Исследовательская группа Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США, возглавляемая Джеймсом Сьеники, разработала маломасштабный реактор со свинцовым теплоносителем. Инженеры назвали его «Безопасным неоружейным транспортабельным автономным ядерным реактором» (англоязычная аббревиатура — SUPERSTAR).
Китайская (пекинская) экспериментальная АЭС на быстрых нейтронах (фото Xinhua / Xinhua Press / Corbis).

Малые модульные ядерные реакторы, или ММЯР, — это мини-блоки для АЭС, модули которых предполагается производить на конвейере, с последующей сборкой на площадке станции. Их срок эксплуатации до перезагрузки должен составить от 15 до 30 лет.

SUPERSTAR — реактор на быстрых нейтронах (РБМК), принципиально отличающийся от большинства сегодняшних легководных реакторов. Последние используют воду как хладагент и как замедлитель для нейтронов, образующихся в процессе ядерного расщепления. В реакторах на быстрых нейтронах нет замедления, их хладагент не замедляет нейтроны.

Как и все ядерные реакторы нового поколения, SUPERSTAR имеет средства пассивной безопасности: поглощающие стержни удерживаются над активной зоной только до тех пор, пока не исчезнет внешнее электропитание. Когда же это происходит, стержни вдвигаются в активную зону под действием силы тяжести, пока демонстрирующей довольно высокую надёжность (в отличие, например, от некоторых элементов РБМК типа Чернобыльского или Фукусимского).

Кроме того, охлаждающий контур реактора эксплуатируется безо всякой системы насосов. «В любой замкнутой системе циркуляции, где тепло находится внизу, а охлаждение — наверху, неизбежно возникновение восходящего потока тёплого вещества вверх и нисходящего потока холодного вещества вниз, — поясняет Антон Моисеевич, один из инженеров Аргоннской лаборатории. — SUPERSTAR использует именно такую систему. И, конечно же, отсутствие насосов системы охлаждения означает невозможность выхода их из строя». Напомним: именно обесточивание насосного контура стало причиной перегрева Фукусимского реактора.

Г-н Сьеники полагает, что малым энергосистемам в развивающихся странах или сельской местности не всегда нужны тысячи мегаватт, вырабатываемых нынешними реакторами. Кроме того, в отличие от них, SUPERSTAR имеет возможность быстрого масштабирования мощности, легко может увеличить или снизить энерговыработку в зависимости от потребности.

ММЯР, созданный этой исследовательской группой, заранее проектировался с учётом доставки в разобранном виде, в том числе по железной дороге. Таким образом, первоочередными покупателями разработки могут быть развивающиеся страны и удалённые районы, в которых большая АЭС невозможна экономически. Поскольку реактор такого типа имеет закрытую активную зону, частичная перезагрузка ТВЭЛ или использование реактора для наработки оружейного плутония становятся весьма затруднительными, что также минимизирует риск применения SUPERSTAR в государствах типа Ирана или КНДР. Наконец, ММЯР имеют низкую стоимость, а значит, их сможет позволить себе большее число потребителей. Кроме того, малый размер модулей даёт возможность организовать их конвейерную сборку, что также должно снизить издержки производства.

По словам Джеймса Сьеники, несколько европейских стран уже высказывали интерес к реакторам со свинцовым охлаждением, предполагая, что их использование будет проще и дешевле, чем жидкометаллических на натриевом теплоносителе, и безопаснее, чем реакторов с водяным охлаждением. Правда, он не уточнил, сохранился ли такой интерес и сегодня, после японских событий и принципиального решения Германии вовсе отказаться от «мирного атома».

Впрочем, добавим немного скептицизма к немалому оптимизму исследователей, разработавших реактор. В отличие от западного читателя, у нас хорошо знают, что в СССР приказ о разработке и практическом использовании реакторов со свинцовым теплоносителем был отдан ещё 60 лет тому назад. Среди преимуществ системы и тогда называли повышенную надёжность. Ну а 49 лет назад приказ выполнили, и в строй была введена АПЛ К-27. Но ещё до этого события сами разработчики писали письма в ЦК КПСС с просьбой не ставить реактор на действующую подлодку и выступали против награждения самих себя за создание реактора.

Причина проста, и она вовсе не в нечеловеческой скромности научного коллектива. Температура отвердения расплава свинца (или свинцово-висмутовой смеси) выше, чем температура кипения воды. Падение температуры расплава (даже локальное, в одной точке охлаждающего контура) ниже точки «замерзания» свинца сопровождается его отвердением и катастрофическим нагревом активной зоны. Любое нарушение герметичности охлаждающего контура ведёт к окислению свинца в районе контакта и, соответственно, блокировке циркуляции теплоносителя.

Результаты? В 1967 году из-за блокировки контура охлаждения застывшими окислами свинца и висмута произошла первая авария на АПЛ, после чего окислы пришлось выковыривать оттуда с применением несложной «механизации» — кувалды и зубила. Ну а в 1968-м при выходе на 80-процентную мощность свинцово-висмутовая смесь опять локально застыла, что привело к аварии и гибели 9 человек. Даже в СССР всем стало понятно, что реактор, в котором при нарушении режимов эксплуатации вода может закипеть, ничем не лучше такого, где свинец при тех же условиях может застыть. Декларированная способность реактора со свинцовым теплоносителем быстро менять мощность при попытках практического манёвра мощностью обернулась тем же ксеноновым отравлением, что и на любом реакторе в йодной яме. Чудес не бывает: система охлаждения — это просто инженерный аспект реализации реактора; меняя его, нельзя решить принципиальную проблему реакторов на уране-235 (плутонии-239). Автомобиль может быть «Запорожцем», а может — «Мерседесом», но и у того и у другого смертность пассажиров всегда будет превосходить смертность пассажиров поезда. Самоподдерживающаяся атомная реакция стопроцентно контролируется пока только в атомных бомбах, и то лишь потому, что там её контроль ограничивается запуском.

При этом удивительно, что разработчики не ознакомили высоких чинов из Минэнерго США с врождёнными недостатками таких систем. В конце концов, ведь есть же реакторы на расплавах солей, ториевые, с принципиально другим уровнем пассивной безопасности. Понятно, что развивать уже реализованные идеи проще. Но что позволяет исследовательской группе полагать, что у неё получатся результаты, отличающиеся от инициатив тов. Сталина, — загадка. Видимо, это и есть одна из основных причин, по которой этот тип реакторов планируется к поставке в развивающиеся страны.

Подготовлено по материалам Арогоннской национальной лаборатории.