Гелиевая АЭС обещает ни за что не взрываться

Большая часть новой АЭС расположится под землёй (иллюстрация с сайта okbm.nnov.ru).

Россия и США совместно разрабатывают проект АЭС будущего. Она значительно превзойдёт все прежние системы и по безопасности, и по экономичности, и по многим другим параметрам. Атомная энергетика ещё не сказала своего последнего слова.

Несмотря на рост использования солнечных батарей, энергии ветра и волн, прочих альтернатив, от «классической» энергетики нам в ближайшие десятилетия не уйти. А здесь, пожалуй, наиболее экологичной является, как ни странно, энергетика атомная.

Да, утилизация отработанного ядерного топлива – сложная проблема, но совсем не безнадёжная. Читайте о некоторых проектах: здесь реальный и уже идущий, а тут более фантастический.

Об опасности аварий на АЭС мы скажем ниже. Но если их нет – атомная станция словно и не существует – её выбросы нулевые.

А вот тепловые станции отравляют атмосферу миллионами тонн ядов и парниковых газов. И радиоактивными веществами тоже, кстати, которые содержатся, скажем, в угле и попадают с выхлопом станции в трубу.

Гидроэлектростанции, кажется, чистые. Но их везде не поставишь, а водохранилища, кстати, необратимо меняют природу на многие десятки километров вокруг, затрагивают среду обитания тысяч видов, оказывают огромное давление на земную кору (что не шибко здорово в сейсмоопасных зонах).

Ядерный синтез? Да, есть интересные варианты (не ITER), но это – на перспективу. А в ближайшие годы круг, вроде, замыкается – будем «жечь» уран. Например, в супер-АЭС, разработанной совместно Россией и США.

Новая схема АЭС устраняет из её конструкции множество прежних систем. А так как узлов меньше, то и надёжность – выше (иллюстрация с сайта gt-mhr.ga.com).

С американской стороны главным участником проекта является компания General Atomics, а с российской – Опытное конструкторское бюро машиностроения имени И. И. Африкантова (ОКБМ) в Нижнем Новгороде, подчиняющееся Федеральному агентству по атомной энергии РФ.

Минатом и затеял сотрудничество с американцами по данному проекту ещё в 1993 году. А к настоящему моменту разработан и эскизный проект реактора (и станции), да и куда более детальные разработки – давно идут полным ходом.

А поскольку в новом типе АЭС специалисты видят будущее атомной энергетики – познакомимся поближе, как же она будет работать.

Называется эта система Gas Turbine — Modular Helium Reactor (GT-MHR), а по-русски — «Газовая турбина — модульный гелиевый реактор» — ГТ-МГР.

В создании этого чуда принимает участие большое количество американских и российских институтов и организаций, а также – компании из Франции и Японии (список фирм можно посмотреть на российской странице проекта).

Основных идей тут две. Ядерный реактор с охлаждением газообразным гелием и с внутренне присущей безопасностью (то есть – чем сильнее нагрев – тем слабее реакция, просто исходя из «физики» реактора, вплоть до остановки естественным путём, без всякого участия системы управления) и – кратчайшее преобразование энергии горячего гелия в электричество – с помощью газовой турбины так называемого замкнутого цикла Брайтона, с размещением турбогенератора и реактора в закрытых капсулах под землёй.

Никаких обширных труб, насосов, турбин, и массы других «железяк» над поверхностью. Устройство АЭС упрощается в разы.

Десятки систем исчезают по мановению волшебной палочки. Никаких промежуточных теплоносителей, меняющих фазу (жидкость-пар), никаких громоздких теплообменников, почти – никаких путей для возможной утечки чего-нибудь радиоактивного.

Всё капсулировано. При этом даже отказ системы управления не ведёт к расплавлению топлива. Всё автоматически затухает и медленно остывает за счёт рассеивания тепла в грунт, окружающий станцию.

Топливо для станции – это оксид и карбид урана или оксид плутония, выполненные в виде шариков диаметром всего 0,2 миллиметра и покрытые несколькими слоями различной термостойкой керамики. Шарики «насыпаются» в стержни, те формируют сборку и так далее.

Физические (масса конструкции, условия протекания реакции) и геометрические параметры реактора таковы (сравнительно низкая плотность энергии, например), что при любом развитии событий, даже полной потере теплоносителя, эти шарики не расплавятся.

Да и вся активная зона выполнена из графита – никаких металлоконструкций тут нет вообще, а жаропрочный сплав применён лишь в самом внешнем корпусе — капсуле.

