Концепция малого реактора "MegaPower", предложенная национальной лабораторией Лос-Аламоса (LANL), появилась на свет относительно недавно, но уже приобрела немало сторонников и последователей.
О своём интересе к ней говорят американские военные, выбирающие реакторные технологии для мобильных АЭС, а компания "Westinghouse" развила идеи Лос-Аламоса в собственный малый проект "eVinci".
Предшественником "MegaPower" можно считать проект "KiloPower", разработанный Лос-Аламосом в партнёрстве с НАСА для нужд американской космической программы. Это был сверхмалый аппарат, в чьи задачи входило работать в автономном режиме на протяженни десятилетий на Луне, на Марсе или на других небесных телах.
Следующим шагом стал перенос концепции "KiloPower" в земные условия с увеличением мощности и со сменой потенциальных заказчиков - вместо космонавтов потребителями стали военные (хотя и гражданские применения не исключались). Так родился проект "MegaPower".
В своём исходном виде (2017 год) проект "MegaPower" имел следующие основные характеристики.
Мощность реактора - 5 МВт(т), или 2 МВт(э). Топливо - UO2 обогащением 19,75%. Кампания реактора - 5 лет или более, выгорание - порядка 1-2%. Спектр нейтронов в реакторе - быстрый.
Активная зона представляет собой монолитную шестигранную структуру из нержавеющей стали "Type 316". Через неё проходят твэлы и тепловые трубы с жидким калием при рабочей температуре 675°C.
Теплоотвод от активной зоны происходит без помощи насосов. Тепловые трубы отводят тепло от монолита за счёт кипения калия, который далее попадает в конденсаторный объём труб, рассчитанный на размещение одного или нескольких теплообменников (то есть, возможно совместное производство электроэнергии и тепла).
Активная зона окружена отражателем из Al2O3, в котором расположены 12 барабанов со стержнями СУЗ из карбида бора (обогащён до 90%). Активная высота топлива - примерно 1,5 метра. Внешний диаметр отражателя - примерно 1,5 метра.
Монолит изготавливается из шести идентичных сегментов. При их соединении в центре активной зоны образуется шестигранный в сечении объём, в который вводятся два стержня АЗ.
Проект "MegaPower" обладает рядом заявленных положительных сторон самого разного характера.
Тепловая труба работает при относительно низком давлении и содержит всего до 100 грамм жидкости в герметично закрытой стальной трубке. Таким образом, использование технологии тепловых труб позволяет решить одну из самых сложных проблем с безопасностью для реакторов II и III поколений, а именно, проблему потери теплоносителя первого контура.
Каждый твэл в активной зоне соседствует с тремя тепловыми трубами. Это было сделано как для эффективности теплоотвода, так и для обеспечения принципа резервирования. В целом по активной зоне число тепловых труб и твэлов соотносится как 1:2.
Для реактора "MegaPower" характерны большие отрицательные температурные коэффициенты в реактивности. Отрицательные вклады в ТКР дают Допплер-эффект, аксиальное удлинение UO2 за счёт теплового расширения, а также тепловое расширение стального монолита.
Отрицательный температурный эффект позволяет смягчить колебания мощности в переходных режимах.
Управление реактором при нормальной эксплуатации и при отклонении от неё достаточно простое, чему способствуют большая отрицательная обратная связь по реактивности (-0,2 цента на градус), малый запас реактивности на начало кампании (2,88 доллара), применение барабанов для стержней СУЗ и относительно высокая бета-эффективная урана-235 (0,0073).
К преимуществам также можно отнести использование оксидного топлива с обогащением 19,75%, которое в США планируется сделать доступным для коммерческого использования.
Разработанная в Лос-Аламосе концепция "MegaPower" в 2017 году была тщательно проанализирована в другой национальной лаборатории, в Айдахо.
При этом использовался метод PIRT (Phenomena Identification and Ranking Table, идентификация и ранжирование процессов и явлений), позволяющий идентифицировать и ранжировать по приоритетам процессы и явления, при которых важные для безопасности компоненты и системы должны выполнять соответствующие их назначению функции безопасности.
Анализ вскрыл ряд существенных недостатков проекта.
Каждая из тепловых труб в состоянии отвести от активной зоны примерно 4 кВт тепловой энергии. Для реактора мощностью 5 МВт(т), по расчётам Айдахо, потребуется установить 1224 тепловые трубы, проходящие сквозь стальной монолит.
Просверлить такое количество дыр в стальном 1,5-метровом монолите с заданной точностью 1 мм современный заводской уровень не позволяет. В проекте придётся учесть возможности заводов, а это приведёт к потерям в запасе реактивности, что, в свою очередь, придётся компенсировать либо увеличением размеров активной зоны, либо увеличением загрузки урана.
Другой вариант решения этой проблемы, предложенный в Айдахо - собирать монолит из стальных пластин с предварительно просверленными отверстиями, причём использовать для сборки метод горячего изостатического прессования(HIP-process).
Этим трудности изготовления не исчерпываются. Монолит с тепловыми трубами представляет собой интегрированную структуру. Любая ошибка при изготовлении чревата тем, что монолит будет отбракован целиком. А ошибки обязательно будут - например, при сварке тепловых труб.
Но даже если ошибку заводчан признают несущественной, она может дорого обойтись при работе и то и при пуске реактора. Запас реактивности очень мал и, например, незначительные на первый взгляд отклонения в решётке труб могут оказаться для него смертельными.
Более того, одни только неопределённости в знании сечений урана-235 в быстрой области спектра дают погрешности в расчётах критичности, сравнимые с начальным запасом реактивности.
Не всё будет просто и в эксплуатации. Так, отказ одной тепловой трубы способен создать в монолите термические напряжения, превышающие предельные значения, прописанные в стандартах ASME.
Отдельный вопрос - живучесть монолита при сейсмических событиях. В проекте Лос-Аламоса, монолит расположен горизонтально, и большая часть веса активной зоны поддерживается его паутинной структурой (толщина стали между тепловыми трубами и твэлами - 1 мм, между твэлами - 1,75 мм). Нет чёткого понимания, как такая структура поведёт себя при сейсмической нагрузке, а также как возможное при этом изменение геометрии повлияет на реактивность.
Наконец, серьёзным недостатком проекта следует считать отсутствие должной защиты в глубину. Единственными барьерами между топливом и окружающей средой выступают паутинная структура монолита и тепловые трубы. Возможные отказы в них откроют пути для выхода осколков деления наружу.
Национальная лаборатория Айдахо не только выполнила анализ проекта "MegaPower", но и предложила два разработанных на его основе собственных варианта, в том числе вариант с твэлами, покрытыми оболочкой (в исходном варианте оболочки у твэла отсутствуют). Но и эти проекты пока остаются на концептуальном уровне проработки.