Вышла в свет книга Б.И.Нигматулина и В.А.Пивоварова «Реакторы с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем. История трагедии и фарса». Подробнее 

 Профессор Б.Г. Гордон (gordon@secnrs.ru) 

Эта статья написана специально для участия в конкурсе «Свобода мнений», организованном редакцией Проатома 20.02.2025г. А так как условия конкурса вполне либеральны, то и я счёл возможным написать её вольным стилем в виде собранья «пёстрых глав».

Впервые с проектом БРЕСТа меня познакомил в середине 1990-х годов один из самых ярких «атомных» директоров тех лет. Я был, сравнительно, недавно назначен директором НТЦ ЯРБ и только нащупывал связи и различия между обеспечением и регулированием безопасности, формировал собственные представления об атомной энергетике и размышлял над перспективами её развития. Именно в этот период возникло понимание, что, хотя в социальной жизни революций следует, по возможности, избегать, науки и технологии, чаще всего, развиваются революционно, скачками. 

Результаты этих рефлексий были опубликованы в многочисленных статьях и докладах тех лет, а их итоговый вариант можно найти в книге /1/. Я отдавал себе отчёт, что моих знаний недостаточно для предложения каких-то новых конструкций реакторов, но был убеждён в необходимости поиска таких ядерных энергоустановок, которые были бы основаны на обязательном приоритете безопасности и исключении аварий, подобных Чернобыльской.

Я исходил из того очевидного факта, что первые реакторы сооружались для военных целей, а потом уже их приспосабливали для мирного использования. Человечество с переменным успехом применяло конверсию для стимулирования своего развития. Многое из оборонной сферы перекочевало в гражданскую промышленность, но наибольшего успеха добивались там, где с самого начала продукция предназначалась во благо человека. Так, например,  первые компьютерные сети создавались в военных лабораториях, а они превратились в интернет и широко распространились, когда стали доступны обычным людям.

 Конструкции и ВВЭРов, и РБМК также несут черты военных прототипов, а реакторы для энергетики следовало бы конструировать так, чтобы главным приоритетом было практическое исключение тяжёлых аварий за счёт собственных свойств самозащищённости. Впоследствии я сформулировал это следующим образом: практическое исключение ядерных аварий состоит в разработке таких реакторов, срок службы всей совокупности которых был бы много меньше времени вероятного наступления аварии.

Так вот БРЕСТ и был задуман профессором В.В.Орловым специально для широкого распространения в атомной энергетике, исходя из похожих интенций так, чтобы оправдывалось его название: «Быстрый реактор с естественной безопасностью». Оставим в стороне терминологическую полемику о «естественной безопасности», но после Чернобыльской аварии многие  стали понимать, что огромная концентрация энергии требует каких-то иных инновационных решений, главным приоритетом которых было бы исключение тяжёлых аварии. Впоследствии в своих работах я неоднократно приводил конструкцию БРЕСТа как пример нового подхода к разработке практически безопасных реакторов нового поколения. С самим же Виктором Владимировичем у меня сложились тёплые человеческие отношения и всякий раз, бывая в офисе НИКИЭТа, я заходил к нему поболтать и покурить.

 

2. Участие в экспертизе

Где-то в 2002г. меня пригласили участвовать в экспертизе, как мне помнится, технического проекта БРЕСТа, которую было поручено организовать ОКБМ. Для этого было образовано более десятка экспертных групп из многочисленных специалистов отрасли по разным научным направлениям и были созданы весьма комфортные условия для глубокого ознакомления с проектом. Меня включили в группу теплофизических экспериментальных обоснований вместе с такими известными специалистами, как В.П. Спассков из ОКБ «Гидропресс и А.Я. Крамеров из РНЦ КИ. В нашу группу входил ещё один профессор из ОКБМ, фамилию которого уже не помню.

