В мире птиц есть уникумы. Различные страусы, курицы, павлины, эму или киви. Эти птицы летают плохо и неуклюже, а иногда и вообще не могут подняться в воздух, используя крылья только для устрашения противника и во время ухаживаний за самкой.

Это и есть проклятие почти всех сложных природных и инженерных систем — чем сложнее устроена система внутри, тем более она приспособлена к каким-то внешним условиям обитания. Ведь именно приспособленность к внешним условиям среды и двигает вперёд эволюцию природных и инженерных систем — иначе бы мы так и оставались беззаботными и позитивными комочками первобытной слизи в глубинах земного протоокеана.

Но, одновременно, вместе с улучшением приспособленности — всё труднее и труднее становится такой усложняющейся системе согласовать все разнообразные связи, которые возникают уже между различными элементами внутри самой системы.

Так и произошло с нелетающими птицами. Или ты быстро бегаешь — или ты хорошо летаешь. Как в старом мультике про "крылья, ноги и хвост".

Однако, к сожалению, многие считают, что в случае инженерных систем об ограничениях мира можно легко забыть. И что адамантиевая броня, титаниумный корпус, плутониевый реактор, и хрендостаниумный каркас позволяют обойти всё и вся, что ограничивает наш смелый полёт инженерной мысли.

Ну и, конечно же, на выходе процесса у нас получаются они. Шушпанцеры.

Жуткие агрегаты, которые успешно сочетают в себе "гибрид ужа и ежа", но при этом не являются колючей проволокой.

Тяга к шушпанцерам (вундервафлям, мирным советским тракторам и американским бульдозерам) у человечества неистребима, как и поиск "философского камня" и рецепта вечной молодости.

Более того, часто именно очередной удачный шушпанцер и становился зачинателем очередного прорывного технического решения, которое и двигало вперёд какую-нибудь отрасль инженерного дела.

Мало кто знает сейчас, что изначально двигатель Дизеля пытались приспособить для сжигания угольной пыли и измельчённых опилок.
В 1871 году будущий изобретатель дизельного двигателя, Рудольф Дизель едет в Аугсбург, чтобы учиться у профессора Линде, изобретателя современного холодильника. На лекциях Линде Дизеля очаровал термодинамический цикл великого француза Сади Карно, позволяющий обратить в работу до 70 % тепла сжигаемого топлива.

На полях студенческой тетради Дизеля появляется надпись: "Изучить возможность применения изотермы на практике". Эта фраза становится программой всей его жизни. В своей брошюре, вышедшей через несколько лет после окончания учёбы,  Дизель так описывает свою машину-мечту: "сжатие в цилиндре достигает 250 атмосфер, топливом станет угольная пыль, а водяное охлаждение перестанет быть необходимым." Смотря на дизельный двигатель спустя век, нам стоит сказать, что ни один из пунктов этой программы так и не был выполнен.

Однако, несмотря на это, человечество благодаря Дизелю получило в своё распоряжение самый массовый и эффективный поршневой двигатель внутреннего сгорания.

Однако разговор у нас сегодня не о дизеле, а об АЭС.

Ну ведь и в самом деле — надо же попытаться рассказать о современных АЭС как-то так, чтобы читатели не заснули во время этого рассказа и не сказали, что автор сухарь и ботан, который не может доступно рассказать о столь простом агрегате, как АЭС.

Который, на деле, сука, совсем не простой.

В прошлой записи, рассказав о начале реакторной эры, я лишь эскизно обрисовал основные направления развития реакторов, которые во всех странах были заложены ещё во второй половине 1950-х годов.

Надо сказать, что когда говорят о том, что термояд, возникший в то же время "не оправдал возлагавшихся на него надежд", то комментаторы немного кривят душой.

Ядерная энергетика, возникшая чуть раньше термоядерной, оказалась по факту столь же капризной девушкой, как и термоядерный тор. И реакторы, которые в основном сейчас работают в мире, с точки зрения дедушки Сади Карно не то, что родственники — они практически родные братья.

Поэтому мы начнём наш рассказ с самого массового типа современных реакторов — водо-водяных реакторах на лёгкой и на тяжёлой воде.

Вода, как теплоноситель, известна инженерам уже давно. Воду в качестве теплоносителя использовал в своей паровой машине ещё английский изобретатель Томас Ньюкомен, который построил в 1712 году первый действующий паровой водоподъёмник.

Это, по современным меркам, был жуткий шушпанцер, который вместо расширения пара, как в более поздних агрегатах, использовал для подъёма воды силу атмосферного давления, конденсируя водяной пар в цилиндре:

1

В силу того, что паровая машина Ньюкомена работала только в пределе давлений до одной атмосферы (а большего от вакуумной машины и ожидать-то трудно) и пар из котла был вынужден каждый раз нагревать остывший цилиндр, то её КПД составлял просто таки эпические 0,5%. Однако подъёмник Ньюкомена уже мог использовать энергию угля, а не ставить на насос лошадей, которые требовали уже дефицитный тогда овёс.

