Голубев Игорь Евгеньевич

«Сектор-6»

После окон­ча­ния кафедры №16 МИФИ я попал в Кур­ча­тов­ский инсти­тут, а темой микрот­вэлов стал зани­маться еще на дипломе в 1976 году. Отделом-35 (по-старому «Сектор-6», который упо­ми­на­ется в фильме «9 дней одного года»), куда я пришел дипломни­ком, тогда руко­во­дил Николай Нико­ла­е­вич Поно­ма­рев-Степной, ныне ака­демик РАН. Николай Нико­ла­е­вич (Ник-Ник) и по сей день явля­ется главным научным и идейным вдох­но­ви­те­лем темы атомно-водо­род­ной энер­гетики у нас в стране.

В то время в СССР тема высо­ко­тем­пе­ра­тур­ных газо­охла­жда­е­мых реак­то­ров (ВТГР) хорошо раз­ви­ва­лась. В 1970-е годы в СССР была принята госу­дар­ствен­ная про­грамма по раз­ви­тию атомно-водо­род­ной энер­гетики. В 1987 году Советом мини­стров СССР была принята про­грамма по соз­да­нию атомных энер­го­тех­ноло­ги­че­ских ком­плек­сов на базе ВТГР. В Подоль­ске и Ново­си­бир­ске было запу­щено экс­пе­ри­мен­таль­ное про­из­вод­ство по изго­то­в­ле­нию шаровых твэлов и микрот­вэлов. Про­во­ди­лось много реак­тор­ных испы­та­ний в разных реак­то­рах: в Обнин­ске в филиале Физико-хими­че­ского инсти­тута им. Л. Я. Карпова, в Кур­ча­тов­ском инсти­туте в реак­торе МР-50, в Димит­ров­граде в реак­то­рах СМ-3 и РБТ-6, в Ека­те­рин­бурге в реак­торе ИВВ-2. В Кур­ча­тов­ском инсти­туте на реак­торе МР-50 была постро­ена петля ПГ-100 (петля гели­е­вая, рас­считан­ная на дав­ле­ние гелия до 100 атмо­сфер). Там испы­ты­вались каналы типа КВГ, которые условно можно считать малень­кими ВТГР. Также на этом реак­торе провели серию испы­та­ний топлива ВТГР в ампуль­ных устройствах типа «КАШТАН». При этом дости­гались высокие пока­за­тели по выго­ра­нию топлива. Кур­ча­тов­ский инсти­тут высту­пал в каче­стве науч­ного руко­во­ди­теля.

Про­шедшие испы­та­ния микрот­вэлы были разных кон­струк­ций, с раз­лич­ным покры­тием, испы­ты­вались как в спе­ци­аль­ных ампулах, так и в составе шаровых твэлов. В то время раз­ви­вались такие проекты ВТГР, как ВГР-50, ВГ-400, ВГМ, позже ВГР-Т. Хотя я уже, начиная с диплом­ной работы, спе­ци­али­зи­ро­вался на рас­чет­ном моде­ли­ро­ва­нии тер­мо­ме­ха­ни­че­ского пове­де­ния микрот­вэлов и шаровых твэлов, дове­лось мне и непо­сред­ственно участ­во­вать в экс­пе­ри­мен­таль­ных работах. В Обнин­ске я в прямом смысле сидел в реак­тор­ном зале реак­тора ВВР-Ц за пультом упра­в­ле­ния облу­ча­тель­ным устройством в ночных сменах, где мы дежу­рили по неделе, затем меня­лись. На реак­торе МР-50 в Кур­ча­тов­ском инсти­туте пери­о­ди­че­ски участ­во­вал в поста­новке и выемке экс­пе­ри­мен­таль­ных каналов КВГ непо­сред­ственно на «крышке» реак­тора.

