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

И что от микрореактора мы будем иметь?

Андрей Виноградов, к.т.н., гл. конструктор проектов  

В первую очередь за счет меньшей загрузки урана в активной зоне масса установки будет весить не более 1-2 тонн, т.е. более чем в 10 раз легче, чем существующие атомные микро реакторы с критической загрузкой урана. А кто будет делать рабочий проект, и изготавливать микрореакторы?

Недавний доклад Центра макроэкономического анализа (ЦМАКП) ставит диагноз [6]:  полный цикл научно-технологического воспроизводства в России сломан.  Его авторы вынесли приговор: если немедленно ничего не предпринять — через 8-10 лет страна не сможет создавать даже технологические образцы.  Это не прогноз.  Это отсчет последних минут. 

Чтобы понять глубину провала, не нужно далеко ходить. Достаточно вспомнить недавнюю историю.             Авиация.  Когда-то «Аэрофлот» был крупнейшим в мире покупателем «Боингов». Нам объясняли: это выгодно, это надежно, это рыночно. Не надо нам строить свои самолеты — все равно не умеем и не научимся, купим готовые. Пока закупали, тихо умирали собственные компетенции в авионике,

Микроэлектроника. Здесь риторика была особенно откровенной. «Производство чипов — это грязное и дорогое дело для стран третьего мира», — уверял Чубайс.

«Себестоимость будет космической, а тиражи — мизерные. Гораздо умнее покупать у TSMC в Тайване или у Samsung». Логика «экономической целесообразности» убила не просто заводы — она убила целые научные школы в области фотолитографии, легирования полупроводников, создания подложек.

И аналогично в других отраслях промышленности.

В этом и был корень стратегической ошибки. Мы не покупали технологии — мы покупали время и спокойствие, отказываясь от суверенитета в обмен на краткосрочную ренту. Фундаментальная наука, которую еще как-то кормил бюджет, существовала в параллельной вселенной. Ее разработки упирались в стену: «Внедрять? Зачем, если в Китае уже есть готовое и дешевое?» Так был разорван инновационный цикл. Государство финансировало вход (исследования), а выход (массовое промышленное применение) обеспечивал глобальный рынок. Мы жили в режиме технологического паразитизма,  выдавая единичные лабораторные прорывы за успех системы.

И вот система дала сбой. Внешний контур отключили и ввели санкции. И выяснилось, что «определенные заделы», о которых скупо сказал Путин на январском совещании по электронике, — это не фундамент для рывка, а жалкие останки былого могущества. Тратить 1% ВВП на НИОКР (вдвое меньше, чем в развитых странах), и при этом иметь один из худших в мире показателей по трансформации этих затрат в высокотехнологичный экспорт — это не показатель бедности. Это показатель неработающей, системно разорванной экономической модели производства у себя дома.. Говоря простым языком — провал всей государственной технологической политики и научной независимости России последних десятилетий.

Неужели Росатом собирается закупать  микрореакторы за рубежом? Может быть, микрореактор eVinci над которым работает американская энергетическая компания Westinghouse Electric [7,8]. Этот реактор же неподъёмная бочка. Да и такой плохой микрореактор не продадут России? Похоже, в верхах наконец-то осознали и запаниковали. У России осталось десять лет на технологическую революцию [6].

В первой части статьи атомному микрореактору с загрузкой урана меньше критической дано условное название «Реактор с впрыском нейронов» (РВН). У нас на кафедре Н.А.Доллежаля в МВТУ им.Баумана была подкритическая сборка -  «блины». Работал на ней с.н.с. Александр (а может быть и не Александр, забыл) Гусев. Если ввести в центральный канал источник нейтронов, то «блины» нагревались, а после того как источник нейтронов вытаскивали, «блины» остывали. Это было 50 лет тому назад (1972 год). Почему то тогда у меня не родилась идея создать подкритичный атомный реактор. Я это пишу к тому, что идея должна созреть. Подкритичный реактор это и есть сегодняшний РВН.

Продолжение: РВН для подводных аппаратов

Для подводных аппаратов конструкция РВН приобретает черты «Атомного двигателя Виноградова», поскольку для привода водяного движителя нужен вал. Высокого к.п.д. можно добиться в одноконтурной системе охлаждения АЗ  газовым теплоносителем (рабочим телом для турбины) с циклом Брайтона S-CO2 со следующими параметрами: 

1. Критическая точка: температура 31,1 ⁰С, давление 7,38 МПа, плотность 460 кг/м³.

2. Температура рабочего тела на выходе из АЗ около 1000 ⁰С.

3. Параметры рабочего тела (сверхкритика СО₂) на входе в турбину:

            - перед турбиной давление 20,0 МПа и температура 800-1000 ⁰С;

            - после турбины давление 7,5 МПа и температура от 350 до 400 ⁰С.

4. Температура рабочего тела перед компрессором от 35 до 80 ⁰С (зависит от температуры окружающей воды).

5. Тепловая мощность АЗ 10 МВт.

6. Мощность на валу 5-6 МВт.