Совершенствование машины Ньюкомена, однако, потребовало ещё целого полувека ожидания. Вплоть до 1763 года ёжики мучались и ели кактус горняки сыпали и сыпали тонны угля в топки котлов Папена, которые питали насосы Ньюкомена, но никто особо и не задумывался, "как же оно таки работает".

И лишь в 1763 году В Англии появился исследователь, который смог сделать следующий важный шаг в совершенствовании водяного парового цикла. Это был Джеймс Уатт.

Зимой 1763 года  приятель Уатта, профессор физики университета Глазго Джон Андерсон, обратился к нему с просьбой отремонтировать действующий макет паровой машины Ньюкомена, который Андерсон использовал в своей преподавательской деятельности. Уатт на то время занимался тем, что делал и чинил музыкальные инструменты.

Макет Андерсона был оснащен 2-дюймовым цилиндром и имел рабочий ход поршня в 6 дюймов — по факту это была лишь настольная игрушка, которую сейчас часто покупают детям для опытов по физике.

Уатт провел ряд экспериментов с макетом Андерсона, в частности, заменил металлический цилиндр на деревянный, смазанный льняным маслом и высушенный в печи, уменьшил количество поднимаемой за один цикл воды и макет, наконец, заработал. При этом Уатт убедился в неэффективности машины и внёс в конструкцию многочисленные усовершенствования. Уатт показал, что почти три четверти энергии горячего пара тратятся неэффективно: при каждом цикле пар должен нагревать цилиндр, так как перед этим в цилиндр поступала холодная вода, чтобы сконденсировать часть пара для уменьшения давления. Таким образом энергия пара тратилась на постоянный разогрев цилиндра, вместо того, чтобы быть преобразованной в механическую энергию.

Уатт проводит ряд опытов над кипением воды, изучает упругость водяных паров при различных температурах. Теоретические и опытные изыскания приводят к его к пониманию важности скрытой теплоты. Опытным путём он устанавливает, что вода, превращённая в пар, может нагреть до кипения в шесть раз большее количество воды. Уатт приходит к выводу: «…Для того, чтобы сделать совершенную паровую машину, необходимо, чтобы цилиндр был всегда так же горяч, как и входящий в него пар; но, с другой стороны, сгущение пара для образования пустоты должно происходить при температуре не выше 30 градусов Реомюра».

Уатту остаётся сделать один шаг до того, чтобы отделить «сгущение пара» от цилиндра и осуществлять его в отдельном сосуде. Однако на этот шаг у него уходит очень много времени. А если точно — целых шесть лет. В 1765 году ему, наконец, приходит на ум догадка и начинаются попытки воплотить её в жизнь.

Первым значительным усовершенствованием, которое Уатт запатентовал в 1769 году, была изолированная камера для конденсации. В этот же год ему удаётся построить действующую модель, работающую по этому принципу. Вот принцип её работы:

2

Как видите — шесть лет ушло лишь на то, чтобы додуматься, что водяной пар надо конденсировать в отдельном от рабочего цилиндра объёме.

Конечно, глядя сейчас на изобретение Уатта, любой школьник, прошедший курс термодинамики, скажет: "Да конечно же! Элементарно!".

Однако тогда это был поистине революционный прорыв.

Конденсатор Уатта позволил поднять эффективность паровых машин... до 2%. Ну или в четыре раза по сравнению с машинами Нькомена.

Надо сказать, что дальнейшая история, завязанная на персоналию Уатта, могла вполне сложиться совсем иначе. Уже в начале 1770-х годов Уатт получает предложение... от Российской академии наук.

Русское правительство предложило тогда в лице академии английскому инженеру «занятие, сообразное с его вкусом и познаниями» и с ежегодным жалованьем в 1000 фунтов стерлингов.

Однако уже тогда русских жутко не любили в Англии.

Намерение Уатта уехать в Россию вызвало переполох. Поэт Эразм Дарвин, дед создателя теории эволюции Чарльза Дарвина, пишет тогда Уатту: «О Боже, как я был напуган, когда услышал, что русский медведь зацепил Вас своей громадной лапой и тянет в Россию! Умоляю не ездить, если только это возможно… Я надеюсь, что Ваша огненная машина оставит Вас здесь».

Уатт в итоге Россию не поехал и создал, совместно с Мэттью Болтоном всемирно известную потом компанию "Baulton and Watt".

Российской инженерной школе не повезло тогда и ещё один раз.  В 1763 году, задолго до английских опытов с увеличением числа цилиндров, первая в мире двухцилиндровая вакуумная паровая машина была спроектирована механиком И. И. Ползуновым и построена им же в 1764 году для приведения в действие воздуходувных мехов на Барнаульских Колывано-Воскресенских заводах.

Однако, по злому року, сам Ползунов умер от чахотки за неделю до пробного пуска своей машины, по всей видимости, от напряжения постоянной работы над своим революционным механизмом.

В итоге первенство в изготовлении паровых машин всерьёз и надолго захватывают англичане.

К чему же мы пришли после более, чем 300 лет совершенствования паровых машин?

Да, мы по-прежнему кипятим воду. И пусть наши современные агрегаты мощнее машин Ньюкомена, Уатта и Ползунова в миллионы раз, пусть их КПД вырос до невозможных во времена Уатта величин в 40-42%, но мы по прежнему кипятим воду.

