевое изменение объёма!

Мы изменения объёма боялись, потому что у всех в голове вертелась картина замерзания батарей с превращением воды в лёд.
На первой лодке проекта 645 перед её затоплением в море мы попробовали реанимировать реакторную установку - разогреть, вывести на мощность и проверить, потеряют контур или твэлы герметичность, или нет. ОКБ "Гидропресс" разработало специальный регламент размораживания. Оказалось, что всё в порядке.
Георгий Тошинский, фото Сергей Стожилов.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра.





Проблемы выбора

Свинец-висмут вошёл в список кандидатов в теплоносители для быстрых реакторов практически с самого начала быстрой программы. Почему выбор в гражданской быстрой программе был сделан в пользу натрия, реакторов БН?

Основания для выбора натрия понятны и правильны. В те времена прогнозировались очень высокие темпы развития ядерной энергетики во всём мире и в Советском Союзе, в частности. Удвоение суммарных мощностей АЭС должно было происходить за 5-10 лет.
Разведанных запасов урана для обеспечения топливом столь большого числа атомных энергоблоков не хватало. В сценариях с одними только тепловыми реакторами быстро наступил бы топливный голод, поэтому возникла потребность в скорейшем развитии быстрых реакторов и замкнутого топливного цикла. Причём для быстрых реакторов требовались высокие параметры воспроизводства.
Высоких КВ (вплоть до 1,5) на свинцово-висмутовых реакторах достичь реально. Но коэффициент воспроизводства не является исчерпывающей характеристикой быстрого реактора как размножителя плутония. Такой характеристикой выступает время удвоения плутония, а оно зависит не только от КВ, но и от удельной энергонапряжённости активной зоны.
Энергонапряжённость показывает вам, с какой скоростью вы сжигаете в реакторе первичное горючее. Она зависит, среди прочего, от теплогидравлических свойств теплоносителя.

У натрия теплопроводность в четыре-пять раз выше, чем у тяжёлых металлов. Натрий легче воды и его легче прокачивать через активную зону (без больших потерь мощности на циркуляцию).
Когда все эти и другие аспекты учли, то стало понятно, что натрий является безальтернативным теплоносителем для реакторов-размножителей, если стоит задача получить короткое время удвоения плутония 10 лет и менее. Поэтому во всех странах, развивавших быстрые программы, в конечном итоге было выбрано натриевое направление.
В конце прошлого века Виктор Владимирович Орлов провёл анализ и пришёл к выводу, что такие высокие темпы более не требуются. Кроме того, в мире разведаны большие запасы природного урана. Газоцентрифужные технологии обогащения урана в России первоклассные и более экономичные, чем применявшиеся в XX веке газодиффузионные.

Орлов выдвинул идею, что быстрые реакторы нужно в новых условиях разрабатывать с химически инертными теплоносителями, то есть с тяжёлыми жидкими металлами, так как натриевые реакторы останутся дорогими (затраты на безопасность, промежуточный контур, и так далее), и не требовать от быстрых реакторов высоких КВ и короткого времени удвоения плутония.

Если в быстром реакторе с тяжёлым теплоносителем сделать КВ равным или чуть большим единицы, то можно сконструировать реактор с малым запасом реактивности и не понадобятся чрезмерные затраты на безопасность из-за высокой химической активности натрия.
Я считаю, что эта идея правильная. Но проблема состоит в том, что свинец сегодня ещё не освоен, ему предстоит пройти большой путь со всеми теми трудностями, с которыми сталкивались и которые преодолели ВВЭРы, БНы, а также и реакторы на свинце-висмуте.
Напомню, что по свинцово-висмутовому направлению сначала мы сделали лодочный реактор на 70 МВт, потом на проекте 705 - на 150 МВт. Потом был разработан реактор СВБР на 280 МВт(т). Такой путь разумен с точки зрения уменьшения рисков.