Первые проекты ВТГР-гра­фи­то­вых реак­то­ров с гели­е­вым охла­жде­нием поя­ви­лись в 50-е годы про­шлого века. Еще в начале 50-х ака­демик Ана­то­лий Пет­ро­вич Алек­сан­дров выска­зал идею об исполь­зо­ва­нии гели­е­вых реак­то­ров в под­вод­ных лодках. В 60-е начался этап бурного раз­ви­тия ВТГР. В 1965 году англи­чане постро­или экс­пе­ри­мен­таль­ный реактор Dragon мощ­но­стью 20 МВт теп­ло­вых. В каче­стве топлива исполь­зо­вались цилин­дри­че­ские топ­лив­ные эле­менты, в которых были рас­поло­жены микро­топлив­ные сфе­ри­че­ские частицы из деля­ще­гося мате­ри­ала с кера­ми­че­ским покры­тием — микрот­вэлы. В 1966 году в США был пущен экс­пе­ри­мен­таль­ный ВТГР Peach-Bottom-1, который успешно про­ра­бо­тал в течение восьми лет, а в 1968 году в ФРГ постро­или реактор AVR мощ­но­стью 50 МВт теп­ло­вых, про­ра­бо­тав­ший в общей слож­но­сти около два­дцати лет. Клю­че­вым эле­мен­том топлива ВТГР явля­ются микрот­вэлы, которые пред­ста­в­ляют собой оксид­ные, кар­бид­ные или окси­кар­бид­ные топ­лив­ные микро­сферы диа­мет­ром 200-500 микрон, на которые нано­сится мно­го­слойное покры­тие из пиро­ли­ти­че­ского угле­рода и карбида кремния. Успеш­ный опыт экс­плу­а­та­ции реак­тора Peach-Bottom-1 поз­во­лил аме­ри­кан­цам про­дол­жить раз­ви­вать тех­ноло­гии ВТГР, и в 1979 году они постро­или реактор с приз­ма­ти­че­ской актив­ной зоной мощ­но­стью 330 МВт (эл.) на АЭС Fort-Sent-Vrain, который про­ра­бо­тал 12 лет. В Запад­ной Гер­ма­нии также не оставили работу по теме ВТГР и в 1984 г. постро­или реактор с шаровой засып­кой THTR-300 мощ­но­стью 300 МВт эл., в котором в каче­стве ядер­ного топлива была сделана попытка исполь­зо­вать торий, счита­ю­щийся пер­спек­тив­ным мате­ри­а­лом для нара­ботки ядер­ного топлива, так как его запасы на Земле зна­чи­тельно пре­вос­хо­дят запасы урана.

Есть два типа ВТГР. В первом типе микрот­вэлы прес­су­ются в цилин­дри­че­ских гра­фи­то­вых топ­лив­ных ком­пак­тах высотой 50 мил­ли­мет­ров и диа­мет­ром 12,5 мил­ли­метра. Топ­лив­ные ком­пакты затем раз­ме­ща­ются в шести­гран­ные гра­фи­то­вые блоки с кана­лами под топливо, а также кана­лами для прохода теп­ло­но­си­теля и стер­ж­ней упра­в­ле­ния и защиты. Из этих блоков наби­ра­ется актив­ная зона, которую назы­вают «приз­ма­ти­че­ской». Кон­струк­ция второго типа ВГТР имеет актив­ную зону, которая в англо­я­зыч­ной лите­ра­туре обо­зна­ча­ется pebble-bed, а у нас просто «шаровая засыпка». В этом вари­анте актив­ной зоны микрот­вэлы раз­ме­ща­ются в гра­фи­то­вых шарах диа­мет­ром 60 мил­ли­мет­ров, ровно с бильяр­д­ный шар! Ори­ги­нальна и система загрузки: шаровые твэлы насы­па­ются в корпус актив­ной зоны сверху, а снизу высы­па­ются отра­бо­тав­шие «шары». Шаровые твэлы, не достиг­шие про­ек­т­ного выго­ра­ния, воз­вра­ща­ются пнев­мо­тран­с­пор­том в актив­ную зону. Общее для обоих типов актив­ной зоны, кроме микрот­вэлов, — исполь­зо­ва­ние гелия в каче­стве теп­ло­но­си­теля, что поз­во­ляет дости­гать тем­пе­ра­туры теп­ло­но­си­теля на выходе из актив­ной зоны до 1000 °С. При этом мно­го­слойные оболочки эффек­тивно удер­жи­вают про­дукты деления внутри микрот­вэлов. Также следует отметить при­су­щую ВТГР вну­трен­нюю безо­пас­ность: авария типа Чер­но­быль­ской, в лик­ви­да­ции послед­ствий которой мне при­шлось поу­част­во­вать в 1986 и 1988 годах, для ВТГР в прин­ципе невоз­можна.