Благодаря пространственной близости к НИКИЭТу мне доверили писать первоначальный черновик экспертного заключения, а коллеги дополняли его своими замечаниями и предложениями, так что окончательный вариант заключения был принят единогласно. Одним из главных выводов нашего квартета было утверждение в недостаточности экспериментальных обоснований работоспособности и безопасности реакторной установки, а основная рекомендация состояла в необходимости  создания крупномасштабного экспериментального стенда мощностью 1-2 МВт, структурно подобного реакторной установке, для воспроизведения и изучения теплофизических и физико-химических процессов при эксплуатационных и аварийных режимах.

К слову сказать, в книге /1/ я продемонстрировал влияние чернобыльской аварии на изменение отношения подавляющего числа специалистов к обоснованию и обеспечению безопасности.  Соответственно, пересматривались мнения об объёме экспериментальных исследований и о необходимости сооружения  подобных  стендов.  Так, в дочернобыльский период  В.П. Спассков был одним из ярых моих оппонентов, противников сооружения крупномасштабной  модели АС с ВВЭР (КММ ВВЭР) в ВТИ, а А.Я.Крамеров тогда же утверждал, что для обоснований РБМК подобные модели не нужны, так как уже накоплен достаточный опыт эксплуатации самих реакторных установок.

Мы же тогда в своём заключении исходили из того, что научных знаний по обращению с теплоносителем было явно недостаточно. Расплавленный свинец весьма агрессивен для различных конструкционных материалов, а образование всякого рода защитных пленок на их поверхностях, как впрочем, химическая подготовка и очистка жидкого свинца,  существенно зависят от теплофизических и гидродинамических параметров теплоносителя при различных режимах.

Я могу ошибаться, но мне кажется, что тогда рассматривалась какая-то другая конфигурация реакторной установки, отличавшаяся от нынешней, бассейновой. Но в любом случае всё равно внутри реактора существовали неравномерные поля температур, скоростей, концентраций кислорода, которые создавали разные условия течения жидкого свинца и его взаимодействия с конструкционными материалами. Эти режимы и следовало бы в первую очередь воспроизводить и изучать на структурно-подобной установке как в эксплуатационных, так и в аварийных условиях. Особую роль могло играть поле концентраций кислорода в теплоносителе, от которого существенно зависели тип, темпы и интенсивность коррозионных процессов. Очевидно, что они по-разному протекают в тракте теплоносителя, в застойных зонах и других элементах конструкции. 

Разумеется, наряду с такой установкой, по нашему мнению, необходимо было бы  сооружать специальные экспериментальные стенды для исследования отдельных локальных процессов, происходящих в разных элементах реакторной установки.  То есть следовало бы создать полноценную экспериментальную базу, комплекс стендов для обоснования работоспособности и безопасности нового типа реакторов, подобную той, что была к тому времени создана для обоснования ВВЭР и, может быть, в меньшей степени,  – РБМК.

Конечно, я понимал, что  каждый из моих коллег при проведении экспертизы мог преследовать собственные цели, иметь отдельные корпоративные и научные интересы,  но данные рекомендации вытекали из моего опыта теплофизика, экспериментатора и казались мне обоснованными и необходимыми. Во всяком случае, несмотря на различие внутренних намерений, наше заключение имело конструктивный характер, было направлено на устранение недостатков обоснований безопасности и предполагало интенсивное продолжение последующих научных работ над проектом.

Впоследствии оказалось, что данная экспертиза проводилась для того, чтобы приостановить все работы по БРЕСТу. А так как я принадлежал к другому ведомству, то меня никто об этом не информировал, так что никакие ведомственные интересы надо мной не довлели. Тем не менее, зачастую мне казалось, что эмоциональное отношение некоторых специалистов к этому проекту носило глубоко личный, пристрастный и даже страстный характер. Впоследствии я не раз был свидетелем того, как наливались кровью глаза интеллигентных профессоров Курчатовского института и злобно кривились их губы, когда из них выползало слово «Орловщина».

3. Второе дыхание

В общем, на несколько лет развитие этого проекта, практически, прекратилось, став надомным делом НИКИЭТа, но с приходом следующей генерации руководителей отрасли сооружение опытно-демонстрационного комплекса БРЕСТ прочно укоренилось в планах, на знамёнах и раменах Росатома. Поэтому важные роли начали играть те профессиональные работники отрасли, которые  в качестве советников и помощников активно лоббировали сооружение БРЕСТа.

