PRoAtom - Ещё раз о «естественной безопасности»

В.В.Орлов, доктор физ-мат наук, лауреат Ленинской премии

И.С.Слесарев, доктор физ-мат наук

Ю.С.Хомяков, доктор физ-мат наук

Предложенная 25 апреля 2014 г. читателям журнала «Атомная стратегия» и сайта Proatom.ru статья А.Ю.Гагаринского «Что же такое «естественная безопасность» претендует на аргументированную критику научно-технических идей «Прорыва», но по существу является «коктейлем Молотова» из слабо аргументированных сентенций против самой постановки и реализации «прорывных» проектов.

Не углубляясь в словесную перепалку, попробуем разобраться в представленных аргументах по существу. Основная критика пришлась на использование самого понятия «естественная безопасность - ЕСБ».

Как известно, практически любая инновационная технология вносит свои риски в жизнь общества. Не удалось избежать этого и появившейся в середине прошлого века ядерной энерготехнологии, часть рисков которой носит значимый, принципиальный характер и от которых не удастся отмахнуться ссылками на невежество населения. Устранение значимых рисков должно стать делом чести самого ядерного сообщества.

К таким значимым рискам и современным вызовам, определяющим в том числе и дальнейшую судьбу самой ЯЭ, могут быть отнесены в первую очередь:

·          Реальная социально-экологическая опасность и экономическая неприемлемость тяжелых аварий катастрофического характера с трудно предсказуемыми последствиями,
·         Опасность распространения ядерных оружейных материалов,
·         Угрозы, связанные с долгоживущими радиотоксичными отходами,
·         Угрозы потерь больших капитальных затрат, сверхдорогого инвестирования строительства АЭС и предприятий топливного цикла на фоне ограниченной емкости страхового рынка и возможных экономических кризисов/ рецессий,
·         « Надвигающееся» истощение экономически приемлемых топливных ресурсов, грозящее самому существованию ЯЭ.

От А.Ю.Гагаринского ускользнула (предвзято или из-за недопонимания) сверхзадача проекта Прорыв – нацеленность на устранение одновременно всех перечисленных значимых рисков или их значительное уменьшение до ординарного приемлемого уровня. Вместо этого была выбрана такая тактика оппонирования этому проекту, когда сверхзадача Прорыва была А.Ю. Гагаринским размыта и расщеплена на компоненты в попытке доказать, что пропоненты традиционных (тепловых) реакторов тоже не спят и предпринимают возможные, хотя сильно ограниченные изначальным выбором концепций реакторов, усилия по совершенствованию ЯЭ. Тогда, по замыслу автора статьи, удастся показать, что проект Прорыв, отличаясь лишь в деталях от других проектов, не сможет внести принципиальных улучшений в ЯЭ.

Вернемся к рассмотрению этих потенциалов по каждому из рисков.

1. По поводу главной «священной коровы» понятия ЕСБ – «доказательства возможности ограничения запаса реактивности с учетом неопределенностей величиной β_eff (эффективная доля запаздывающих нейтронов)», уместно заметить следующее.

Главным требованием Прорыва в отношении повышения безопасности АЭС действительно является "исключение аварий, требующих эвакуации, а тем более отселения населения, а также выводящих из хозяйственного использования значительные территории". Критерием истины здесь является подтверждение отсутствия катастрофических последствий при воздействии всех технически возможных инициаторов аварий внутреннего и внешнего происхождения, за исключением экстремальных природных (Тунгусский метеорит) или военных (ядерная бомбардировка) катаклизмов. Такое требование должно быть выполнено, прежде всего, за счет природных (естественных) свойств и закономерностей, присущих инновационным ядерным технологиям.

Действительно, ограничение запаса реактивности в системе компенсации является важнейшим требованием реализации ЕСБ, так как ограничивает быстрые и опасные всплески мощности реактора, а также опасный рост температур в случае мгновенного ввода этого запаса. Максимально допустимая величина запаса определяется, исходя из анализа наиболее опасных, но потенциально возможных аварийных сценариев.

