2 февраля 2010

MAPLE - дело о принципе

Когда "позитивный" значит "негативный" - под таким заголовком New Scientist рассказывает о судьбе канадских исследовательских реакторов MAPLE. Призванные стать коммерческими производителями радиоизотопов, эти реакторы умерли не родившись из-за положительного мощностного коэффициента реактивности.

В декабре 2007 года новость о проблемах на стареющем канадском реакторе NRU вызвала дрожь в коленках. Установка в Чок-Ривер, чей возраст перевалил за полвека, являлась крупнейшим поставщиком молибдена-99 - изотопа, играющего ключевую роль для нужд медицинской радиодиагностики.

События вокруг NRU получили название "изотопного кризиса". Общественность недоумевала - неужели никто не мог предусмотреть, что старый аппарат может выйти из строя? Неужели никто не озаботился созданием для него замены?

Конечно, в действительности об этом не только думали, но и делали. В Канаде за 330 млн долларов были спроектированы и построены реакторы MAPLE-1 и MAPLE-2. Их главная задача была связана с производством радионуклидов для медицины. Каждый из MAPLE был в состоянии покрыть все общемировые потребности. Иметь два аппарата было необходимо с точки зрения надёжного резервирования.

Горькая правда состоит в том, что MAPLE не были сданы в эксплуатацию и, по всей видимости, этого никогда не случится. Бывшие союзники по проекту рьяно обвиняют друг друга в неудаче и спорят, кто должен за неё заплатить. Многие в индустрии показывают пальцем на канадских регуляторов. В ответ последние утверждают - проектант не смог соблюсти фундаментальные требования по ядерной безопасности.

Свою долю критики получает канадское правительство. В мае 2008 года оно остановило работы по программе MAPLE, так и не дождавшись решения техническими специалистами возникших на реакторе проблем. Эксперты возмущены и клянутся, что им оставалось "от 6 до 18 месяцев", чтобы сделать MAPLE безопасными. Правительство им не верит.

Старые исследовательские реакторы могут делать свою работу и выдавать нужные радиоизотопы после облучения мишеней. Но всегда есть опасность, что старые аппараты протекут или вступят в противоречие с жёсткими требованиями регуляторов.

Чтобы заменить NRU, в середине 90-ых годов канадская компания "MDS Nordion" - известный поставщик радиоизотопов для медицины - наняла королевскую корпорацию AECL, заказав ей проект нового реактор MAPLE (Multipurpose Applied Physics Lattice Experiment). Считалось, что построить два таких аппарата обойдётся в 137 млн долларов.

Что же пошло не так? MAPLE проектировался, исходя из всех требований канадского регулятора. Например, у этого реактора предусматривалось сразу две независимой системы АЗ - первая традиционная на стержнях и вторая, предполагавшая слив из бака активной зоны тяжёлой воды.

Корпорация AECL пообещала регуляторам, что сможет обеспечить в MAPLE отрицательный мощностной коэффициент реактивности (МКР). Сам по себе, положительный МКР для Канады не является трагедией, и в энергетических реакторах CANDU он может реализовываться при определённых условиях. Но для MAPLE всё собирались сделать в лучших мировых традициях, то есть, с отрицательным МКР.

Первые вестники бури появились на горизонте в начале 2000-ых годов, после того, как два MAPLE были построены досрочно, но за удвоенную по сравнению с исходным бюджетом цену. На реакторах выполнялась пусковая программа и ставились эксперименты. К разочарованию пусковой команды, МКР оказался положительным, а не отрицательным, как предсказывали расчёты.

Регуляторы выдали предписание прекратить работы по пуску вплоть до выяснения причины такого расхождения. На протяжении трёх лет AECL билась над возникшей загадкой. Но всё было тщетно. Собранная матмодель MAPLE, cогласно расчётам, была обязана иметь отрицательный МКР, что прямо противоречило экспериментальным данным.

AECL привлекла к анализу независимых консультантов из национальных лабораторий США в Брукхэвене и Айдахо, а также из аргентинской фирмы INVAP, имеющей большой вес среди поставщиков исследовательских реакторов. Никто из них не смог предложить разумного объяснения. Единственный вывод, к которому пришли все участники, состоял в том, что матмодель реактора не принимает во внимание некий неизвестный эффект, и это приводит к расхождению расчётов и реальности.

Мистерия MAPLE стала ещё более загадочной после того, как в Южной Корее был успешно пущен 30-МВт реактор "Hanaro", спроектированный по тем же концепциям, что и канадские установки. Положительного МКР у корейцев зафиксировано не было.

