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.