Из-за технического разнообразия сценариев аварийных процессов максимальный запас реактивности не может априорно и точно быть представлен одним, заведомо известным значением. Для предотвращения опасного развития быстрых процессов в РУ с теплопроводным топливом, высококипящим теплоносителем и работающей в равновесном топливном режиме это значение должно находиться ориентировочно в пределах β_eff. Уточненное же значение запаса для одновременно всех технически возможных сценариев должно быть получено и обосновано на стадии Технического проекта конкретной РУ.

Вопрос о достижимости ЕСБ (особенно в отношении реактивностных аварий) НЕ МОЖЕТ БЫТЬ ПОСТАВЛЕН ПОД СОМНЕНИЕ рассуждениями о неопределенностях: при надлежащем выборе допустимой величины запасенной реактивности наиболее опасные, а затем и остальные важные в определениях ЕСБ аварии могут быть гарантированно устранены за счет «внутреннего иммунитета» к тяжелым авариям.

Остается вопрос можно ли подобрать «кривую реактивности» так, чтобы она оставалась внутри «коридора» допустимого запаса?

Это зависит от потенциала реакторной концепции и под силу далеко не всем типам реакторов. В этом и состоит одно из радикальных предложений проекта: использовать естественные свойства «равновесных» режимов с их уникальной стабилизацией реактивности по кампании. Для быстрых реакторов с плотным топливом ответ положителен, поскольку такие реакторы могут оперировать двумя взаимно-компенсирующими процессами изменения реактивности по кампании – «управляемым» бридингом в активной зоне, настраиваемым на желаемую скорость роста реактивности, и противопоставленным ему отравлением реактора, снижающим реактивность. Такое естественное качество является одной из важных компонент иммунитета к тяжелым авариям.

Уникальное свойство реакторов типа БРЕСТ (с КВА близким к 1), в которых воспроизводство в активной зоне полностью компенсирует отравление реактора за счет выгорания топлива, приводит к отсутствию технологической необходимости в значительных запасах реактивности. Оно является безусловным и принципиальным преимуществом такого типа реакторов, которое невозможно опровергнуть.

Для переходного режима нужна правильная стратегия по учету изменяющегося изотопного состава плутония и настройки активной зоны, но это также теоретически решенная задача. Остается только проблема ее экспериментального обоснования и учета имеющихся неопределенностей расчетных данных. Совершенно очевидно, что с момента физического пуска и реальной работы первого энергоблока в течение первых микрокампаний расчетные неопределенности исключаются за счет полученных реальных экспериментальных данных. Таким образом, в рамках проекта «Прорыв» достижение и демонстрация возможности работы реактора с ограничением по запасу реактивности, включая необходимые для ее достижения работы по снижению неопределенностей, рассматриваются как ключевая.

Итак, апелляция к невозможности удовлетворения требованиям ТЗ» по ограничению запаса реактивности с учетом неопределенностей является отвлекающим маневром потому, что
· требование к величине запаса жестко не привязано к β_eff и это не является постулатом,
· настройка оптимального (почти стабильного) поведения реактивности может быть произведена по результатам первых кампаний реакторов с ЕСБ.
Тогда следует признать, что принципиальный вывод (далее цитата)
«можно констатировать, что эксплуатировавшийся многие годы едва ли не главный постулат «естественной безопасности» не выдерживает научной проверки»
употреблен всуе и сбивает читателя с толку.

2.      Удивляет, почему требование о «технологическом усилении режима нераспространения» вызывает недоумение? Такое требование существует в мировой практике, обсуждается давно и постоянно (о чем свидетельствуют нерешенные геополитические проблемы с энергетикой Ирана, Сев. Кореи и теперь – Украины). Утверждение, что таких проблем нет для России, является неприкрытым лукавством. Встречный вопрос: а что в России нет проблем с угрозами терроризма?

Для большинства реакторов на тепловых нейтронах отказ от обогащения и до-обогащения равнозначен отказу от таких реакторов. Не является ли это острым раздражителем для пропонентов «двухкомпонентной» структуры ЯЭ?

3.      Ненужность сдерживания роста радиотоксичности отходов ЯЭ, обзываемой «трюком», иллюстрируется фактом и без того «огромной природной радиоактивности планеты» благодаря присутствию К⁴⁰. Но когда людям предлагается сверхдолгое хранение рукотворных опасных радиоактивных и токсичных отходов недалеко от их «огородов», то они не склонны радоваться по поводу постепенного распада изотопа К⁴⁰ в планетарных масштабах. Они склонны скорее отказаться от услуг такой подозрительно опасной энергетики, «век» которой к тому же прогнозируется неприемлемо коротким еще и из-за ограниченных экономически приемлемых запасов топлива.