Надо отдать должное, новое руководство вывело отрасль из возникшего застоя, осовременило методы управления ею, приняло ряд важнейших законодательных актов, привлекло в неё необходимое финансирование, организовав целый ряд федеральных программ  для решения прошлых, насущных и будущих проблем атомной отрасли. По существу, предпринималась попытка чудесным образом, уже с первого раза превратить Золушку в принцессу, то есть, сделать атомную энергетику такой же важной основой значения и благосостояния отрасли, как её военная составляющая. Не случайно в те годы среди разнообразных оценок и мнений нередко можно было услышать заявления о «втором атомном проекте» и «атомном ренессансе».

А так как любому начальству результат своего руководства нужен как можно скорее, то проект БРЕСТ был выбран в качестве первоочередной цели, достижение которой советникам и помощникам казалось наиболее реалистичным. Однако недостатки экспериментальных обоснований работоспособности и безопасности реактора никуда не исчезли. Крупномасштабного стенда, структурно подобного реактору, так до сих пор и не построили. Подчеркну, что процессы, происходившие в водоохлаждаемых реакторах, исследовались в десятках советских институтов длительно и повсеместно, а опыт работы с жидким свинцом имели буквально 3-4 российские организации. Ещё существовавшие в то время пара стендов в ФЭИ и один – в НИКИЭТе никак не могли претендовать на комплекс экспериментальных установок для исследования отдельных физико-химических и теплофизических эффектов.

Более того. У меня сложилось субъективное впечатление, что отдельные учёные, вовлечённые в проект, откровенно побаивались трудностей, связанных с проведением экспериментов с расплавленным свинцом. Поэтому даже имевшиеся установки эксплуатировались весьма эпизодически.

4. Расчётный трэш

В таких условиях в середине 2010-х годов в институтах Росатома и Академии наук был организован целый ряд конференций, семинаров и совещаний, на которых в научную общественность настойчиво внедрялось особое специфическое отношение к расчётным и экспериментальным обоснованиям. Мне довелось участвовать в большинстве из них и у меня сложилось представление, что подспудное назначение этих мероприятий состояло в том, чтобы имплантировать в умы их участников концепцию последовательного отказа от экспериментальных работ по атомной тематике на примере БРЕСТа.

Отборные докладчики  утверждали, что компьютерные средства и расчётные программы развились настолько, что уже не нуждаются в полномасштабных экспериментальных обоснованиях. Из уст весьма влиятельных и авторитетных специалистов зазвучали  мнения, что роль и значение экспериментальных исследований в атомной сфере принципиально изменились: они трудны, дороги и, может быть, вообще излишни. Возможности современной вычислительной математики и компьютерной техники столь велики и разнообразны, что все необходимые обоснования можно выполнить с помощью программных средств, в которых уравнения гидро-и газодинамики решаются, исходя из так называемых «первых принципов».

Следует признать, что возможности компьютерного моделирования различных процессов в ядерных реакторах, действительно, радикально возросли в процессе совершенствования самих компьютеров и расчётных программных средств (ПС). Сначала это были коды наилучшей оценки (Best Estimate Codes), затем CFD коды (Computational Fluid Dynamics – вычислительная гидродинамика)  и, наконец, DNS коды (Direct Numerical Simulation – прямое численное моделирование). Надежды на  всемогущество решений уравнений гидро-и газодинамики из «первых принципов», во многом связаны с появлением этих типов ПС. В частности, не раз доводилось слышать заявления, что применение DNS кодов позволяет отказаться от проведения экспериментов на так называемых интегральных установках, структурно подобных реальным объектам.

В качестве примера приведу тезисы одного из типичных докладов, сохранившихся в моей библиотеке, которые говорят сами за себя. Вот как выглядели этапы программы обоснований безопасности:

«Расчетное обоснование возможности создания условий в свинцовом теплоносителе в конструкции РУ «БРЕСТ-ОД-300», при которых обеспечивается коррозионная стойкость конструкционных сталей  (главным образом барьера безопасности–оболочек ТВЭЛов).

