Атомщики обсудили замыкание ядерного топливного цикла

Впервые за два года участники проекта «Прорыв» встретились и обсудили прогресс по основным направлениям и актуальные проблемы. Отраслевая конференция «Замыкание топливного цикла ядерной энергетики на базе реакторов на быстрых нейтронах» проходила 28–29 октября в Сочи.

Не все смогли приехать, часть докладчиков выступала онлайн. Но большинство воспользовались возможностью встретиться лично.

«Я уверен, что в рамках конференции вам удастся выработать конструктивные предложения по ряду самых важных вопросов и проблем атомной энергетики, — ​сказал в видеообращении глава «Росатома» Алексей Лихачев. — ​Ну и конечно, успешно подготовиться к участию в международной конференции МАГАТЭ по реакторам на быстрых нейтронах FR22, которая состоится в следующем году в Пекине».

Конференция Fast Reactors and Related Fuel Cycles («Быстрые реакторы и их топливные циклы») — ​главный мировой форум по быстрым реакторам, который устраивают раз в четыре года. Предыдущую FR принимал в 2017 году Екатеринбург. Следующая должна была быть в этом году, но ее отложили из-за пандемии. «На FR22 планируют приехать не меньше 700 участников, — ​сообщил специальный представитель «Росатома» по международным и научно-техническим проектам, руководитель проекта «Прорыв» Вячеслав Першуков. — ​В 2017 году мы зафиксировали наше преимущество по быстрым натриевым технологиям, показав участникам конференции промышленную реализацию на Белоярской АЭС — ​энергоблок с реактором БН‑800. В следующем году мы хотим показать, что готовы создавать коммерческие натриевые реакторы. Надеюсь, к этому времени решение о строительстве БН‑1200 будет принято. Так мы продемонстрируем не только готовность инженерных и проектных решений, но и политическую и экономическую готовность. В этом году началось сооружение первого в мире атомного энергоблока со свинцовым реактором на быстрых нейтронах БРЕСТ-ОД‑300. Это тоже, безусловно, будет среди главных тем FR22».

Директор департамента научно-технических программ и проектов «Росатома» Наталья Ильина рассказала, что основное финансирование работы по созданию новой технологической платформы отрасли получают в рамках комплексной программы «Развитие техники, технологий и научных исследований в области использования атомной энергии» (РТТН). В 2021–2024 годы из федерального бюджета планируется потратить 30,2 млрд рублей, 34 млрд — ​из внебюджетных источников.

Наталья Ильина отметила, что портфель технологий проекта на начало этого года включал 1,3 тыс. объектов интеллектуальной деятельности общей стоимостью около 42 млрд рублей. «За время реализации комплексной программы портфель будет увеличен еще на 900 РИД», — ​добавила она. «Росатом» уже выступил с инициативой о продлении комплексной программы до 2030 года, и в правительстве ее поддержали. Сейчас готовится концепция продленной РТТН.

Также Наталья Ильина отметила необходимость подготовки кадров для новой технологической платформы: «Сегодня целесообразно сформировать отраслевую платформу комплексных образовательных продуктов и программ в области быстрых реакторов и замыкания ядерного топливного цикла для развития двухкомпонентной атомной энергетики. Важно включить в дорожную карту «Прорыва» задачи формирования образовательной инфраструктуры, программы сохранения и развития знаний и компетенций в этой области».

Во второй части пленарного заседания и в тематических секциях участники конференции обсудили основные технические результаты и задачи подпроектов «Прорыва».

Быстрые натриевые реакторы

Проект коммерческого реактора на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем БН‑1200 был, в принципе, готов еще в 2016 году, последние пять лет его дорабатывали, чтобы достичь конкурентоспособности с другими видами генерации. Усовершенствованный проект назвали БН‑1200М — ​модернизированный.

Массу и габариты реактора уменьшили на 12,2 %, рассказал Сергей Шепелев, главный конструктор РУ БН ОКБМ им. Африкантова. Этого добились за счет модернизации системы активной защиты реактора (нашли возможность отказаться от внутрикорпусной стальной защиты массой 830 т), а также за счет новой конструкции второго главного циркуляционного насоса. Размер БН‑1200М сопоставим с предшественником меньшей мощности, БН‑800.

Модернизировали также холодную ловушку первого контура, системы аварийного отвода тепла и перегрузки топлива. Улучшили конструкцию парогенератора, продлив тем самым срок его службы. Но для ее окончательного обоснования нужны дополнительные исследования по водородной безопасности.

«Оптимальное сочетание референтных и новых технических решений и результаты НИОКР по их обоснованию обеспечили улучшение технико-экономических показателей и достижение требуемого уровня конкурентоспособности БН‑1200М», — ​заключил Сергей Шепелев. Разработан обликовый проект промышленного энергокомплекса с БН‑1200М, завершается его технико-экономическое обоснование.