И это вызывает всё те же проблемы, которые мучали Уатта и Ньюкомена и которые описал в совём уравнении Сади Карно. И с чем бился всю свою жизнь Рудольф Дизель, пытаясь всячески поднять температуру и степень сжатия для своего двигателя.

Вот это фундаментальное ограничение на КПД любой тепловой машины:

3

Чем выше температура нагревателя, тем выше КПД. Чем ниже температура холодильника, тем выше КПД. Или наоборот.

В 1800 году, путём совершенствования машины Уатта, давления в цилиндрах паровых машин достигало уже 3-3,5 атмосфер. Сейчас это давление рассматривается как очень низкое — давление в современных паровых котлах сейчас в десятки раз выше.

И вот тут мы подходим к интересному факту. Для роста КПД тепловых машин нам надо повышать температуру. Однако, вместе с температурой для воды у нас начинает резко расти и давление.

4

Как видите, температура пара (которая нам, собственно говоря и нужна для КПД) растёт гораздо медленнее, чем давление водяных паров, которое так и норовит разнести нам на кусочки стенки котла.

Поэтому даже суперсовременные так называемые сверхкритические угольные блоки не рискуют запускать в работу при температурах более 600-650 °С. Именно на этой верхней планке сейчас и застыли самые современные угольные электростанции — поднимать давление (и нужную нам температуру!) в водяном цикле выше — уже просто боязно.

Скажу лишь, что при таких давлениях и таких температурах даже высоколегированные стали теряют до 80% своей прочности и каждый следующий десяток градусов вверх даётся современным конструкторам станций с водяным циклом всё труднее и труднее:

5

Каждая марка стали отбирается и испытывается чуть ли не поплавочно, строжайше контролируются химия, структура, процессы прокатки, термообработки и правки готовых труб и листов, сварка производится тоже со всеми предосторожностями и со строжайшим контролем.

Ну и потом — испытания, испытания и ещё раз испытания.  Сотни, тысячи часов испытаний. Или же — годы инженерного труда.

И сейчас вопрос уже стоит отнюдь не в сообразительности или в удаче, как было у мастера музыкальных инструментов Джеймса Уатта. Речь идёт именно о согласовании всех понимаемых, просчитанных и осознанных параметров сложной системы под названием "тепловая электростанция".

Однако, в случае атомных тепловых блоков никто даже и не думает рисковать повреждением какой-то трубы, которая не выдержит давления и температуры водяного пара внутри реактора.

Поэтому первые контура реакторов АЭС работают с водой при гораздо более низких температурах, нежели современные угольные блоки.

Исходя из соображений безопасности температура воды в первом контуре АЭС составляет "детские" 250-350 °С.

Конечно, не времена Джеймса Уатта, но вполне себе середина XIX века по уровню температуры и параметрам давления в котле.

Именно поэтому, как вы понимаете, КПД ядерных реакторов и современных АЭС в целом оказывается гораздо ниже, чем у современных угольных блоков.

Просто дедушка Карно не велит получать больше при такой небольшой разности температур, которая присутствует в современных водо-водяных реакторах АЭС.

А почему водо-водяные, собственно говоря?

Опять-таки, во главе угла у нас не шушпанцер, а безопасность. И поэтому тепло с реактора мы сейчас обычно снимаем не напрямую, а через промежуточный контур.

Как вы уже, наверное, слышали, реакторы у нас имеют первый и второй водяные контуры. Первый контур обычно содержит радиоактивную воду, поскольку постоянно соприкасается с излучающими во все стороны ТВС (тепловыделяющими сборками). Именно он и служит тем промежуточным теплоносителем, который снимает тепло с раскалённой активной зоны реактора.

6

А вот второй контур уже соприкасается только с водой первого контура, которая уже лучит гораздо меньше и практически не выделяет нейтронов распада, которые и наводят радиацию на всё, с чем соприкасаются.

Ведь только нейтроны являются источниками вторичных наводок в теплоносителе и в конструкции — обычные реакции α-распада, β-распада и излучения гамма-лучей никак не изменяют радиоактивность сопредельных материалов. Важен лишь источник нейтронов, а он находится внутри реактора, за щитом надёжной радиационной защиты.

Сейчас водо-водяные реакторы являются основным типов вновь вводимых в эксплуатацию машин. И именно водо-водяные реакторы уже составляют основу современного парка АЭС.

Однако не всегда в прошлом конструктора поступали столь мудро. До момента создания, в том числе и путём испытаний на "грязных" угольных блоках, материалов для корпусов водо-водяных реакторов, приходилось всё время выбирать между радиационной и конструкционной безопасностью. Ведь даже при температурах в 300 °С давление внутри корпуса реактора ВВЭР достигает 160 атмосфер.

Джеймс Уатт, Иван Ползунов, мы идём вперёд!

Именно таким весьма уродливым (но объективно осознанным) компромиссом и были так называемые кипящие водяные реакторы.
В таких реакторах, в отличии от водо-водяных, радиоактивный пар из первого контура реактора идёт прямо в турбину:

7

Давление воды в первом контуре кипящего водяного реактора составляет всего около 70 атм, по сравнению со 160 атмосферами водо-водяного реактора. При этом давлении вода закипает в объёме активной зоны уже при температуре 280 °C, что тоже ниже 350 °С для реакторов типа ВВЭР.