Отсутствие интереса к тезису о «радиационно-эквивалентном захоронении» могла бы остаться и частным мнением автора статьи, если бы такой тезис был бы утопичен. Обсуждаемая идея, будучи непосильной для традиционной энергетики, в скором будущем «вполне по зубам» реакторам типа БРЕСТ, как обладающим достаточным нейтронным потенциалом. Возможность ее реализации путем совершенствования технологий разделения, посредством трансмутации остаточных актинидов, токсичных продуктов деления и т.п. в отражателях быстрых реакторов, использования приемлемого промежуточного хранения, давно обсуждалась и находится в стадии практической проверки.

4.      Тезисы об ограниченных экономически приемлемых долгосрочных топливных резервах, так же как и об экономической конкурентоспособности не нуждаются в подробных комментариях и выражены в тренде на неотвратимость перехода к быстрым реакторам как к основному типу установок с ядерной энергогенерацией.

По сути дела, А.Ю.Гагаринский выступил в роли адвоката консервативной части ядерного сообщества, давно пропагандирующей «двухкомпонентную» структуру ЯЭ, где основную роль в энергопроизводстве отводится парку тепловых реакторов, а проблемы топливоснабжения для них призван решить приспособленный для такой задачи парк традиционных быстрых реакторов с избыточным бридингом. Однако в этом случае парк тепловых реакторов изначально не способен устранить или радикально снизить большинство значимых рисков, а парк быстрых реакторов (из-за необходимости существенно расширенного воспроизводства топлива) теряет возможность приобрести естественную безопасность и, в первую очередь, по отношению к тяжелым авариям и угрозам распространения делящихся материалов. Значит, вся ЯЭ при такой структуре не сможет отвечать критериям ЕСБ и обеспечить безусловную ее приемлемость.

Независимость значимых рисков и противоречивость мер по их устранению приводит нас к неизбежному общему выводу о том, что разнообразные «системные» и структурные построения, часто предлагаемые в стратегиях развития ЯЭ, не могут радикально изменить уровень угроз для общества. Это означает, что предложения по выбору «чудодейственных» симбиозных структур будущей ЯЭ ничего не меняют по существу дела.

В отличие от этого, проект Прорыв и реализация ЕСБ открывает радикальный путь инновационного развития ЯЭ без значимых рисков.

В заключение еще раз вернемся к определению инновационной ядерной энергетики, принятой в проекте Прорыв. Будем называть «естественно - безопасной» такую ядерную энергетику, которая освобождена от перечисленных выше значимых рисков. При этом ЕСБ предусматривает введение градаций естественной безопасности с несколькими уровнями по каждому из значимых рисков.

Исключение всех значимых рисков может быть достигнуто на основе быстрых реакторов инновационного типа за счет:
- целенаправленного конструирования «иммунитета» к значимым рискам,
- последовательного улучшения нейтроники,
- использования плотного топлива,
- реализации равновесного замкнутого топливного цикла с добавлением лишь урана-238.

Подчеркнем, что
·       действительно, такая сверхзадача является сложной, но решаемой отраслью посредством проекта Прорыв, который закрепляет лидируюшие позиции в ЯЭ, занятые Советским Союзом в 70 годы строительством и успешной эксплуатацией быстрых реакторов БН-350 и БН-600,
·       действительно и то, что реальным средством ее решения является пока только исполнение проекта Прорыв, но его успех придаст важный импульс в деле радикального повышения привлекательности ЯЭ во всём мире и обеспечения энергетической безопасности страны на долгие годы,
·       в статье не содержится научных аргументов для серьезных сомнений ни в целеполагании проекта, ни в его осуществимости.

Уважаемые читатели и А.Ю.Гагаринский, спасибо за предоставленный набор сомнений и скептицизма относительно Прорыва, но лучшим вкладом в развитие ЯЭ является Ваши конкретные и неангажированные предложения по его развитию и совершенствованию.