Быстрые свинцовые реакторы

Демонстрационный БРЕСТ-ОД‑300 в этом году получил лицензию на сооружение, началась стройка. «Корпус реактора, поворотные пробки, внутрикорпусные устройства, корзина, коллекторы, парогенератор и главный циркуляционный насос заказаны», — ​сообщил главный конструктор проектного направления «Прорыв» Вадим Лемехов. Но так как лицензия выдана Ростехнадзором с ограничениями, НИОКР по обоснованию безопасности оборудования продолжаются. «Благодаря взаимопониманию с Ростехнадзором мы в непростой ситуации с нормативными коллизиями нашли способ начать изготовление, при этом на каждом шагу советуемся с регулятором», — ​подчеркнул Вадим Лемехов. Задача на будущий год — ​провести вибрационные испытания парогенератора, для этого уже создан стенд, весной его запустят. Создается стенд для испытаний ГЦНА.

Идет разработка коммерческого быстрого реактора большой мощности со свинцовым теплоносителем БР‑1200. К концу года будет готов эскизный проект. В нем во многом повторяются технические решения, выбранные для БРЕСТ-ОД‑300: активная зона с малым запасом реактивности, интегральная компоновка первого контура, двухконтурная компоновка РУ, конструкция основного оборудования. БР‑1200 будет всего в 1,5 раза больше БРЕСТа при росте мощности в четыре раза.

Реакторщики на конференции по ЗЯТЦу отметили, что нужно инициировать программу обоснования работы как натриевых, так и свинцовых реакторов в маневренных режимах.

Топливо

Как известно, оптимальным для реакторов на быстрых нейтронах является плотное нитридное топливо (СНУП), которое и предусматривается в проекте РУ БРЕСТ. Для БН‑1200М может быть использовано как нитридное, так и оксидное (МОКС). Сергей Шепелев отметил, что конструкция топливных сборок с МОКС и СНУП для БН‑1200 унифицирована.

Создано промышленное производство МОКС-топлива на Горно-химическом комбинате. Оно выходит на плановую производительность — ​14 т в год. Этого хватит, чтобы полностью обеспечить действующий реактор БН‑800. Недавно участок производства МОКС-топлива на ГХК был модернизирован. Разработана конструкция твэлов и ТВС для коммерческого натриевого реактора, выбраны конструкционные материалы для первой загрузки.

С топливом для первой загрузки БРЕСТ-ОД‑300 тоже все понятно. «По нитриду с 2011 года пройдены все стадии, от лабораторных исследований до промышленной реализации», — ​сказал главный технолог «Прорыва» Юрий Мочалов. С начала проекта «Прорыв» в реактор БН‑600 загрузили на испытания 24 экспериментальные ТВС с нитридом (1,56 тыс. твэлов). 15 из них уже выгружены и прошли послереакторные исследования. Максимальное выгорание топлива — ​9 % т. а. при повреждающей дозе 107 сна.

На Сибирском химкомбинате создается промышленное производство СНУП — ​модуль фабрикации-рефабрикации. Юрий Мочалов отметил, что при необходимости со временем там можно будет производить нитридное топливо и для свинцовых, и для натриевых реакторов. «К 2027 году завершатся ресурсные испытания экспериментальных ТВС в обоснование первого и второго этапов эксплуатации реактора БРЕСТ-ОД‑300 с достижением целевых параметров по выгоранию 9 % т. а. при повреждающей дозе 110 сна, — ​сообщил Михаил Скупов, руководитель объединенного проекта «Разработка твэлов и ТВС со СНУП, технологий и оборудования для их производства». — ​С 2028 года запланированы ресурсные испытания в реакторе БРЕСТ-ОД‑300 реперных сборок с улучшенной оболочкой твэлов, рассчитанных на среднее выгорание 12 % т. а. К 2030 году ожидаются результаты испытания твэлов до предельных параметров и максимального выгорания 15 % т. а.».

Разработчики топлива на конференции отметили, что есть проблема с обеспечением производства сырьевым диоксидом плутония. Складские запасы ограничены, и уже сейчас надо думать о дополнительных мощностях для переработки ОЯТ, чтобы не остаться без сырья. Есть и актуальная научная задача — ​надо вовлекать минорные актиниды в топливный цикл, разрабатывать технологии производства СНУП со значительным количеством америция (пока его содержание не превышает 1 %).

Переработка ОЯТ

«Самые актуальные научные проблемы связаны с переработкой ОЯТ и РАО, — ​сообщил научный руководитель проектного направления «Прорыв» Евгений Адамов. — ​Если выбрать старую добрую гидрометаллургию, то технология у нас в руках, она позволяет замкнуть ЯТЦ. Но пирохимическая потенциально более эффективна. На старте проекта мы считали, что просто не будем заниматься гидрометаллургией, сразу будем делать пирохимию. После нескольких лет работы зашли в тупик. Поменяли команду разработчиков. В последние годы у нас опять появился оптимизм. Мы занимаемся и гидрометаллургией, и пирохимией. Окончательный выбор будет сделан в 2024 году, и, скорее всего, на первом этапе эксплуатации модуля переработки мы соединим два метода, используем комбинированную технологию: пирохимия снимет основную радиационную нагрузку, а доочистку обеспечит гидрометаллургия».

Разрабатывается перспективная технология плазменной сепарации ОЯТ, эти исследования проводит Объединенный институт высоких температур РАН. Суть метода: облученное топливо переводится в плазменное состояние, после чего в электромагнитном поле происходит разделение изотопов. Главное потенциальное преимущество технологии — ​значительно меньше жидких радиоактивных отходов, чем, например, при использовании гидрометаллургического метода переработки.