Кипящие реакторы обладают рядом достоинств по сравнению с некипящими, водо-водяными реакторами. В кипящих реакторах корпус работает при более низком давлении, в схеме АЭС нет парогенератора, который в водо-водяных реакторах передаёт тепло из первого контура во второй, а повседневная регулировка такого реактора гораздо проще, чем в случае водо-водяной машины.

Но для устойчивой работы кипящего водяного реактора необходим режим, при котором массовое паросодержание в активной зоне не превышает определённую величину. При больших значениях массового паросодержания работа реактора может быть неустойчивой. Такая неустойчивость объясняется тем, что пар вытесняет воду из активной зоны, а это увеличивает свободный пробег нейтронов до момента замедления. При слишком бурном кипении пробег нейтронов возрастает настолько, что реактор получает отрицательную реактивность и мощность реактора начинает падать. Нейтроны просто "вылетают" из активной зоны, не оказывая никакого влияния на цепную реакцию.

То есть, с одной стороны — кипящие реакторы являются достаточно простыми саморегулируемыми машинами, но, с другой стороны — у них гораздо больше неустойчивых режимов из которых они могут свалиться как в полное "глушение", так и в ситуацию теплового взрыва.

Именно такая несложная регулировка кипящего реактора и простота его конструкции одновременно играет с ним и злую шутку.

Ведь именно к типу кипящих водяных реакторов относился и печально знаменитый реактор РБМК, установленный на Чернобыльской АЭС.

РБМК — это классический кипящий водный реактор, прямой наследник первого курчатовского реактора на Обнинской АЭС. И непонимание того, что лёгкая регулировка кипящего водяного реактора одновременно сопряжена с массой нештатных режимов, персонал станции на кажущейся легкости обращения с реактором бодро загнал его в состояние теплового взрыва.

Кроме того, РБМК в силу малых давлений, характерных для кипящих водяных реакторов, был выполнен вообще по бескорпусной схеме, и в итоге даже взрыв средней силы смог разбросать все его останки по громадной территории.В силу этого основной проблемой позже стало даже не глушение реактора (он остыл уже через неделю), а методичное отскребание графита от битума крыши и цезия от брони мирных бульдозеров.

Кстати, Фукусимская АЭС тоже была оснащена кипящими водяными реакторами — только в их американской версии, называющейся BWR  (Boiling water reactor). Поскольку корпус данного реактора совершенно не рассчитан на высокие давления (напомню, кипящие водяные реакторы никто и не проектировал на давления выше 70 атмосфер и температуры выше 280 °C), то и процесс выброса внутренностей и кишок американского собрата чернобыльского реактора произошёл почти столь же скоропалительно, как и в городе на Припяти.

Ну а роботов и мирных японских тракторов для уборки всего радиоактивного мусора, как и зондер-команды пожарников и ликвидаторов в Японии и вообще не нашлось, несмотря на всю продвинутость страны.

Вот так и происходит проектирование реальных шушпанцеров в реальном мире: хочешь высокого КПД — повышай параметры всех элементов, долго и нудно экспериментируй с материалами. Или же жертвуй системами безопасности и делай простой реактор, который может при нештатной ситуации выкинуть тебе какой-то непонятный фортель.

Поэтому сейчас реакторы на кипящей воде строят уже совсем уж последние нищеброды, а все передовые ядерные державы вовсю шлифуют концепцию водо-водяного реактора, навешивая на него дополнительные системы безопасности и понемногу поднимая температуру в активной зоне.

И вот тут мы подходим к ещё одной интересной особенности наших шушпанцеров.

Реакторы на кипящей воде и на воде под давлением (водо-водяные) обладают совершенно неудачным с точки зрения ядерной физики теплоносителем.

Всё дело в том, что вода в реакторе, кроме того, что радует своим нагревом дедушку Карно и всех нас, ещё и служит (в случае обычной воды) замечательным поглотителем и замедлителем нейтронов.

И с этим надо что-то делать — если мы, конечно, хотим выйти за все ограничения водяного цикла и научиться выращивать топливо в реакторах, как мы выращиваем на грядках огурцы или морковь.

Нам нужен какой-то другой элемент для нашего шушпанцера.

Нам нужна замена воде, которая служила нам верой и правдой со времён Ивана Ползунова и Джеймса Уатта.

Нам нужен Прорыв.

Продолжая разговор о будущем ядерных реакторов, надо снова пояснить ситуацию с современными инженерными подходами.

Часто люди, не вовлечённые в конструкторскую и проектную работу, воспринимают инженерный и конструкторский труд как некую прогулку по магазину с целью купить себе суповой набор, овощей и зелени для приготовления борща.

То есть — конструктор, материаловед или проектант идут себе по справочнику ГОСТов и ТУ, да и берут готовые куски проектируемого изделия из старых разработок. Ну а потом изящным росчерком пера соединяют все эти уже заранее просчитанные элементы в рамках некоего готового изделия.