Расчетное обоснование отсутствия в условиях РУ «БРЕСТ-ОД-300» образования шлаковых блокад на поверхностях активной зоны и теплообменного оборудования, способных привести к аварийным ситуациям.

Расчетное обоснование (уточнение) требуемых характеристик технологического оборудования системы технологии теплоносителя (массообменные аппараты, фильтры).

Анализ переходных процессов (в периоды внутриконтурной пассивации сталей и дальнейшей эксплуатации) для определения параметров системы регулирования.

Расчетное обоснование допустимого времени работы с отклонениями от норм кислородного режима при исходных событиях, постулируемых в проекте». 

Бросается в глаза то, что здесь вполне профессионально перечислены характерные, важные и малоизученные физико-химические процессы, которые могут происходить в оборудовании реакторной установки. Но все эти проблемы предполагалось решать сугубо расчётными методами, как бы полностью учитывая всевозможные условия взаимодействия, геометрические условия, краевые эффекты и т.п. 

Разумеется, подобные мнения вполне допустимы в устах специалистов в рамках научной дискуссии, при изложении конкурирующих позиций, в полемическом запале. Но когда такие же суждения хладнокровно высказывались при разработке государственных программ ответственными распорядителями кредитов, от которых не ждали проникновения в специфические механизмы организации науки, то это свидетельствовало о том, что одна из спорных точек зрения стремилась к реализации вне научного процесса, на волне изрядного административного ресурса. Но особенно опасно распространение этой концепции среди молодёжи, стремящейся к новизне, склонной к революционным действиям и ещё не имеющей балласта собственного опыта, который позволял бы сбалансировать разнообразие возможностей.

Участвуя в тех семинарах, я неоднократно высказывал недоумение таким состоянием дел и отстаивал необходимость развития экспериментальных исследований, в первую очередь, для обоснования безопасности сооружаемого реактора. Один из моих оппонентов предположил, что такая моя позиция связана с недостаточной информированностью о состоянии экспериментальных обоснований и благожелательно пригласил посетить экспериментальные стенды в ФЭИ и НИКИЭТ для ознакомления с имеющимися результатами и состоянием дел.

Разумеется, я воспользовался предоставленной возможностью, осмотрел экспериментальные установки в обоих институтах, получил результаты выполненных исследований и побеседовал с научными сотрудниками, проводившими эксперименты. Так как я сам был по преимуществу экспериментатором почтенных лет, то у меня были свои знакомые среди сотрудников  этих институтов, как сейчас говорят, свои инсайдеры. Они непредвзято и достаточно откровенно высказывали свои точки зрения и, как все экспериментаторы во все времена, жаловались на недостаточное внимание и финансирование необходимых работ. Таким образом, мне кажется, что в результате этих бесед у меня сформировалась  вполне объективная картина плачевного состояния научных исследований обосновывавших проект БРЕСТ.

Вместе с тем, я с сожалением вынужден констатировать, что вышеописанная позиция о преимущественном использовании расчётных методов в ущерб экспериментальным постепенно распространяется и растлевает молодёжь. Всё чаще можно видеть диссертации, состоящие из одних расчётных исследований. Всё больше среди членов диссертационных советов тех, кто, получивших свои степени и звания, минуя экспериментальные обоснования. И я могу только зафиксировать масштаб этого процесс, но не остановить его.

5. Зачем нужны эксперименты

Я, действительно, воспринимаю себя «как звено в цепи поколений, без которого цепи нет». В моём возрасте оказаться старомодным легко, труднее отказаться быть модным. Но к этому и не следует стремиться, много важнее старание быть самим собой. Я часто вспоминаю старую притчу-наставление ребе Зуси: «Когда я предстану перед  Всевышним, Он не спросит, почему я не стал Моисеем. Он спросит, стал ли я Зусей». Я принадлежу к старой школе тех, кто полагает, что основное предназначение экспериментов – это испытывать природу, естествоиспытание. И все экспериментальные исследования подразделяются на самостоятельные, цель которых поиски законов природы, и вспомогательные, подтверждающие правильность реализации этих законов в разных условиях и для разных объектов.