Теплообменник на выхлопе турбины через цилиндрическую стенку корпуса с ребрами должен сбрасывать в окружающую среду (воду) тепла у отработанного рабочего тела столько, сколько потребуется для его охлаждения до температуры 35 до 80 ⁰С. При этих параметрах к.п.д. (термическая эффективность) турбинного цикла будет около 60%, см. рис. 1, на котором приведено сравнение известных термодинамических циклов.

При такой относительно низкой температуре около 800 ⁰С в середине АЗ наиболее подходящее техническое решение это разместить на одном валу, проходящем через АЗ, компрессор и турбину, соответственно, на входе и выходе из АЗ, см. рис. 2. Вариант компоновки «коромысло» не обеспечивал компактность силовой установки для торпеды или подводной лодки. Выход вала из корпуса АЗ надо сделать со стороны компрессора, что обеспечит белее холодную температуру для сальника и подшипника.  

Рис. 1. Красным крестом отмечено наибольший к.п.д. для S-CO2, direct cycle - 2012.

Источник: Nucl Eng Technol 47 (2015) 647 -661.

Рис. 2. Схема атомного двигателя с РВН для водометного движителя.Авт.

Где: 1 - корпус атомного двигателя; 2 - вал турбины и компрессора; 3 - сальник; 4 - подшипник опорный; 5 - генератор холодных нейтронов; 6 - трубка выхода холодных нейтронов в поток рабочего тела; 7 - трубка подача рабочего тела в генератор нейтронов; 8 - компрессор; 9 - активная зона атомного реактора; 10 - турбина; 11 - подшипник опорный горячий; 12 - ребра охлаждения корпуса - теплообменника для сброса тепла в окружающую среду.

            По сути, это одноконтурный газоохлаждаемый атомный реактор, в качестве теплоносителя, он же рабочее тело для турбины и компрессора, использован углекислый газ с добавлением свободных электронов, т.е. ионномодифицированный теплоноситель. Этим же теплоносителем производится доставка холодных нейтронов в АЗ из нескольких генераторов холодных нейтронов, количество которых определяется необходимым потоком нейтронов в АЗ для выработки заданной мощности. В нашем случае для выработки 10 МВт тепла. Так,  например,  для  получения 1 МВт/сут расходуется  всего 1,05  г 235U[3] в атомных реакторах с критической загрузкой.

Об устройстве АЗ из шарового твэла с пленочным металлическим слоем 235U, и с гидродинамически прозрачной оболочкой, обсудим подробно, поскольку технология изготовления и конструкция их кардинальным образом отличается от сегодня применяемых твэлов во всём Мире для водо-водяных, натриевых и свинцовых быстрых реакторов, а также для реакторов с газовым теплоносителем.

Определимся с длиной свободного пробега l  нейтрона в металлическом слое изотопа 235U, с плотностью 1,895·10⁴ кг/м³ ,  см. таблицу в 1-ой части статьи. Длина свободного пробега это расстояние, которое проходит нейтрон в среде, не взаимодействуя с другими частицами (или ядрами). В металлическом уране атомные ядра имеют размеры порядка 10E–12…10 E–13 cм, линейные размеры атомов ~10E – 8 см. В металле ядра расположены плотно к друг другу на уровне диаметров орбит валентных электронов. Поэтому, например, тепловые нейтроны с температурой 300 ⁰К имеют l=2*10^-8 см; холодные нейтроны с температурой 10 ⁰К имеют l=9*10^-8 см. Для захвата нейтрона ядром урана с последующим его делением нужно не менее двух столкновений. Другими словами, толщина слоя делящегося изотопа в твэле с системой впрыска нейтронов не должна на много превышать значение l. Из технологических соображений такую толщину сделать трудно, поэтому примем толщину D1= 0,2 мм. Такой слой металлического 235U можно напылить на внутреннюю поверхность герметичной капсулы шарового твэла, см. рис. 3.  

Такая конструкция твэла при сохранении размера суммарной площади теплоотдачи всех твэлов в АЗ позволяет уменьшить массу ядерного топлива в 12 раз (к примеру, для диаметра герметичной капсулы 15 мм). А это значит, что масса АЗ будет меньше в 12 раз по сравнению с критической массой урана в АЗ для таких же размеров и такой же мощности.

Задачей реализации идеи легкой АЗ является создание такой конструкции шарового твэла, которая, с одной стороны, в активной зоне реактора при плотной засыпке обеспечит малое гидравлическое сопротивление проходящему через неё потоку газового теплоносителя. С другой стороны, позволит увеличить тепловой поток с поверхности герметичной капсулы без превышения предельной допустимой температуры в тонком металлическом слое 235U. Причем, тонкий плёночный слой урана напылён с внутренней стороны герметичной капсулы без зазора (горячие вакуумное напыление), что снижает термическое сопротивление для передачи тепла теплоносителю практически до нуля.

Рис. 3. Шаровой твэл с пленочным слоем урана. Авт.

Где: 1 - дырчатая оболочка для прохода теплоносителя к поверхности теплоотдачи; 2 - теплоноситель; 3 - две обечайки в форме «шляпы с полями», образующие герметичную капсулу для ядерного топлива; 4 - пленочный слой урана; 5 - полость заполненная газом - гелием.