Авария на Чер­но­быль­ской АЭС нанесла сильный удар по раз­ви­тию тех­ноло­гий ВТГР, впрочем, как и по всей ядерной энер­гетике — по всему миру стали закры­ваться иссле­до­ва­тель­ские и экс­пе­ри­мен­таль­ные про­граммы в области реак­то­ро­стро­е­ния. Нало­жи­лось и то обсто­я­тель­ство, что суще­ству­ю­щие на тот момент реак­торы ВТГР были экс­пе­ри­мен­таль­ными или про­тоти­пами про­ек­ти­ру­е­мых про­мыш­лен­ных реак­то­ров и не могли кон­ку­ри­ро­вать с тра­ди­ци­он­ными «лег­ко­вод­ными» реак­то­рами с точки зрения удель­ной сто­и­мо­сти на кВт выра­бо­тан­ной элек­тро­энер­гии. В итоге в конце 1980-х годов тема ВТГР в Европе стала неак­ту­альна как по поли­ти­че­ским, так и по эко­но­ми­че­ским при­чи­нам. В Гер­ма­нии свер­нули работы по этой тема­тике, однако в США все 90-е годы про­дол­жали зани­маться раз­ра­бот­ками про­ек­тов ВТГР и про­во­дить реак­тор­ные испы­та­ния раз­лич­ных кон­струк­ций микрот­вэлов. В то же время такие страны, как Япония и Китай, нао­бо­рот, начали работы по раз­ви­тию тех­ноло­гий ВТГР. Япония постро­ила свой высо­ко­тем­пе­ра­тур­ный инже­нер­ный испы­та­тель­ный реактор HTTR с приз­ма­ти­че­ской актив­ной зоной мощ­но­стью 30 МВт. Китай взял за основу немец­кую тех­ноло­гию про­из­вод­ства шаровых твэлов и на рубеже 2000-х годов запу­стил иссле­до­ва­тель­ский реактор HTR-10, а в 2021 году в Китае была введена в экс­плу­а­та­цию АЭС HTR-PM, вклю­ча­ю­щая два модуль­ных ВТГР по 100 МВт эл. каждый, имеющих актив­ные зоны с шаро­выми засып­ками. Помимо Китая и Японии, Южная Корея и ЮАР также про­бо­вали вне­дрять подоб­ные тех­ноло­гии, но были выну­ждены по разным при­чи­нам при­о­ста­но­вить раз­ра­ботки. С 2000-х тема­тика высо­ко­тем­пе­ра­тур­ных газо­охла­жда­е­мых реак­то­ров про­дол­жила раз­ви­тие на уровне раз­ра­ботки тех­ноло­гий ВТГР модуль­ной кон­цеп­ции повы­шен­ной безо­пас­но­сти. Интерес к тех­ноло­гиям ВТГР в насто­я­щее время про­я­в­ляют около двух десят­ков стран мира.

