Юрий Орлов: о тяжёлых металлах

3 января 2011

В октябре 2010 года в ГНЦ РФ - ФЭИ прошёл межотраслевой семинар "Тяжёлые жидкометаллические теплоносители в быстрых реакторах (Теплофизика-2010)".

На вопросы электронного периодического издания AtomInfo.Ru любезно согласился ответить профессор Юрий Иванович ОРЛОВ, советник директора института ядерных реакторов и теплофизики (отделение ГНЦ РФ - ФЭИ), руководитель проекта "Тяжёлые жидкометаллические теплоносители".

Конференция "Теплофизика-2010"

Юрий Иванович, сначала несколько слов о конференции.

В нашем институте уже давно стало традицией проводить конференции под названием "Теплофизика-20xx". На этих конференциях, имевших статусы от межотраслевого до международного, обсуждались вопросы теплогидравлики, технологии теплоносителей, безопасности работы РУ с различными теплоносителями (натрий, эвтектический сплав свинца с висмутом, свинец, вода).

В этом году стартовала федеральная целевая программа "Ядерные энерготехнологии нового поколения". По этой программе необходимо разработать и создать три крупные реакторные установки на натриевом (БН), на свинец-висмутовом (СВБР) и свинцовом (БРЕСТ) теплоносителях.

Поскольку в двух из трёх РУ предусматривается использовать тяжёлые жидкометаллические теплоносители, в тематике конференции был сделан упор на тяжёлые теплоносители. Программный комитет конференции решил не ограничиваться узкой тематикой, а собрать разных специалистов, чтобы более широко понять, что мы имеем на сегодняшний день и какие цели и задачи стоят в нашей работе в будущем.

В докладе научного руководителя РУ БРЕСТ, профессора Орлова Виктора Владимировича были изложены идеология и цели создания РУ со свинцовым теплоносителем. Научный руководитель РУ СВБР, профессор Тошинский Георгий Ильич рассказал о состоянии работ по научно-техническому обоснованию проекта РУ СВБР.

Было представлено 67 докладов по теплогидравлике, технологии тяжёлых теплоносителей, стойкости конструкционных материалах в теплоносителях и др. Всего работало 5 секций. В работе конференции приняли участие более 100 специалистов из 24 организаций из таких городов как Москва, Санкт-Петербург, Сосновый бор, Нальчик, Нижний Новгород, Екатеринбург, Троицк и др.

Свинец-висмут и свинец

Как выбирались сплав свинца с висмутом и свинец в качестве теплоносителей для РУ?

В послевоенное время в рамках "Атомного проекта" широко разворачивались работы по созданию ядерных энергетических установок мирного и военного назначения. Для охлаждения высоконапряжённых активных зон РУ было предложено использовать жидкие металлы, обладающие хорошими теплофизическими свойствами.

В 1950 году академик А.И. Лейпунский предложил создать реакторы гражданского назначения на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем и реакторы на промежуточных нейтронах для РУ подводных лодок с эвтектическим сплавом свинца с висмутом в качестве теплоносителя.

Выбор сплава Pb-Bi был определен его положительными физико-химическими и теплофизическими свойствами. Низкая химическая активность при взаимодействии с воздухом, водой, паром и высокая температура кипения исключают возможность взрыва и пожара, вскипания в энергонапряженных участках контура.

Для РУ космических аппаратов был использован сплав натрия с калием. Широко исследовался литий.

Для обоснования и создания РУ с жидкометаллическими теплоносителями и был создан наш институт. ГНЦ РФ - ФЭИ до сих пор является крупнейшим научным центром в мире, имеющим уникальную экспериментальную базу и великолепных специалистов.

За мою долгую трудовую жизнь мне пришлось поработать со многими теплоносителями для РУ. Это и вода, сплав натрия с калием, ртуть, литий, свинец и сплав свинца с висмутом. Имея такой опыт, я могу сравнить разные теплоносители и оценить их положительные и отрицательные свойства.

В 1963 году была спущена на воду первая подводная лодка проекта 645 со свинец-висмутовым теплоносителем. Первая кампания проходила, хотя и с некоторыми неполадками, но успешно. В периоды долгосрочных автономных походов был накоплен уникальный опыт эксплуатации реакторной установки с тяжёлым теплоносителем.

Однако слишком "доверчивое" отношение к великолепным свойствам этого теплоносителя, недостаточность знаний о свойствах теплоносителя, а также ошибки обслуживающего персонала привели к тяжёлой аварии на РУ в мае 1968 года.

В ГНЦ РФ - ФЭИ были созданы группа, лаборатория, а потом отдел по изучению физико-химических свойств теплоносителя, созданию методов и средств технологии теплоносителя.

В этот период на стапелях уже была заложена серия уникальных подводных кораблей 705 проекта. А опытная лодка этого проекта (900) уже была почти готова.

Работа была очень тяжёлой и физически (по семь месяцев в году командировки), и морально (постоянные отчёты в верхах). Но в тоже время было удовлетворение от нашей востребованности. И был результат.

На всех лодках были внедрены разработанные методы и средства технологии теплоносителя. Уже в 1976 году было разработано "Руководство по правилам обращения с теплоносителем Pb-Bi". Счастлив тот, у кого в жизни был такой период сложной и ответственной работы. И был отличный результат, и были награды Родины. Мы обосновали новый теплоноситель для атомной энергетики! Мы были счастливы! Мы были горды за себя и за Родину!