На деле же проектирование любого сложного изделия (а реактор у нас изделие не просто сложное, а сверхсложное) — это постоянный процесс, вращающийся в рамках извечной "молотилки" проектного подхода: "дизайн-синтез-эксперимент-анализ-дизайн".

Проектная концепция рождается в голове у проектировщика, синтезируется в готовую документацию, документация воплощается в изделие, изделие работает и показывает результат, результат анализируется, сильные стороны усиливаются, а слабые — искореняются, а на основании этого проектная концепция опять перерабатывается.

При этом часто советскую проектную школу ругали именно за это: мол, смотрите — американцы уже летают на "Спейс Шаттлах", а вы всё ещё модернизируете старую королёвскую Р-7.

В то же время — в использовании такого постепенного, рационализаторского подхода нет ничего зазорного. Ведь изобретатель смотрит вперёд, а рационализатор — по сторонам.

При этом подход рационализатора в чём-то гораздо безопаснее. Ведь изобретение — это всегда "сшивка" мысленного дизайна с реальностью жизни. А в жизни, как мы помним, кроме бумаги часто на местности присутствуют и неприятные складки, именуемые оврагами:

И часто, в изобретательском угаре, можно ненароком уйти совсем не туда, откуда потом можно легко вернуться.

Так у нас много раз происходило и в истории проектирования и постройки экспериментальных ядерных реакторов.

Поэтому — посмотрим назад, потом — по сторонам, а потом — и вперёд.

Взглядом хрониста, взглядом рационализатора, взглядом изобретателя.

Сначала я хочу рассказать вам об истории американского реактора на быстрых нейтронах.

Ведь все споры о целесообразности "похода вперёд", которые сейчас сотрясают российское атомное сообщество и порождают мегабайты писем, отчётов, докладов и презентаций, которые должны отстоять преимущественное развитие проекта натриевых реакторов БН, проекта свинцово-висмутового реактора СВБР или проекта свинцового реактора БРЕСТ, уже были в истории развития атомной энергетики.

Но касались они проекта реактора-бридера Клинч Ривер (по английски - The Clinch River Breeder Reactor, сокращенно CRBRP).

Надо сказать, что первый экспериментальный реактор на быстрых нейтронах был создан именно в США.

20 декабря 1951, реактор EBR-I (Experimental Breeder reactor, по русски "экспериментальный реактор-размножитель") в Аргоннской Национальной лаборатории в Айдахо впервые произвёл достаточно электроэнергии для питания четырех ламп накаливания, а уже на следующий день произвёл достаточно энергии, чтобы обеспечить автономное питание всего здания, в котором он и был расположен. Конечно, по современным меркам, это был совершенно "игрушечный" реактор, но эксперименты на нём продолжались вплоть до 1964 года.

Мощность EBR-I составила около 200 кВт, но, в силу его непостоянной работы и ряда аварий (так, например, в 1955 году на нём даже произошло частичное расплавление активной зоны), его так и не подключили к сети. Расплавление активной зоны было вызвано ненадёжной работой выбранного теплоносителя первого контура — эвтектики (смеси) жидкого натрия и жидкого калия, от которой впоследствии отказались.

Вообще, как я уже писал в прошлой статье, вопрос сочетания "надёжности" и "безопасности" с экономикой всегда стоял и стоит на повестке дня при проектировании любого ядерного реактора. И вопрос выбора между смесевым (эвтектическим) и чистым металлическим теплоносителем преследовал и будет преследовать ядерную индустрию. Ведь тут именно что "пока не попробуешь — хрен что узнаешь"

Интересно, что в зависимости от того, что считать "атомной электростанцией", EBR-I вполне может претендовать на это звание — поскольку дал промышленный ток впервые за три года до пуска Обнинской АЭС. Однако первой АЭС, подключенной к сети, стал всё же именно Обнинск.

Поэтому, реактор на быстрых нейтронах вполне может претендовать на звание первого реактора, который, помимо тепла, ещё снабдил нас и электричеством.

Следующее поколение экспериментальных реакторов было представлено в США реактором EBR-II, который вступил в строй в Аргоннской национальной лаборатории в 1964 году и действовал вплоть до 1994 года. Он был разработан уже с прицелом на замкнутый ядерный цикл — при создании EBR-II уже официально декларировалась полная переработка отработанного топлива, выделение остаточного урана и плутония из него и повторное использование этих изотопов на площадке EBR-II.

Однако, как мы помним, именно в этот момент в рассказе о планах у нас обычно и возникают проклятые складки местности.

Ни один из этих декларируемых моментов: полная переработка топлива, выделение плутония и урана из сборок и их повторное использование
— так и не был реализован на производственной площадке EBR-II.

Однако реактор честно отработал 30 лет и выдавал в среднем около 20 МВт мощности, при запланированной по проекту максимальной тепловой мощности в 62,5 МВт. Это полезная мощность реактора вполне обеспечивала большую часть тепловой и электрической энергии для окружающих реактор объектов.