Такая конструкция твэла, в отличие от известных стержневых твэлов, выдерживает значительно большие термические нагрузки. Разогрев происходит практически мгновенно, и при этом, повреждения обечаек герметичной капсулы отсутствуют, поскольку напыленный слой урана малекулярно соединен с молибденовой оболочкой капсулы.

Технический результат снижения массы АЗ достигнут не только плёночным слоем урана, а также тем, что поверх герметичной капсулы с ядерным топливом, с зазором имеется шаровая гидродинамически прозрачная оболочка (ШГПО). В ШГПО имеется сеть отверстий, через которые к поверхности капсулы протекает теплоноситель, отводящий тепло со всех греющих поверхностей герметичных капсул при их плотной засыпке в АЗ. Это обеспечивает маленькое гидродинамическое сопротивление прокачки теплоносителя через АЗ.

Из изложенного материала ясна идея микрореактора, а детали, которые не раскрыты в статье, легко додумают знающие инженеры. И, как всегда, есть «белые пятна» науки. В частности, отсутствуют данные о скольжении холодного нейтрона относительно молекул газа теплоносителя в потоке. Нет данных о скорости разогрева ионномодифицированного теплоносителя (за счет наличия свободных электронов) при прохождении АЗ с плотной засыпкой шаровыми твэлами. Нет данных о групповом поведении в потоке газа нейтронов и электронов. И ещё с десяток других «белых пятен». При выполнении проекта микрореактора эти «белые пятна» требуется устранить, т.е. на основе опытов получить характеристики и расчетные формулы для конструктора.

 

Заключение

Масса атомной силовой установки с РВН, например для торпеды, может быть уменьшена почти в 10 раз.

«В ядерной отрасли безопасность должна быть на самом первом месте, впереди политических и других интересов. Очень плохо, что сейчас Еврокомиссия на идеологической основе хочет ввести ограничения на российское топливо только потому, что оно из России» - Жолт Харфаш, венгерский эксперт, ведущий блога Atombiztos ("Ядерная безопасность") [9].

Атомный микрореактор в принципе не может быть опасным, в котором АЗ, компрессор и турбина размещены в герметичном прочном корпусе малых размеров, реактор с загрузкой урана меньше критической, в котором нет самоподдерживающейся реакции деления урана, а деление ядер урана с выделением тепла происходит за счет впрыска в АЗ нужного количества нейтронов для выделения требуемого тепла. Такой реактор не может расплавиться в принципе. Этому реактору дано условное название «Реактор с впрыском нейронов» (РВН). В отличие от больших энергетических реакторов, в которых загрузка урана больше критической массы, в которых возможна неконтролируемая цепная реакция деления, т.н. разгон, и возможно расплавление АЗ за счет кризиса теплоотдачи, в РВН таких процессов произойти никак не может.

Продолжение в отношении РВН следует:

В последующей статьи будет изложена идея создания РВН для микро-АЭС, работающей в любом климате, с температурой окружающего воздуха от минус 60 до плюс 85 ⁰С, прототипом которой явилась идея, изложенная на сайте ПРоАтом 05.10.2023 г. в моей статье «Жаркая ядерная батарейка» - мини-АЭС для жаркого климата. «Жаркая  ядерная  батарейка»  это  мини-АЭС  для жаркого климата, например, для пустыни Сахара в Африке. Для такой мини-АЭС не нужна вода для охлаждения, не требуется обслуга, и т.п. На настоящий момент прочтений статьи «Жаркая ядерная батарейка» 15100, это своеобразный рекорд для сайта,  см. архив за 2023 год на  ПРоАтом. Но в ГК «Росатом» никто этим не занимается, нет спецов, которые имеют знания в конструировании реакторов с чистого листа. А вот в Китае видимо делают аналогичные проекты мини-АЭС для освоения Африки.

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Г.Д. Смит. Атомная энергия для военных целей. Официальный отчет о разработке атомной бомбы под наблюдением правительства США (перевод с английского). Москва, 1946 г.

2. Деление изотопов урана 238U 235U и 233U нейтронами. Сайт «Об Атоме просто». 11 марта 2025.

3. Глава 15. ЯДЕРНОЕ ОРУЖИЕ. 15.1 Деление урана. 15.1.1 Деление атомных ядер.

4. Эффективное сечение, сечение захвата и деления. Уран-235, 238 и плутоний-239.pdf.

5. «Атомный двигатель Виноградова», ПроАтом [03/09/2019],

 http://proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=8761

6. Похоже, в верхах, наконец, осознали и запаниковали: У России осталось десять лет на технологическую революцию. url=(0032)https://cont.ws/@sam8807/3200954

7. Westinghouse готова к массовому производству атомных микрореакторов ...

3dnews.ru›1111579/westinghouse-zavershaet-…

8. Westinghouse Electric выполнила операции, необходимые для начала массового производства передовых атомных микрореакторов eVinci.

9. Эксперт Харфаш призвал не вести политические игры с ядерной энергетикой

По мнению ведущего блога Atombiztos, запрет ЕС на ядерное топливо из России создаст угрозу безопасности всей Европы. Редакция сайта ТАСС.