20 февраля 2011

ALLEGRO и GFR, часть II

Чешская Республика выбирает быстрые реакторы и начинает с французского проекта быстрого газового реактора ALLEGRO. Специалисты призывают не торопиться. Говорить о месте строительства первого ALLEGRO слишком рано, считает генеральный директор чешского атомного центра "Ржеж" Алеш Йон.

В первой части публикации мы разобрались с тем состоянием, в котором находится французская быстрая газовая программа. Но что же такое реактор ALLEGRO, предлагаемый чехам?

ETDR, он же ALLEGRO

ALLEGRO - это красивое название в французском стиле, пришедшее на смену невзрачной аббревиатуре ETDR. Как признаётся в статье, опубликованной в журнале "Science and Technology of Nuclear Installations", том 2009, под названием "Gas Cooled Fast Reactor Research and Development in the European Union", отличия между ALLEGRO и ETDR минимальны.

По статусу "предконцептуального" проекта ETDR в 2005 году на конференции в Пекине был сделан обзорный доклад. Его подготовили четверо известных экспертов из французского центра "Кадараш" - F.Morin, J.Y.Malo, J.C.Garnier и Y.Lejeail.

ETDR расшифровывается как экспериментальный и демонстрационный реактор (Experimental and Technology Demonstration Reactor). Первоначально ему отводили тепловую мощность 50 МВт, потом, по мере превращения в ALLEGRO, появились проектные ответвления с тепловой мощностью до 100 МВт.

Смысл создания ETDR заключается в демонстрации отдельных технологических решений, необходимых для быстрых газовых реакторов и связанных с топливом, системами безопасности, и так далее. Построить ETDR намеревались во Франции, в Кадараше, с датой пуска между 2015 и 2020 годами. Сегодня о Кадараше как площадке для первого газового реактора не вспоминают, и проект ALLEGRO плавно переезжает в Восточную Европу.

Работы над ETDR стартовали в 2003 году. Сначала говорилось только о концепции активной зоны. В результате, проектные решения оказались чересчур общими и базирующимися на минимальном наборе требований.

В 2004 году проект был пересмотрен. Были определены проектные критерии - отношение флюенса быстрых нейтронов к выгоранию, энергонапряжённость зоны, и так далее. Было рассмотрено несколько вариантов активных зон и сделаны первые прикидки для всей установки в целом.

Несмотря на то, что вариативность в проекте оставалась слишком высокой (так, загрузка топлива менялась от нескольких килограмм до одной тонны!), разработчики попытались расширить функции ETDR и превратить его в демонстратора замыкания топливного цикла с быстрыми газовыми реакторами. Появились упоминания о лабораторных или демонстрационных установках по фабрикации топлива и переработке ОЯТ, причём фабрикация предусматривала возможность использовать возвращаемые в цикл делящиеся материалы.

Вторая по важности после демонстрации задача, поставленная перед ETDR, касается его использования для проверки точности расчётных кодов. Хотя достижения в сфере нейтронно-физических расчётов велики, нет полной уверенности в том, что коды дают верные результаты для новых проектов, таких как быстрые газовые реакторы. Речь идёт об эффектах реактивности, весах стержней и, особенно, переходных процессах. Проект ETDR должен предусматривать простоту использования реальных измеренных данных при верификации кодов.

Сложность поставленных перед авторами ETDR задач объективно привела к мысли о том, что слона следует поглощать кусками. Первое, и наиболее серьёзное упрощение, сделанное французами, имело отношение к топливу. Перспективное топливо было отодвинуто в сторону, а вместо него появились стартовые загрузки, которые будут делаться традиционным способом - это кассеты со смешанным уран-плутониевым оксидным топливом, твэлами и оболочками из нержавеющей стали.

На смену стартовым спустя некоторое время должны прийти "демонстрационные" зоны CERCER. От стартовых они будут отличаться фактически всем. Топливо - карбид, а не оксид. Топливные элементы - пластины, а не твэлы. Оболочка - композиция SiC, а не сталь.

Перенос революционного топлива в будущее снижает риски неудачи при строительстве первого блока с ETDR (ALLEGRO). Одновременно он ставит новую задачу перед проектантами - они должны доказать, что реактор сможет работать на обоих типах топлива, как со стартовыми, так и с демонстрационными активными зонами. Предварительный ответ - это возможно, но при переходе на новое топливо понадобится замена внутренних устройств теплообменников, чувствительных к изменению рабочих температур.

Спецификации активной зоны

Удельная энергонапряжённость активной зоны ETDR выбрана равной 100 МВт/м3. Интересно, что такая же величина принята и в концептуальных проработках коммерческого быстрого газового реактора GFR. Выбор стал результатом компромисса между условиями в активной зоне и на заводах топливного цикла.

Геометрия зоны - цилиндр с равными высотой и диаметром (H/D=1). Для коммерческого реактора предлагается уплощённая зона с H/D=0,6. Зона окружена отражателем, предварительные расчёты по коду ERANOS дают толщину отражателя в ETDR 30 см для стартовых загрузок. Материал отражателя - нержавеющая сталь.