То есть, уже на проекте EBR-II инженеры и конструктора столкнулись с двумя "удачами" цикла и реактора на быстрых нейтронах: задача переработки топлива и задача контроля состояния реактора оказались отнюдь не столь тривиальными, как они казались в самом начале.

Однако, на EBR-II уже в полной мере была отработана технология жидкого металлического теплоносителя, в качестве которого уже выступил хорошо знакомый нам чистый металлический натрий, который заменил оказавшуюся неудачной натрево-калиевую эвтектику.

EBR-II. Эта птица уже не взлетит. Но — летала!

Но, что интересно, на EBR-II, несмотря на его почтенный возраст, была уже полностью проверена система "пассивной безопасности", которая сейчас стоит во главе угла всех новых дизайнов реакторов.

В апреле 1986 года на EBR-II была проведена целая серия тестов на "пассивную безопасность". В первом тесте были полностью отключены главные насосы системы охлаждения первого контура, в то время, как реактор находился на полной тепловой мощности (62,5 МВт).

Не включая аварийных систем охлаждения, персонал станции смог заглушить реактор в течении примерно 300 секунд (5 минут).
Никаких повреждений ядерного топлива или конструкций реактора зафиксировано не было.

Этот тест показал, что даже при потере всей электрической энергии и невозможности остановки реактора с помощью обычных систем, реактор будет полностью заглушен самостоятельно — без опасности или ущерба для окружающей среды и для него самого.

В тот же день, вслед за демонстрацией аварийного глушения реактора без принудительного охлаждения, был проведен ещё один тест.

Реактор снова вывели на полную тепловую мощность, а затем расход теплоносителя (воды) во втором контуре также был принудительно остановлен, вслед за отключением насосов первого (натриевого) контура.

Это испытание тоже ожидаемо привело к повышению температуры, так как сброс тепла из реактора вообще полностью отсутствовал.

Основной системой охлаждения в этот момент стал лишь жидкий натрий и сама конструкция реактора.

Однако за счёт поглощения тепла конструкцией, нагрева и частичного кипения натрия — реактор смог с честью выдержать и это испытание, выйдя в полное охлаждение исключительно на запасах конструкции.

И не спрашивайте меня, что творилось на ЧАЭС через полмесяца после экспериментов на EBR-II. Это для меня находится за пределами добра и зла.

Ибо пускать цикл отработки технологии "дизайн-синтез-эксперимент-анализ-дизайн" на живом, подключенном к сети реакторе, да потом ещё и творчески перерабатывать программу испытаний — это для меня за пределами добра и зла.

Первый в мире коммерческий реактор на быстрых нейтронах LMFBR (Liquid Metal Fast Breeder Reactor, по русски: "Жидкометаллический реактор на быстрых нейтронах") тоже был построен в США, на станции имени Энрико Ферми, в штате Мичиган.
Мощность "Ферми-Один", как назвали этот блок, составила 94 МВт электрической мощности.

Строительство "Ферми-Один" началось даже раньше, нежели постройка прожившего гораздо дольшк EBR-II, ещё в 1956 году, сразу же на волне успехов первых американских бридеров и открытия в СССР станции в Обнинске.

Замах создателей "Ферми-Один", коммерческого консорциума компаний Dow Chemical and Detroit Edison был смелым и революционным. Замахивались не много ни мало — а сразу на создание в ближайшей перспективе целой индустрии атомной генерации электроэнергии, построенной исключительно на реакторах-размножителях на быстрых нейтронах.

Закладка фундамента блока "Ферми-Один" состоялось в 1956 году. Однако, с самого начала стройка блока столкнулась с массой инженерных и конструкторских проблем. Не были отработаны материалы, не было никакой определённости со стойкостью конструкции в мощных потоках высокоэнергетических нейтронов. Сроки сдачи постоянно откладывались и "пальма первенства" первой американской АЭС, которая дала ток на сеть мало-помалу ушла к традиционным реакторам на тепловых нейтронах, первый из которых дал ток в сеть на АЭС Шипингпорт в 1958 году.

"Ферми-Один" же стал неимоверным долгостроем и был введен в эксплуатациютолько в 1963 году, через семь лет после начала строительства.

Однако практически сразу на "Ферми-Один" посыпались недостатки и недочёты конструкции, которые поставили под угрозу само существование реактора. Так, 5 октября 1966 перекачка натрия была заблокирована куском циркония, который оторвался от тепловыделяющей сборки и перекрыл канал для перекачки натрия. В результате локального перегрева полностью расплавились шесть топливных сборок и весь первый контур реактора оказался заражённым радиацией. Ьридер поистине оказался "горячей штучкой".

Сам этот случай стал основой для книги Джон Г. Фуллера с названием "Как мы почти потеряли Детройт".

Сама книга оказалась достаточно скандальной и провокационной, ну а Детройт США таки потеряли. Причём, что характерно, совершенно без помощи реактора-бридера. А скорее — вопреки.

Оторвавшийся кусок циркония смогли удалить из реактора только через полтора года, уже в апреле 1968 года.

Ещё два года занял ремонт повреждённой активной зоны, и АЭС была готова возобновить работу в мае 1970 года, но тут на станции неожиданно возник пожар с натриевым теплоносителем. АЭС решили перезапустить в июле 1970-го года.