После детального знакомства с проектом "Hanaro" у экспертов AECL появились определённые предположения. Например, корейцы уделили много внимания обеспечению жёсткости конструкции топливных элементов, чего не сделали канадцы. Команда, работавшая на MAPLE, пробила разрешение на серию экспериментов, призванных выявить дифференциальные вклады в МКР от различных элементов конструкции. Довести её до конца не удалось - вся программа MAPLE была закрыта.

Королевская корпорация AECL, принадлежащая канадскому государству, так объяснила решение своих боссов - не было полной ясности, сколько ещё денег потребуется вложить в MAPLE, прежде чем инженеры дадут окончательный ответ о причинах расхождения расчётных и экспериментальных значений МКР. Директор программы Жан-Пьер Лябри считает, что для этого понадобилось бы от пяти до шести лет интенсивных работ. Он называет проблему положительного МКР "непреодолимой".

Индустрия с позицией корпорации и правительства не согласна, а некоторые уверены - дело о положительном МКР для MAPLE не стоит выеденного яйца: "Это не загадка природы, это не неразрешимая инженерная проблема. Это незначительный термомеханический эффект в прототипном проекте, который требует устранения простыми инженерными средствами".

Дэниэль Менли, бывший главный инженер AECL, заходит в своих рассуждениях ещё дальше. Добиваться отрицательного МКР на MAPLE не имеет никакого смысла. Полученный небольшой положительный эффект реактивности легко компенсировался бы за счёт управляющих стержней: "Не имеет значения, положительный коэффициент или отрицательный, потому что в любом случае он очень мал по модулю".

Многие канадские атомщики полагают, что MAPLE можно пускать хоть сегодня. Провал программы связан не с тем, что AECL не смогла обеспечить должные параметры реактора, а с тем, что регуляторы увязали пуск реакторов с обязательным выполнением корпорацией данных ею обещаний.

Линда Кин (Linda Keen) занимала пост президента канадской комиссии по ядерной безопасности с 2001 года по январь 2008 года. По образованию она не физик, но до прихода в комиссию она имела опыт регулирования в пищевой промышленности и в промышленности, связанной с производством взрывчатых веществ.

"Я относилась к AECL как к любой другой организации, подпадающей под лицензирование", - настаивает Кин. Она брала на себя роль выразителя интересов канадского народа, а не атомной отрасли, и это разрушило полувековую гармонию между атомщиками и регуляторами в Канаде.

В старые добрые времена до прихода Кин атомщики и регуляторы были хорошими приятелями. Регуляторы помогали сглаживать проблемы. Они работали вместе с атомными компаниями и стремились обеспечить "реальную безопасность" ядерных установок, а не пунктуальное выполнение требований стандартов, вспоминает почётный профессор Билл Гарланд из университета Мак-Мастера в провинции Онтарио.

Год 2000 стал для атомной Канады переломным. В стране был создан независимый атомнадзор. Линда Кин знала - её задача не помогать атомщикам, а защищать канадских граждан. Говоря про MAPLE, Кин признаётся - дело было вовсе не в положительном МКР: "Мы сказали им - вы обещали, что МКР станет отрицательным. Ваш анализ безопасности базировался на этом предположении. Теперь расскажите нам, во что превратился ваш анализ".

В этом и заключается корень проблемы, уверен инженер-атомщик Жан Кокляс из монреальского политехнического института: "Проблема состояла не в знаке коэффициента, а в том, что его не смогли правильно рассчитать. Оказавшись в такой ситуации, когда ваши расчёты были ошибочны в простейших ситуациях, как вы можете обещать, что ваш расчётный анализ безопасности для сложных случаев будет корректным?".

Бытует неправильное мнение, что "маленькие" реакторы рассчитывать проще, чем "большие". На самом деле, всё наоборот. В энергетическом реакторе большой мощности неучёт того или иного эффекта нередко никак не сказывается на конечном результате вычислений. В малом реакторе небольшая погрешность в температуре или позиции конструкционного элемента может перевернуть результат с ног на голову.

"Наивно думать, что разностный и такой чувствительный параметр, как МКР, реально просчитать для исследовательского реактора с большой точностью", - утверждает Менли.

Так или иначе, программа MAPLE была закрыта, реактор NRU продолжил работу, не имея канадского дублёра. В мае 2009 года на нём была обнаружена утечка тяжёлой воды через корпус, и с тех пор он остановлен на ремонт. Врачи по всему миру держат пальцы и молятся за то, чтобы персонал отремонтировал протёкший корпус NRU до апреля этого года, ведь второй крупный производитель молибдена - реактор в Петтене, Нидерланды - собирается вскоре уйти на полугодовой ППР.

В Канаде вновь заговорили о необходимости построить новый исследовательский реактор на замену NRU. Первые прикидки бюджета составляют 1,2 млрд канадских долларов. Ну а на MAPLE окончательно и бесповоротно поставлен крест.