Американцы тоже пытались обосновать свинец-висмутовый теплоноситель, но не смогли и программу закрыли.

Но в итоге история 705-ого проекта, к сожалению, подошла к концу…

Пришло время "перестройки". Был уничтожен весь дивизион 705-ых. Шесть лодок. Жалко было, слов нет! Лодки эти - потрясающее зрелище. Их, простите за вольность, как женщину хотелось обнимать.

Прекрасные коллективы остались без работы. Мы занимались всем, чем могли, чтобы выжить.

В 1993 году мне впервые разрешили выехать за рубеж, в Карлcруэ (ФРГ), где проходил семинар по жидкометаллическим теплоносителям. Говорили там, в основном, о натрии. Я представил доклад по тяжёлым металлам, и абсолютно никакого эффекта он не произвёл.

Тем не менее, доклад был опубликован, и им заинтересовался лауреат Нобелевской премии по физике Карло Руббиа. Он хотел создать ускорительно-управляемую ядерную установку, где сплав свинца с висмутом является и мишенью и теплоносителем.

Под этим флагом нам удалось сохранить технологию тяжёлометаллических теплоносителей, и самое главное - удержать коллективы от распада. Эта работа нам здорово помогла. Мы более глубоко изучили сплав Pb-Bi. В сотрудничестве с нашими военными нас всё время подгоняли сроки - сделать всё как можно быстрее. А в рамках проекта, который инициировал К.Руббиа, мы смогли обстоятельно разобраться во многих процессах.

Три проекта

Юрий Иванович, в любом разговоре о тяжёлых металлах никуда мы не денемся от вопроса - так, всё-таки, свинец или свинец-висмут?

В конце 80-х годов профессором В.В.Орловым (НИКИЭТ) была предложена концепция быстрого реактора с естественной безопасностью БРЕСТ, в котором в качестве теплоносителя был выбран свинец.

Наряду с основными положительными свойствами сплава Pb-Bi, у свинца полониевая активность примерно на три порядка меньше, чем у сплава. Свинец является недефицитным материалом, и производство его хорошо налажено. Он сравнительно недорогой (в 10-20 раз дешевле висмута).

В начале было опасение, что высокая температура плавления свинца (327°С) создаст трудности при его использовании в циркуляционных контурах. Однако эти опасения были преувеличены. Сейчас и у нас, и за рубежом без проблем работают экспериментальные установки со свинцовым теплоносителем.

За 20 лет работы над проектом БРЕСТ нашим институтом было очень много сделано по физике, теплогидравлике, материаловедению и по технологии свинцового теплоносителя. Разработан проект "Руководство по правилам обращения со свинцовым теплоносителем применительно к РУ "БРЕСТ-ОД-300".

Таким образом, можно считать, что Россия имеет два новых научно-обоснованных прекрасных теплоносителя. Это - эвтектический сплав свинца с висмутом (PB-Bi) и свинец (Pb). Это два брата-близнеца. Выбор стоит за конструкторами в зависимости от их "вкуса", целей и задач создаваемых установок.

Накопленный опыт при создании и эксплуатации судовых ЯЭУ и полученные в последние 25 лет результаты расчётно-теоретических и экспериментальных исследований позволяют считать, что тяжёлые жидкометаллические теплоносители будут играть важную роль в ядерных технологиях XXI века.

При обосновании свинца и сплава свинца с висмутом в качестве теплоносителей в ГНЦ РФ - ФЭИ и в других организациях страны была проделана громаднейшая научно-исследовательская работа как фундаментального, так и прикладного характера. Мы подошли к изучению работы циркуляционного контура, как к живому организму, в котором надо поддерживать определённую температуру, концентрацию, избавляться от шлаков и подпитывать организм (контур) кислородом.

В итоге были разработаны научные основы технологии тяжёлых (Pb-Bi, Pb) жидкометаллических теплоносителей, которые определяют методы и средства технологии, регламент их исследования применительно к каждой конкретной реакторной установке.

Я не стал бы сегодня вдаваться очень глубоко в технические детали. Для этого можно ознакомиться с докладами, подготовленными для конференции "Теплофизика-2010", и другими нашими статьями и отчётами.

Но обязательно следует остановиться вот на чём. Не случайно, что из трёх проектов, вошедших в ФЦП, в двух в качестве теплоносителя используются тяжёлые металлы.

Мы рады этому. Но не хотелось бы, чтобы это хорошее направление, чтобы вся программа развития быстрых реакторов забуксовала бы, натолкнувшись на местнические интересы.

Конструкторам и научно-исследовательским институтам нужно объединиться. Не допускать повторных работ, а напротив, с умом использовать те заделы, ту экспериментальную базу, что уже создана на предприятиях Госкорпорации "Росатом".

Меня очень пугает, когда я слышу высказывания о том, что поистине гигантскую работу по развитию быстрых реакторов можно якобы выполнить, не проводя полномасштабных НИОКР. Неважно, по какой причине - из-за нехватки денег или времени…

Необходимо выполнять всю программу НИОКР, предложенную научным руководством. Иначе мы столкнёмся с неприятными последствиями в будущем. Роль науки в реализации федеральной программы по инновационным ядерным технологиям должна быть определяющей.

Спасибо, Юрий Иванович, за интервью для электронного издания AtomInfo.Ru.