Ведь «первые принципы» – это и есть законы природы, сформулированные в виде уравнений с начальными и граничными условиями, и, решая их применительно к какому-то объекту, мы можем описать состояния и поведение этого объекта в разных обстоятельствах. В сложном объекте происходит множество разнообразных процессов, каждый из которых описывается особыми членами в уравнениях. При этом одни процессы следует детализировать, другими можно пренебречь и вспомогательные эксперименты как раз и служат для верификации наших представлений, для установления истинности нашего понимания исследуемых эффектов, насколько правильно сформулированы эти самые «первые принципы». Так что подобный подход позволяет не противопоставлять расчёты экспериментам, а напротив, – оптимальным образом объединять теорию и расчёты с экспериментальными исследованиями.

 Впоследствии я подвёл итоги всем своим рассуждениям, разговорам и анализам в статье /2/, размещённой на сайте Проатом. Главным обстоятельством, на которое я обратил внимание, была сосредоточенность, практически, всех специалистов, с которыми я беседовал, преимущественно на обоснованиях безопасности реакторной установки. На мой взгляд, совершенно было утеряно понимание того, что существует целый веер различных целей, для которых проводятся экспериментальные исследования: изучение эксплуатационных и аварийных процессов, обеспечение работоспособности объекта, оптимизация конструкции и т.д.. Я же в 1980-х годах лет десять был научным руководителем упомянутой КММ ВВЭР и на основании своего опыта теплотехнических исследований был убеждён в том, что различные типы экспериментов необходимы для достижения многих целей, среди которых безопасность объекта даже не является первым приоритетом. Это как среди человеческих инстинктов первостепенным является стремление особи выжить, а потом уже сохранение рода, обеспечение безопасности и проч.  

Одно из возможных объяснений состоит в том, что в области использования атомной энергии сложилась парадоксальная ситуация, когда НИР, направленные на обоснование безопасности, превалируют над всеми остальными целями исследований. Не в последнюю очередь это произошло вследствие активной позиции Ростехнадзора, сыгравшего главную роль в организации системы государственного регулирования безопасности при использовании атомной энергии.  В ней обоснование безопасности является необходимым условием получения лицензии на виды деятельности в то время, как нет законодательно установленных требований к достижению других целей научных исследований.

Ещё одним важным выводом статьи /2/ было утверждение, что именно эксплуатирующая организация, несущая ответственность за обеспечение и обоснование безопасности объекта, должна быть кровно заинтересована в достижении всего состава целей. И, разумеется, все эти исследования должны проводиться как расчётными, так и экспериментальными средствами. Чтобы не получилось так, что, освоив государственные деньги и наплодив на них множество расчётных программ якобы для обоснования безопасности, соответствующие институты умоют руки, оставив эксплуатирующую организацию самой разбираться с объектом, работоспособность которого может оказаться под вопросом.

К сожалению, из размещённой на сайте упомянутой статьи по не зависящим от меня причинам выпали рисунки, один из которых, на мой взгляд, настолько содержателен, что я привожу его ниже.  Он иллюстрирует тот факт, что теория подобия должна очень аккуратно использоваться для адекватного моделирования объектов сложной конфигурации, таких как  активная зона (АЗ), парогенератор и т.п. Прежние эксперименты с жидкими металлами, проводившиеся в ЦКТИ, МЭИ и других организациях, очень ограничено могут использоваться в качестве экспериментальных обоснований нынешних конструкций. Из рисунка очевидно следует, что теплогидравлические условия обтекания модели АЗ могут оказаться совсем иными, чем в реальной АЗ, а значит, «первые принципы», представляющие собой уравнения, описывающие прототип и модель, могут выглядеть по-разному.

 

Рис. Подобие сложных объектов.

