http://www.ng.ru/energy/2008-12-09/13_kurchatov.html

Революция в реакторных технологиях

Модель высокотемпературного газоохлаждаемого реактора "Астра".
Фото Юрия Макарова

Но если технология Супер-ВВЭР – это эволюционное развитие технологии действующих водо-водяных энергетических реакторов, предназначенных для производства электроэнергии, то высокотемпературные газоохлаждаемые реакторы (ВТГР) основаны на принципиально иных технологиях. Поэтому развитие концепций ВТГР подразумевает существенное продвижение в реакторных технологиях.

Всего сотни метров отделяют друг от друга расположенные на территории Курчатовского института первый реактор Ф-1 и работающую модель высокотемпературного газоохлаждаемого реактора – критический стенд «Астра», на котором проводятся исследования в обоснование нейтронно-физических характеристик реакторов типа ВТГР. Основа концепции критического стенда – использование сферических тепловыделяющих элементов, загружаемых в пространство, ограниченное графитовыми отражателями.

«В реакторах типа ВТГР для охлаждения активной зоны используется не водяной теплоноситель, как в ВВЭР, а высокотемпературный газ, – рассказывает Петр Фомиченко, начальник отдела высокопотенциальной энергетики ИЯР. – Основное принципиальное отличие и преимущество высокотемпературных технологий – возможность достижения необычайно высоких температур теплоносителя на выходе из реактора, гораздо больших, чем в ВВЭР, – до 1000 градусов! Добиться таких высоких температур можно, используя керамическое топливо и химически инертный гелий в качестве теплоносителя. На основе анализа мирового опыта и работ, проводившихся в России, в качестве топлива ВТГР была предложена концепция микротвэлов, состоящих из топливного сердечника малого диаметра (около 0,5 мм) с нанесенными на него высокопрочными и жаропрочными защитными слоями из пироуглерода и карбида кремния. На основе этих микротвэлов создаются шаровые тепловыделяющие элементы или топливные компакты, напоминающие короткие стерженьки».

Как отметил Фомиченко, такие высокие температуры можно использовать в различных технологических процессах. Если основное предназначение реакторов типа ВВЭР – все-таки производство электроэнергии, то высокотемпературные газовые реакторы открывают для атомной энергетики новое пространство. Реакторные системы с ВТГР, безусловно, обладающие возможностями более эффективно производить электроэнергию, призваны заметно расширить сферу использования атомной энергии и войти в те области энергопотребления, где атомная энергия пока не завоевала значимых позиций. Это прежде всего производство промышленного тепла для энергоемких технологий, например химических, металлургических, для производства моторного топлива, а также водорода. Именно этим сферам принадлежит большая часть потребления энергии.

«Задача внедрения высокотемпературных реакторных технологий – захватить эту новую для атомной энергетики часть рынка, предложив конкурентоспособные услуги по производству высокопотенциального тепла. Поэтому можно смело сказать, что высокотемпературное направление в реакторных технологиях, развиваемое в Курчатовском институте, способно сделать существенный вклад в расширение сферы использования ядерной энергии», – утверждает Фомиченко.

Эффект температуры

На рубеже столетий началась новая стадия работы над высокотемпературными реакторами. Используя опыт, накопленный за предыдущие годы, а также достижения в работах над новыми реакторными материалами, исследователи предлагают новые технические решения, улучшающие возможности реакторов этого типа. Сегодня это активно развивающееся направление известно в мире как часть программы «Генерация-4», инициированной США. В этой программе определены шесть типов различных реакторных концепций, и две из них используют гелий в качестве теплоносителя, в том числе и для производства высокопотенциального тепла.

Вокруг перспективного высокотемпературного направления уже сложилась устойчивая международная кооперация. Туда устремлены и научные интересы Курчатовского института. Это вполне естественно, если учесть, что исследования и разработки по созданию высокотемпературных источников атомной энергии начались в Институте атомной энергии им. И.В.Курчатова еще в 1960-е годы: это время зарождения энерготехнологического направления атомной энергетики. Тогда эти работы были сосредоточены в специально созданном отделе, их руководство поручили талантливым молодым ученым М.Д.Миллионщикову и Н.Н.Пономареву-Степному. Сейчас академик РАН Н.Н.Пономарев-Степной – научный руководитель высокотемпературного направления.

«В настоящее время мы в сотрудничестве с рядом российских организаций атомной отрасли работаем в рамках Программы демонстрации технологий высокотемпературных реакторов, – говорит Фомиченко. – Эта стадия работ над реакторными технологиями ВТГР посвящена решению наиболее проблемных вопросов. В свое время на основе экспертной оценки было определено, какие направления разработок являются самыми критическими и сложными. К ним относится, в частности, отработка высокотехнологичных процессов для массового производства топлива с керамическим покрытием. Есть и другие направления – например, физика активной зоны кольцевого типа, и именно теоретические наработки в этом направлении проверяются экспериментально на нашем стенде «Астра».

Атомно-водородное чудо

Высокие температуры нужны и для производства водорода. Сегодня многим известно, что водород может быть высокоэффективным и экологически чистым энергоносителем: он широко используется в промышленности и ракетной технике, а в будущем может найти применение в энергетике, бытовом теплоснабжении, на автотранспорте. Уже в 1970-е годы Курчатовский институт стал активно действующим центром атомно-водородной энергетики. Результаты исследований, выполненных академиком Пономаревым-Степным, позволили предложить новые подходы к выбору и совершенствованию реакторных материалов, расширить температурные и радиационные границы их использования. На базе этих исследований и началось развитие нового направления использования атомной энергии – атомно-водородная энергетика, основанная на высокотемпературных реакторах с гелиевым охлаждением для производства водорода и других энергоносителей. Выполненные исследования по высокотемпературным реакторам стали основой для разработки и создания целого ряда реакторных установок с уникальными параметрами, в том числе ядерных ракетных двигателей.