С конца 1980-х годов и вплоть до конца 1990-х годов тема ВТГР в России сошла на нет так же, как и в боль­шин­стве запад­ных стран — по поли­ти­че­ским и эко­но­ми­че­ским при­чи­нам. Однако в начале 2000-х годов тех­ноло­гии ВТГР вновь при­об­рели акту­аль­ность в связи с мировым трендом на раз­ви­тие водо­род­ной энер­гетики. Реактор ВТГР может давать на выходе гелий с тем­пе­ра­ту­рой до 1000 гра­ду­сов Цельсия, что поз­во­ляет исполь­зо­вать тер­мо­хими­че­ские и элек­тро­хими­че­ские методы раз­ло­же­ния воды для полу­че­ния водо­рода, а также исполь­зо­вать высо­ко­по­тен­ци­аль­ное тепло для раз­лич­ных тех­ноло­ги­че­ских про­цес­сов. В России с конца 1990-х реали­зо­вы­вался большой сов­мест­ный проект с уча­стием США и Франции (Франция высту­пала скорее в роли наблю­да­теля) по соз­да­нию высо­ко­тем­пе­ра­тур­ного газо­охла­жда­е­мого реак­тора ГТ-МГР для про­из­вод­ства элек­тро­энер­гии в прямом газо­тур­бин­ном цикле с КПД около 50%. Кстати, самые хорошие вос­по­ми­на­ния остались от общения с аме­ри­кан­скими и фран­цуз­скими спе­ци­али­стами: там, где нет поли­тики, люди всегда находят общий язык.

Проект в итоге свер­нули, однако в ходе его реали­за­ции во ВНИИНМ была постро­ена уни­каль­ная уста­новка БИУ (Бок­со­вая Иссле­до­ва­тель­ская Уста­новка). На этой уста­новке была раз­ра­бо­тана тех­ноло­гия по про­из­вод­ству топ­лив­ных кернов, на которые нано­сится четы­рех­слойное покры­тие из пиро­угле­рода и карбида кремния, после чего они ста­но­вятся, соб­ственно, микрот­вэлами. В ходе работ по проекту ГТ-МГР во ВНИИНМ были раз­ра­бо­таны не только тех­ноло­гии изго­то­в­ле­ния микрот­вэлов и топ­лив­ных ком­пак­тов. Также был раз­ра­бо­тан рас­чет­ный код GOLT (Газо-ОхЛа­жда­е­мое Топливо), моде­ли­ру­ю­щий пове­де­ние микрот­вэлов и про­гно­зи­ру­ю­щий пределы безо­пас­ной экс­плу­а­та­ции топлива. Раз­ра­бо­тан­ный рас­чет­ный код весьма успешно «высту­пил» в ходе про­ве­де­ния срав­ни­тель­ных (бен­ч­марк) рас­четов с кодами, раз­ра­бо­тан­ными в других странах, в ходе работы меж­ду­на­род­ной группы CRP-6 МАГАТЭ. Всего в бен­ч­мар­ках приняло участие 12 кодов из 10 стран мира. В резуль­тате, напри­мер, япон­ский код, опу­б­ли­ко­ван­ный в ведущих пери­о­ди­че­ских изда­ниях, «сошел с дистан­ции», в то время как резуль­таты рас­четов тесто­вых задач, полу­чен­ные по коду GOLT, раз­ра­бо­тан­ному во ВНИИНМ, прак­ти­че­ски пол­но­стью совпали с резуль­та­тами, полу­чен­ными с помощью извест­ных кодов, раз­ра­бо­тан­ных в США, Англии и Евро­со­юзе.

К сожа­ле­нию, проект ГТ-МГР по разным при­чи­нам не был реали­зо­ван. Но сегодня тех­ноло­гия ВТГР вновь стала акту­аль­ной, и причины — не только эко­но­ми­че­ские, но и свя­зан­ные с эколо­гией. Цены на угле­во­до­роды, нефть, газ зна­чи­тельно выросли. Фактор декар­бо­ни­за­ции эко­но­мики, угле­род­ный налог и рост потре­б­ле­ния в про­мыш­лен­но­сти водо­рода в каче­стве хими­че­ского реа­гента под­дер­жи­вают интерес к атомно-водо­род­ной энер­гетике на базе реак­то­ров ВТГР. Водород исполь­зу­ется также в метал­лур­гии для прямого вос­ста­но­в­ле­ния железа, для очистки и пере­ра­ботки нефти и во многих других отра­слях.