При изменении масштаба в модели могут возникнуть новые явления, которых нет в прототипе. Так, экспериментаторам хорошо известен так называемый «масштабный эффект», когда при переходе к уменьшенным размерам даже в простой геометрии большую роль начинают играть пристеночные процессы, условия смачиваемости, неровности, шероховатости, овальность и т.п. В свою очередь, при увеличении размеров в большей степени проявляются такие явления, как неравномерность распределения потоков по сечению, влияние радиальных перетоков, увеличение масштаба турбулентности и т.п. Так что все эксперименты на стержневых сборках, сохраняющих натурные диаметры и расстояния меж осями, по существу являются не моделями, а фрагментами этих реальных АЗ. Подробнее на эту тему я высказался в давней статье /3/.

 Например, некоторые специалисты желали расширить объём экспериментальных исследований за счёт вышеупомянутых давно проведённых экспериментов в ЦКТИ и МЭИ. При этом они основывались на равенстве чисел Прандтля в прототипе и модели, забывая, что это необходимое, но недостаточное условие моделирования. Вместе с ним обязательно должно выдерживаться геометрическое подобие модели и прототипа, в которых математические описания процессов оказываются различны в силу того, что число Прандтля –  один из немногих критериев подобия, куда не входит линейный размер.

Тогда же, выступая на одной из конференций в НИКИЭТе, я предложил следующий сценарий экспериментальных обоснований. Существовавший на московской площадке НИКИЭТ стенд, содержавший 19-и стержневую сборку электрообогреваемых имитаторов твэл, наряду с установками ФЭИ можно было бы использовать для достижения следующих целей:

1.     Изучение эксплуатационных и аварийных процессов.

2.     Обоснование  проектных решений, обеспечивающих работоспособность объекта.

3.     Моделирование и отработка систем контроля, управления и запуска.

 4.   Выбор и проверка натурных средств диагностики, измерения, контроля и автоматики.

 5.   Накопление опыта работы с реальными сталями, жидким свинцом и т. п.    

А на северской площадке было бы целесообразно опережающими темпами сооружать установку, структурно-подобную БРЕСТу, мощностью 1-2 МВт для проведения всего комплекса исследований, в том числе, и для обоснований безопасности. Ведь работники СХК также не имели опыта работы с жидким свинцом, а эксплуатация такой установки позволила бы его получить. Но насколько можно судить по имеющейся литературе, ничего такого сделано не было, а значит, вывод о недостаточности экспериментальных исследований для обоснования БРЕСТа, увы, сохраняется и сейчас.

6. Кода

Высказав в статье /2/ своё мнение, я не рассчитывал опять обращаться к этой тематике.  Но что-то всё-таки чудится и таится в этом проекте БРЕСТа, если уже не одно поколение учёных разных институтов и ведомств воспринимает его столь эмоционально!

Сравнительно недавно я узнал, что ЦКТИ ведёт проектирование экспериментальной установки мощностью около 3МВт для сооружения на северской площадке. Даже не знаю, как к этому относиться, настолько запоздало такое рвение. По-видимому, как всегда, всё решит человеческий фактор: какие силы будут привлечены к работе, насколько креативны они  окажутся, как будут взаимодействовать эксплуатационники с экспериментаторами и т.п.

В заключение мне хотелось бы подчеркнуть, что, хотя я сам не участвовал в  проекте БРЕСТ, но искренно желаю ему успеха, а всем участникам дискуссии – дожить до него. Ведь у нас на глазах уходящая натура постепенно превращается в nature morte, так что этот успех серьёзно подкрепил бы присущую нам  всем веру в чудо.

В нынешних условиях вполне возможно допустить, что защитникам проекта удастся получить все разрешительные документы без дополнительных экспериментальных НИР. А значит, без них всё же придется обойтись, тем более, что для обоснования и реализации, например, стратегии двухкомпонентного развития ядерной энергетики такие исследования также не понадобились. И, тем не менее, я не случайно взялся за описание ретроспективы проекта БРЕСТ, так как перспективы его эксплуатации, как говорится, «темна вода во облацех».

Литература

1.     Гордон Б.Г. Безопасность ядерных объектов, изд. МИФИ, М., 2014.

2.     Гордон Б.Г. Экспериментальные обоснования БРЕСТа, сайт Проатом, ноябрь, 2018.

3.     Гордон Б.Г. Моделирование теплогидравлических процессов на крупномасштабных исследовательских установках. Теплоэнергетика, № 6, 1993.