Для демонстрационных зон отражатель, скорее всего, будет заменён. Просматривается ряд кандидатных материалов (в докладе они не указаны). Главное требование - хорошая сопротивляемость высоким температурам (более 1200°C), что необходимо для сохранения целостности отражателя в аварийных ситуациях с потерей циркуляции. Естественно, что у отражателя должны быть и хорошие нейтронные свойства - малое поглощение, слабое влияние на спектр, и так далее.

В данных о нейтронном потоке в цитируемом докладе вкралась досадная опечатка. Но из других публикаций известно, что он не будет слишком высоким. В стартовых зонах поток быстрых нейтронов составит 1,1×1015 н/(см2с), а в демонстрационных будет и того меньше - 0,94×1015 н/(см2с). На долю быстрой части спектра будет приходиться до 60% от всех нейтронов в активной зоне.

Переход к высоким температурам в ETDR произойдёт поэтапно. Для стартовых зон установлены вполне обычные для быстрой энергетики входная и выходная температуры теплоносителя - 260°C и 560°C. Высокотемпературность появится только с внедрением демонстрационных зон - 480°C и 850°C. На оксиде и стальных оболочках гнаться за рекордами французы не рискуют.

Срок службы ETDR - 30 лет. Для защиты корпуса будет введён слой толщиной 50 см из графита или карбида бора.

Топливные кассеты - шестигранные с шагом под ключ не более 10 см. Высота сборки зависит от типа топлива, до 4 метров в стартовых зонах и 3,6-3,7 метров в демонстрационных. Топливные элементы - сначала традиционные твэлы, затем пластины.

Различие в высотах возникает по следующей причине. В традиционной кассете с цилиндрическими твэлами в нижней части твэлов предусмотрен дополнительный объём для сбора газообразных продуктов деления. В пластинчатом топливе, как утверждается, необходимости в таком объёме не возникнет.

Часть кассеты для стартовой зоны (слева).
Схематичное изображение пластинчатой кассеты для демонстрационной зоны (справа).

СУЗы в проекте ETDR - отдельные шестигранные кассеты, аналогичные по геометрии топливным кассетам. Для них предусмотрена стандартная процедура загрузки и выгрузки, как для ТВС с топливом.

Одна из возможных картограмм загрузки ETDR.
Красным показаны СУЗы,
зелёным - экспериментальные сборки,
серым - дополнительные СУЗы,
коричневым - киповская кассета.

В конструкции СУЗов для ETDR (ALLEGRO) есть особенность. Поглощающие стержни должны находиться сверху от активной зоны, чтобы можно было их вводить под действием гравитации (иными словами, ронять в зону). Но привода СУЗ ставить в верхней части нельзя, так как там самые тяжёлые температурные условия.

По этой причине, привода и всё управление СУЗами собраны в нижней части активной зоны, ниже корпуса реактора.

На следующих рисунках - к сожалению, низкого качества - схематично показано расположение поглощающих стержней в условиях работы на мощности и после сброса АЗ, а также схема размещения приводов.

Материал поглощающей части СУЗ - карбид бора, обогащённый по 10B. Величина обогащения подлежит определению на этапе проектирования.

Схематичное изображение положения поглощающей части стержней СУЗ.
Слева - стержни взведены, реактивность максимальна.
Справа - стержни сброшены, реактивность минимальна.
Красные линии указывают на поглощающие части.

Привод СУЗ.
Показано дно корпуса реактора (Vessel bottom),
тепловая защита (Thermal shielding) и другие элементы.

Основное оборудование

По основному оборудованию первого контура ETDR, на самом деле, есть только предварительные прикидки, позволяющие понять, на что может быть похожа такая установка.

Корпус реактора выглядит обычно - цилиндр с полусферическим днищем. Размеры и толщины зависят от принятой концепции активной зоны, но ни в одном из вариантов корпус не будет представлять собой неподъёмную задачу для машиностроителей.

Есть предварительное решение по материалу корпуса - сталь 9Cr1Mo. Она лучше других подходит к условиям работы корпуса в быстром газовом реакторе, но она же хуже других изучена с точки зрения практического применения - в частности, с точки зрения спецификаций для сварки, и так далее. В Евросоюзе выполняется большая исследовательская программа по изучению стали 9Cr1Mo, и есть надежда, что все лакуны в скором времени будут заполнены.

Теплосъём организован также без чрезмерных инноваций. Гелий входит в корпус сбоку, опускается вниз, затем попадает в активную зону и прокачивается по ней снизу вверх. Над активной зоной есть горячая полость, откуда гелий уходит в бок на горячие патрубки.

На входе в активную зону установлена диагональная решётка (диагрид, diagrid), которая служит опорой для сборок и предназначена для раздачи теплоносителя по отдельным топливным кассетам.