В насто­я­щий момент АО «Концерн Росэнер­го­а­том» (Элек­тро­энер­гети­че­ский диви­зион Гос­кор­по­ра­ции «Росатом») реали­зует мас­штаб­ный инве­сти­ци­он­ный проект «Раз­ра­ботка тех­ноло­гий атомно-водо­род­ной энер­гетики для круп­но­мас­штаб­ного про­из­вод­ства и потре­б­ле­ния водо­рода», напра­в­лен­ный на раз­ра­ботку и соз­да­ние инфраструк­туры для про­из­вод­ства, хра­не­ния, тран­с­пор­ти­ровки и исполь­зо­ва­ния водо­рода. Один из про­ек­тов в рамках про­граммы АО «Концерн Росэнер­го­а­том» нацелен на соз­да­ние демон­стра­ци­он­ного ком­плекса с реак­то­ром ВТГР и химико-тех­ноло­ги­че­ской частью (ХТЧ) для круп­но­мас­штаб­ного про­из­вод­ства водо­рода. По сути, ВТГР — это мно­го­це­ле­вой реактор, пред­на­зна­чен­ный для заме­ще­ния иско­па­е­мого топлива в раз­лич­ных высо­ко­тем­пе­ра­тур­ных про­мыш­лен­ных тех­ноло­гиях. Тем­пе­ра­тура гелия, исполь­зу­е­мого в каче­стве теп­ло­но­си­теля, на выходе составит 850°С. Отво­ди­мое гели­е­вым теп­ло­но­си­те­лем тепло пере­да­ется в химико-тех­ноло­ги­че­скую часть ком­плекса, где и про­ис­хо­дит выра­ботка водо­рода. Пред­по­ла­га­ется, что атомный энер­го­тех­ноло­ги­че­ский ком­плекс будет состо­ять из четырех блоков теп­ло­вой мощ­но­стью 200 МВт каждый, — в итоге сум­мар­ная мощ­ность ком­плекса составит 800 МВт, что поз­во­лит обес­пе­чить про­из­вод­ство порядка 440 тыс. тонн водо­рода в год.

Пуск АЭТС запла­ни­ро­ван на начало 2030-х годов. Водород — это пер­спек­тив­ное топливо, которое в будущем должно заме­нить угле­во­до­род­ные энер­го­но­си­тели. В январе 2017 года в Давосе был создан меж­ду­на­род­ный совет по водо­роду, который в конце того же года пред­ставил мас­штаб­ную дорож­ную карту по пере­ходу на водо­род­ную энер­гетику. МАГАТЭ в 2022 году обя­за­лась под­го­то­вить дорож­ную карту по воз­мож­но­стям про­из­вод­ства водо­рода с исполь­зо­ва­нием атомной энергии. Сегодня потре­б­ле­ние водо­рода в мире соста­в­ляет порядка 75 млн. тонн в год, а к 2050 году, по оценкам анали­ти­ков, потреб­ность в водо­роде может уве­ли­читься до 500 млн. тонн в год.