Однако, станция так и не была пущена в строй вплоть до августа 1972 года, когда оперирующей компании "Ферми-Один" было окончательно отказано в продлении лицензии на многострадальный блок.

Однако американская бридерная программа не закончилась вместе с "Ферми-Один". Как я сказал — окончательную точку в вопросе американских бридеров поставил именно проект реактора-бридера в Клинч Ривер. Именно The Clinch River Breeder Reactor, сокращенно CRBRP и должен был стать той "взлетающей птицей", которая была призвана вынести бридерную программу США к недостижимым высотам замкнутого ядерного цикла. Впервые о CRBRP начали говорить в 1970-м году, уже на фоне понимания того, что "Ферми-Один" таки "не полетел".

Целью этого проекта была разработка и создание натриевого реактора на быстрых нейтронах, который должен был быть демонстрационным прототипом для следующего класса аналогичных американских реакторов. При этом реактор Клинч-Ривер задумывался как существенный шаг на пути к освоению технологии жидкометаллических быстрых реакторов с целью их коммерческого использования в электроэнергетике. Местом размещения реактора Клинч-Ривер должен был стать участок площадью 6 км2, административно входящий в состав города Оук-Ридж в штате Теннесси. Того самого Оук-Ридж, который был создан "с нуля" в 1940-м году в рамках Манхеттенского проекта и в котором ковались первые тонны плутония и урана для американской военной ядерной программы.

Реактор Клинч-Ривер должен был иметь тепловую мощность 1000 МВт и электрическую мощность в интервале 350-380 МВт. В этом отношении он должен был стать "родным братом" советского реактора-бридера БН-350, который к тому времени уже строился в казахстанском Шевченко (теперь — Актау).

Топливом для реактора должны были стать 198 шестигранных сборок, собранных в форме цилиндра с двумя зонами обогащения топлива.

Внутренняя часть реактора должна была состоять из 108 сборок, содержащих плутоний, обогащенный до 18%. Их должна была окружать внешняя зона, состоящая из 90 сборок с плутонием, обогащенным до 24%. Такая конфигурация должна была обеспечить наилучшие условия для тепловыделения.

Таким образом, замах в случае CRBRP был вообще адским — это должен был быть первый в мире чисто плутониевый реактор-бридер.

8

Впервые проект CRBRP был представлен в 1970 году. В 1971 году президент США Ричард Никсон установил  на эту технологию наивысший приоритет среди научно-исследовательских работ страны. Реально впереди у США замаячил успех, сравнимый если не с Манхеттенским проектом, то уж равный высадке на Луне, так точно.

Однако горделивая птица CRBRP так и не взлетела.

Одной из главных причин такой ситуации была продолжающаяся эскалация стоимости проекта. В 1971 году Комиссия по атомной энергии США установила, что стоимость проекта составит "порядка 400 млн долларов". Частный сектор обещал профинансировать большую часть проекта, выделив под эти нужды около 257 млн долларов.

В последующие годы, однако, на фоне начальных разработок и уточнения цены проекта, стоимость проектирования и постройки CRBRP подпрыгнула до 700 млн.

По состоянию на 1981 год, после одиннадцати лет проектных и конструкторских работ и проведения массы натурных испытаний, на проект CRBRP был потрачен уже миллиард долларов бюджетных средств, при том, что общая стоимость проекта постройки реактора оценивалась уже в 3 – 3,2 млрд долларов, не считая еще одного миллиарда, который был необходим для строительства завода по производству специального плутониевого ядерного топлива.

Кроме того, в ходе рутинной проверки, в 1981 году, комитет Конгресса вскрыл случаи различных злоупотреблений внутри проекта CRBRP (да, да! воруютс!), что еще более утяжелило стоимость проекта и привело к потере доверия к нему.

Перед тем, как принять решение о закрытии, стоимость проекта оценивалась уже в 8 млрд долларов США.

Другой причиной стала высокая стоимость строительства и эксплуатации самого реактора-бридера для производства электричества.

В 1981 году было оценено, что стоимость строительства быстрого реактора будет вдвое больше строительства стандартного легководного реактора такой же мощности. Было также подсчитано, что для того, чтобы бридер мог экономически конкурировать с обычными легководными реакторами, цена урана должна составлять 165 долларов за фунт, в то время как в действительности эта цена находилась тогда лишь на уровне 25 долларов за фунт.

Частные генерирующие компании не пожелали вкладывать деньги в такую рискованную технологию.

Да, сейчас, на уровне вовлечения в отработку запасов урана со стоимостью в 130 и даже в 260 долларов за килограмм, стоимость американского бридера уже не выглядит катастрофой, но тогда это оказалось смертельным приговором для проекта.

Еще одной серьезной причиной для сворачивания программы бридеров стала угроза возможного нарушения режима нераспространения, поскольку в этой технологии происходит наработка плутония, который также может быть использован для производства ядерного оружия. Из-за международной озабоченности по поводу вопросов распространения ядерных материалов, в апреле 1977 году президент США Джимми Картер призвал отложить на неопределенный срок строительство коммерческих быстрых реакторов всюду в мире.