Так что даже если весь персонал станции дружно «уйдёт пить пиво», ничего страшного для окружающей природы не случится – температура в сердце АЭС подскочит максимум до 1600 градусов по Цельсию, но активная зона при этом не расплавится. Реактор же сам начнёт охлаждаться, отдавая тепло в окружающий грунт.

Схема «сердца» станции. Слева – турбина с электрогенератором и теплообменниками, справа – реактор (иллюстрация с сайта gt-mhr.ga.com).

Применение же в качестве теплоносителя гелия сулит ряд преимуществ. Он химически инертен и не вызывает коррозию узлов. Он не меняет своего агрегатного состояния. Он не влияет на коэффициент размножения нейтронов. Наконец, его удобно направлять в газовую турбину.

Она капсулирована вместе с насосами и теплообменниками и вращается исключительно на осевых и радиальных электромагнитных подшипниках – подшипники качения предусмотрены как аварийные.

Про теплообменники нужно сказать особо. Тот гелий, что охлаждает реактор, делает в турбинной установке несколько «петель», максимально отдавая свою энергию турбогенератору. Кроме того, там есть дополнительное охлаждение гелия водой, но в случае какой-либо аварии – система обойдётся вовсе без неё, реактор не расплавится.

Результат всех этих новаций – КПД станции – до 50%, против 32% у существующих АЭС, плюс — намного более полная выработка ядерного топлива (а значит – меньше облучённого урана и меньше высокоактивных отходов на каждый мегаватт-час полученной энергии), простота конструкции, а значит — меньше стоимость возведения и проще контроль над работой.

И, конечно, безопасность. Американцы пишут, что ГТ-МГР – первая в мире АЭС, которая будет соответствовать первому уровню безопасности.

Всего их 4, из них нулевой – это самый высокий. 0 — это фантастика. Тут ничего никогда случиться не может и вообще – нет опасных материалов. Первый уровень – самый высокий из реально возможных. При нём АЭС, по идее, не требуются особые системы безопасности, так как у самого реактора имеется внутренний, конструктивно предопределённый «иммунитет» от любых ошибок операторов и технических повреждений.

Станция в Чернобыле имела, по версии американцев, третий (худший) уровень безопасности, что означает критичность системы к ошибкам людей или неисправности оборудования. Сейчас многие действующие станции вышли на уровень безопасности «2».

ОКБМ пишет, что «Стратегия развития атомной энергетики России предусматривает сооружение головной АЭС ГТ-МГР и установки по производству топлива для неё на Сибирском химическом комбинате (Северск, Томской области) к 2010 году, а к 2012-2015 годам — создание и ввод в эксплуатацию первой четырёхмодульной АЭС ГТ-МГР».

Схема циркуляции гелия (иллюстрация с сайта gt-mhr.ga.com).

Американцы же, в свою очередь сообщают интересные подробности: поскольку ГТ-МГР может потреблять не только уран, но и оружейный плутоний, такие АЭС становятся идеальным устройством по его утилизации, не только безопасной, но ещё и в определённом смысле выгодной. Например, Северск будет (частично, конечно), обеспечивать себя электроэнергией за счёт «сокращаемых» российских боеголовок.

А плутоний, который будут выгружать из реактора после «работы», по своим параметрам — совершенно бесперспективен для гипотетического применения в ядерном оружии, что для мировой безопасности тоже неплохо.

Но и США заинтересованы в проекте – высокий термический КПД связки «гелиевый реактор – замкнутая газовая турбина» – это колоссальная выгода, как в плане экономики, так и сохранности окружающей среды.

Нужно добавить, что тепловая мощность одной такой установки составит 600 мегаватт, а электрическая – 285 мегаватт.

Расчётный же срок службы ГТ-МГР – 60 лет. Успеют к тому времени разработать промышленные реакторы синтеза, или альтернативная энергетика станет действительно массовой?



В Америке появится геотермальная церковь

18 августа 2005

Топливные элементы обогреют британские дома

16 августа 2005

Свалку превратят в источник электроэнергии и автомобильного топлива

12 июля 2005

Британия строит первую в мире безуглеродную электростанцию

1 июля 2005

Построен первый в мире поезд на биогазе

21 июня 2005
  • Евгений Королев  21 февраля, 06:13
    " ОКБМ пишет, что «Стратегия развития атомной энергетики России предусматривает сооружение головной АЭС ГТ-МГР и установки по производству топлива для неё на Сибирском химическом комбинате (Северск, Томской области) к 2010 году, а к 2012-2015 годам — создание и ввод в эксплуатацию первой четырёхмодульной АЭС ГТ-МГР "

    Ну и как ? Соорудили?