ВНИИНМ — одна из струк­тур, обес­пе­чи­ва­ю­щих научное и тех­ноло­ги­че­ское сопро­во­жде­ние работ по соз­да­нию в России топлива для ВТГР, участ­ник широкой коо­пе­ра­ции отра­сле­вых пред­при­ятий Гос­кор­по­ра­ции «Росатом» и рос­сийских научных орга­ни­за­ций. Сегодня над раз­ра­бот­кой актив­ной зоны и топлива ВТГР рабо­тают пред­при­ятия атомной отрасли, имеющие мно­го­лет­ний опыт по данному напра­в­ле­нию в России, — это АО «ОКБМ Афри­кан­тов» (главный кон­струк­тор реак­тор­ной уста­новки и актив­ной зоны), НИЦ «Кур­ча­тов­ский инсти­тут» (научный руко­во­ди­тель проекта), АО «ВНИИНМ» (кон­струк­тор-тех­нолог микрот­вэлов), пред­при­ятия Топ­лив­ной ком­па­нии ТВЭЛ, АО «НИИ НПО «ЛУЧ» (кон­струк­тор-тех­нолог теп­ло­вы­де­ля­ю­щего эле­мента и раз­ра­бот­чик опытно-про­мыш­лен­ной тех­ноло­гии про­из­вод­ства топлива ВТГР, главный тех­нолог химико-тех­ноло­ги­че­ской части), АО «НИИ­гра­фит», ФГУП «РФЯЦ-ВНИИТФ им. ака­демика Е. И. Заба­ба­хина» и другие орга­ни­за­ции. Мы как раз­ра­бот­чики тех­ноло­гии про­из­вод­ства микрот­вэлов изго­то­вили экс­пе­ри­мен­таль­ные партии микрот­вэлов, которые про­хо­дят реак­тор­ные испы­та­ния в АО «ИРМ» (г. Зареч­ный Свер­д­лов­ской области). С марта 2022 года ведутся испы­та­ния экс­пе­ри­мен­таль­ных топ­лив­ных ком­пак­тов на реак­торе СМ-3 в АО «ГНЦ НИИАР» (г. Димит­ров­град Улья­нов­ской области). Также изго­то­в­лены партии микрот­вэлов, которые будут напра­в­лены в Кур­ча­тов­ский инсти­тут для про­ве­де­ния ради­а­ци­он­ных испы­та­ний по мето­дике Кур­ча­тов­ского инсти­тута, так назы­ва­е­мое «слабое облу­че­ние». Темпы очень высокие, и сроки выпол­не­ния работ очень жесткие. Эскизные проекты уже выпу­стили, начали гото­вить тех­про­екты, соз­да­ется нор­ма­тив­ная доку­мен­та­ция, так как для этого типа реак­то­ров её прак­ти­че­ски нет.

Если резю­ми­ро­вать, то по всем напра­в­ле­ниям идет интен­сив­ная работа. В АО «НИИ НПО «ЛУЧ» уже начата работа по соз­да­нию пилот­ной линии про­из­вод­ства микрот­вэлов и топ­лив­ных ком­пак­тов, чтобы обес­пе­чить в даль­нейшем переход к соз­да­нию на пло­щадке Топ­лив­ной ком­па­нии ТВЭЛ про­мыш­лен­ного про­из­вод­ства топлива ВТГР для устой­чи­вого топ­ли­во­о­бес­пе­че­ния будущих энер­го­тех­ноло­ги­че­ских станций. Главная причина акти­ви­за­ции работ — вос­тре­бо­ван­ность водо­рода для рос­сийской и мировой эко­но­мики, поскольку это эколо­ги­че­ски чистое топливо, имеющее высокий экс­порт­ный потен­циал.

В чем при­вле­ка­тель­ность раз­ра­ба­ты­ва­е­мого проекта АЭТС? Во-первых, она обес­пе­чи­вает высокую степень безо­пас­но­сти. Кон­струк­ция микрот­вэлов поз­во­ляет топливу выдер­жи­вать высокие тем­пе­ра­туры, до 1600 °С, в течение сотен часов. Расчеты, про­ве­ден­ные для ана­ло­гич­ных про­ек­тов, пока­зали, что даже в случае запро­ек­т­ной аварии гра­фи­то­вая кладка актив­ной зоны не сможет заго­реться. На ВТГР нет риска воз­ник­но­ве­ния паро­цир­ко­ни­е­вой реакции, так как в кон­струк­ции микрот­вэлов не исполь­зу­ются сплавы с цир­ко­нием, а в актив­ной зоне нет воды. Помимо этого, реактор имеет отри­ца­тель­ный тем­пе­ра­тур­ный коэф­фи­ци­ент и при разо­греве сам зату­хает. Также необ­хо­димо отметить, что в микрот­вэлах все про­дукты распада нахо­дятся внутри мно­го­слойных кера­ми­че­ских оболо­чек, хранить отра­бо­тав­шие топ­лив­ные эле­менты можно в сухом хра­ни­лище. Сейчас во ВНИИНМ также раз­ра­ба­ты­ва­ются тех­ноло­гии пере­ра­ботки отра­бо­тав­шего топлива и воз­врата в топ­лив­ный цикл реге­не­ри­ро­ван­ных мате­ри­а­лов.