Нефти было ещё завались, атомные разрешения перестали "пользоваться спросом", в общем — конспирологи могут улыбаться.

Президент Картер вообще был последовательным оппонентом проекта Клинч Ривер. В ноябре 1977 года, наложив вето на законопроект о продолжении финансирования, Картер сказал, что это будет «неоправданно дорого» и «после завершения строительства станет технически устаревшим и экономически необоснованным». Кроме этого он заявил о бесперспективности технологии быстрых реакторов вообще. Вместо того, чтобы вкладывать ресурсы в демонстрационный проект на быстрых нейтронах, Картер предлагал взамен «потратиться на увеличение безопасности существующих ядерных технологий».

Проект Клинч Ривер был возобновлен после прихода к власти Рональда Рейгана в 1981 году. Несмотря на растущую оппозицию со стороны Конгресса, он отменил запрет своего предшественника, и строительство возобновилось. Однако, 26 октября 1983 года, несмотря на успешный ход строительных работ, Сенат США большинством (56 против 40) призвал отказаться от дальнейшего финансирования строительства и объект был заброшен.

Как на это повлияла катастрофа на советской ЧАЭС и зачем за полгода до этого была проведена серия экспериментов на EBR-II — для меня вопрос открытый, но непознаваемый. Пусть этим занимаются конспирологи — вместе с измерением теней на лунных снимках "Аполлонов".

Для меня в этой американской истории важен тот факт, что дорога наверх никогда не усыпана розами.

В реальной жизни у нас очень редко бывают ситуации, когда "любая дорога ведёт к победе". Как и нет "единственно верного пути", который нам понятен сразу же, ещё на краеугольном камне изначального выбора.

Поэтому реальная жизнь, реальный процесс конструирования и проектирования, реальная эксплуатация реальных изделий — это всегда путь проб, ошибок, тупиковых ветвей и жестоких разочарований.

И его совершенно невозможно представить в начале. Вот так, сразу, ясно и во всех деталях.

Мы знаем идеальный результат, мы подтвердили его опытом.

СССР и Россия вот уже 55 лет идёт по магистральной дороге натриевых реакторов, начатую ещё в 1959 году с пуском в Обнинске первого реактора на быстрых нейтронах БР-5, который верой и правдой отработал вплоть до 2002 года.

Его "сын", реактор БОР-60, трудится и до сих пор, помогая оценивать материалы, которые используются во "внуке" первого БР-5, работающего и сейчас БН-600.

На магистральной дороге натриевых быстрых реакторов у СССР и у России были и ошибки, и потери.

Первый советский реактор, БР-2, был с ртутным теплоносителем и это, как и эвтектика натрий-калий у американцев, оказалось "быстрым" тупиком.

Россия на этом пути потеряла БН-350 — от остался в независимом Казахстане, который бездарно потерял свой единственный атомный реактор, увидив свою неспособность поддерживать столь сложный агрегат в эксплуатации.

Каждая следующая ступенька на этом пути даётся России не без боя.

Строится БН-800, проектируется БН-1200.

"Натриевое шоссе" уверенно и постепенно даёт России технологии, которые являются её уникальным заделом в новом мире — в мире, в котором природный 235U будет стоить не меньше 260 долларов за килограмм, а вроде бы "бесполезный" пока 238U сотнями тысяч тонн лежит на российских обогатительных предприятиях.

Это — залог будущего благополучия России.

Но в любом начинании у русских всегда есть "резервный вариант".

Может быть, мы и не были первыми на Луне — но по результатам "лунной гонки" у России остался весь спектр ракет-носителей и двигателей к ним (хотя Н-1 и безумно жаль).

А вот США сейчас пытаются восстановить производство легендарного водородного J-2 и используют для полётов в космом русские РД-180 и НК-33, а украинцы делают для США первые ступени ракет и системы управления к ним.

О проекте CRBRP уже никто в США и не вспоминает: тут уж "умерла — так умерла".

Хотя это и уровень казахского, потерянного Россией реактора БН-350.

А Россия, кроме постройки "натриевого шоссе" из БН-800 и БН-1200, планирует ещё и создание реакторов на свинцовом теплоносителе (БРЕСТ) и на свинцово-висмутовой эвтектике (СВБР).

Как и совершенствует шаг за шагом технологию проверенного водо-водяного реактора ВВЭР, текущая версия которого, ВВЭР-1000 должна быть планово заменена на ВВЭР-1200, а в перспективе — и на ещё более мощную и совершенную версию ВВЭР-ТОИ.

Путь этот сложен, многотруден, но это именно путь неторопливой русской инженерной черепахи, которой лучше добиться каждый раз очередного улучшения конструкции, нежели постоянно ловить ускользающего журавля где-то в инженерно-несбыточном небе.

Ну а как летают японские, французские и американские птицы-журавли на современном этапе развития ядерной энергетики — я расскажу в следующем материале.

Вкратце же я скажу им: "удачи", "удачи" и ещё раз "удачи".

Пока это скорее страусы и птички-киви. А в перспективе — и хромые утки. Под кроватью.

http://crustgroup.livejournal.com/60108.html

http://crustgroup.livejournal.com/60352.html