    ОтветитьНравится
  • Леонид Попов  21 февраля, 10:33
    Насколько я знаю, пока всё так и остаётся только на бумаге и в макетах. Но работа идёт. Судя по доступной информации в сети, сейчас специалисты заняты проработкой тонких деталей проекта (эскизное проектирование было выполнено давно). Будем надеяться, что хоть с опозданием, но они его построят.
    ОтветитьНравится
  • Евгений Королев  21 февраля, 16:40
    Спасибо Леонид. Всегда интересно проследить за судьбой «прорывных» технологий. К сожалению, громкие заявления редко воплощаются в жизнь.
    Топливные элементы, вот тоже лет 10 назад грозились в ноутбуки и телефоны вставлять, но воз и ныне там.
    ОтветитьНравится
  • Александр Назаров  21 февраля, 11:14
    «Так что даже если весь персонал станции дружно «уйдёт пить пиво», ничего страшного для окружающей природы не случится – температура в сердце АЭС подскочит максимум до 1600 градусов по Цельсию, но активная зона при этом не расплавится.»
    Вот это звчит несколько удивительно — такая огромная температура и ничего не расплавится. Вон в РБМК рабочие температуры не выше 300-400 градусов и вся зона спеклась в Чернобыле.
    А потом какова проектная мощность гелиевого реактора? Ведь это же известный фокус — чем меньше мощность, тем меньше опасность реактора. Вон критсборки нулевой мощности — пожалуйста вам пример реактора 0 уровня безопасности, но зато и выход энергии тоже нулевой.
    ОтветитьНравится
  • Генки Умайоши  21 февраля, 13:41
    Так графит же не плавится...
    ОтветитьНравится
  • Александр Назаров  21 февраля, 13:54
    А в Чернобыле он был голубым от перегрева и горел — у меня есть фото зоны после аварии — она вся пустая — там все выгорело и расплавилось железо топливо — в общем зона сталкера.
    ОтветитьНравится
  • Генки Умайоши  21 февраля, 14:11
    Выгорело -- да. Графит великолепнейшим образом горит на воздухе -- на этом еще англичане погорели в Виндскэйле (простите за нечаянный каламбур). И с водой при больших температурах взаимодействуэт, образуя метан и СО (оттуда и голубоватое пламя). Именно поэтому здесь предлагается гелий в качестве теплоносителя. Опять-таки в Японии (про нее я говорю так часто просто потому, что ситуацию в ядерной отрасли там представляю гораздо лучше, чем где бы то ни было) есть реактор, построеный на такой технологии: HTTR, en.wikipedia.org/wiki/HTTR; другая идея использования реакторов с такой высокой температутой -- прямое производство водорода.
    А вообще высокотемпературные гелиевые реакторы -- это потомки межпланетных ядерных двигателей...
    ОтветитьНравится
  • Александр Назаров  21 февраля, 16:04
    А реактор экспериментальный или промышленный? Какая у него мощность?
    ОтветитьНравится
  • Генки Умайоши  21 февраля, 16:16
    Там по ссылке написано. экспериментальный, 30 МВт тепловой мощности, все уходит в трубу, турбины нет.
    ОтветитьНравится
  • Александр Назаров  21 февраля, 16:27
    Понятно — значит до промышленного образца еще не близко. А на какую мощность вообще ориентируется промышленный образец? Я спрашиваю, потому что плохо понимаю, как можно построить мощный промышленный реактор на гелиевом теплоносителе.
    ОтветитьНравится
  • Генки Умайоши  21 февраля, 16:49
    А что непонятного? Теплоёмкость у гелия большая, тепло будет отводить хорошо. Газовую турбину на выхлоп поставить и горячим гелием крутить *8)))) Отмасштабировать активную зону после того, как технология производства топлива отработана и опробована в маленьком реакторе -- не проблема, нейтронные потоки-то (и, следовательно, тепловые нагрузки) будут такими же. Проблема сейчас, насколько я понимаю, именно в турбинах. Гелий, в силу малости и легкости атомов, а также химической инертности, способен диффундировать почти сквозь что угодно, а гелий при 950 градусах и давлении 400 атмосфер -- просто сквозь что угодно. Не получается сделать для турбины достаточно надежные уплотнения.
    ОтветитьНравится
  • Алексей Феофентов  19 апреля, 00:31
    ничего не получиться, слишком много «не проверенных» технологий.
    1) подшипники ТГ
    2) уплотнение ротора (было ранее отмечено)
    3) не исследовано поведение конструкционных материалов активной зоны на предмет изменения их механических хар-к в процессе эксплуатации
    4) проведение ремонтов оборудования
    ОтветитьНравится