Решётка эта двойная, выполнена в форме пчелиных сот, верхняя и нижняя часть решётки сварены между собой трубами. По замыслу авторов концепции, такая конструкция позволит, среди прочего, понизить утечки гелиевого теплоносителя.

Кроме корпуса под давлением (RPV), в реакторе ETDR будет ещё один, внутренний корпус, назначение которого - обеспечить теплоизоляцию активной зоны. Его называют barrel, и состоит он из тепловой защиты и металлической рубашки.

Выбор материала для рубашки входит в число важных научно-исследовательских задач, так как в аварийных переходных процессах её температура может достигать 600°C. Для обеспечения надёжного охлаждения рубашки могут потребоваться дополнительные технические решения.

Barrel и диагрид

На рисунке показаны:

1 - вынимаемая пробка для доступа к активной зоне,
2 - вращающаяся крышка с оборудованием для перегрузки,
3 - металлическая рубашка,
4 - тепловая защита,
5 - патрубки для систем теплоотвода от активной зоны,
6 - ТВС,
7 - диагрид (двойная решётка) с верхней и нижней частями,
8 - фильтр,
9 - опоры, соединённые с корпусом под давлением,
10 - крепления,
11 - хвостовик ТВС,
12 - опора,
13 - вход для теплоносителя в активную зону,
14 - устройства активации перемещения СУЗ,
15 - внешняя стенка диагрида.

Особое внимание разработчики ETDR уделили вопросу о методе перегрузки топлива, а именно - снимать ли крышку реактора, как это делают в водяных реакторах, или не снимать, как поступают в БН.

Снятие крышки в быстром газовом реакторе возможно, в отличие от БН, в котором есть натрий. В этом случае получается прямой и лёгкий доступ к любой сборке активной зоны, что позволит сэкономить почти 3 метра высоты корпуса и внутреннего корпуса.

Но снятие крышки - операция сложная, ведущая к потере одного из барьеров безопасности при перегрузке и чреватая радиоактивными загрязнениями. По этой и ряду других причин, для ETDR был выбран "БН-овский" способ перегрузки - с вращающейся верхней крышкой реактора и проходами для доступа перегрузочного оборудования к активной зоне.

Второй контур ETDR и далее прорисовывается в доступных публикациях грубым пунктиром. Из того, что известно, можно заключить, что второй контур в этом реакторе будет водным, с водой под давлением. Для теплообменников будет использована японская концепция "tube/calandria".

Тепло из второго контура будет сбрасываться в атмосферу. В силу экспериментального характера ETDR, сомнительно, чтобы второй контур мог бы быть подсоединён к потребителю - например, к тепловоду. Как показывает опыт, полученный ещё на Первой АЭС, наука и потребитель мешают друг другу, и объединять их в одной установке нельзя.

Что ещё известно об ETDR, он же ALLEGRO? В реакторе предполагается одна петля. На будущее, предусмотрен отвод 10 МВт от первого контура к экспериментальной петле, где планируется испытание различных конструкций теплообменников для нужд коммерческого быстрого газового реактора.

Вместо заключения

Разумеется, называть ETDR/ALLEGRO фиктивным проектом не стоит. Из выпущенных по нему публикаций можно судить, что это вполне проработанный проект, в который было вложено немало усилий, но остающийся на стадии, предшествующей созданию концептуального проекта.

Те, кто вознамерится построить ALLEGRO, сначала на долгие годы засядут за чертежи и за долгие разговоры с технологами. В известной по ALLEGRO информации катастрофически не хватает указаний на конкретные материалы, даны лишь самые общие данные, скажем, по металлу корпуса.

Разбиение пусковой программы на два этапа - стартовые и демонстрационные активные зоны - облегчает задачу по пуску реактора. Нейтронный поток в ALLEGRO не слишком высок, а температурные условия для стартовых зон сравнимы с условиями в проработанных и проверенных натриевых реакторах. Для сравнения, в российском реакторе МБИР температуры теплоносителя на входе и выходе составят (330-360)°C и (530-565)°C, соответственно.

Но как поведут себя конструкционные материалы при переходе на демонстрационные зоны и подъёме температур? Некоторые эксперты считают, что, вопреки утверждению о совместимости двух режимов работы для основного оборудования РУ и первого контура, при переходе потребуется коренная переделка проекта, сравнимая фактически с новым строительством. Это надолго сдвинет сроки демонстрации основных заявленных преимуществ газовой технологии.

За пределами открытых публикаций по ETDR/ALLEGRO остаются также принципиальные вопросы по организации теплосъёма гелиевым теплоносителем - например, какая мощность будет уходить на работу насосов для прокачки гелия? Принципиально мало говорится и о том, как бороться с протечками гелия, которые, как показывает опыт ещё Первой АЭС, обязательно будут происходить.

Конечно, создание ALLEGRO - интересная инженерно-технологическая задача. Но на её решение придётся потратить немалые силы. Окупятся ли они для тех, кто собирается его построить (в данном случае, Чешская Республика и другие страны Восточной Европы)?