Как казахстанские физики-ядерщики модернизируют советские ядерные реакторы

Корреспондент informburo.kz побывал в Институте ядерной физики, расположенном в 20 километрах от Алматы в посёлке Алатау, где проводится конверсия реактора ВВР-К.

На территории Казахстана сохранились пять научно-исследовательских установок, в основе работы которых лежит принцип деления атомного ядра. Три реактора находятся в Национальном ядерном центре на бывшем Семипалатинском испытательном полигоне. Это импульсный графитовый реактор ИГР; прототип ядерного ракетного двигателя – реактор ИВГ.1М и ампульный реактор РА. Два из них, ИГР и ИВГ.1М – в рабочем состоянии, причём ИВГ.1М в настоящее время в стадии модернизации. Установки активно эксплуатируются в рамках различных международных проектов, позволяющих большой генерации казахстанских учёных активно сотрудничать с их зарубежными партнёрами. Об это мы подробно писали здесь.

Ампульный реактор РА в настоящее время заглушен, топливо из него выгружено и отправлено в Россию. По всей видимости, больше он работать не будет.

Две установки находятся в Институте ядерной физики, крупнейшем научном заведении нашей страны. Институт расположен в посёлке Алатау, недалеко от казахстанского мегаполиса, и занимает обширную территорию в предгорьях Заилийского Алатау. На сегодняшний день в ИЯФ трудятся около 700 сотрудников, здесь множество научных направлений, одно из которых связано с исследованиями в области безопасности атомной энергетики.

Исследования проводятся на ядерном реакторе ВВР-К и так называемом критическом стенде. Это ядерная установка, включающая в себя критическую сборку (устройство, в котором осуществляется самоподдерживающаяся цепная реакция при очень малой мощности), а также комплекс систем и экспериментальных устройств, смонтированных на определённой площадке.

Аббревиатура ВВР-К, придуманная ещё в советское время, расшифровывается как "водо-водяной реактор казахстанский". Это реактор на тепловых нейтронах, где для охлаждения используется вода. К слову, научный инструмент подобного типа есть также в Узбекистане, в узбекском ИЯФ, расположенном в Ташкенте. Он называется ВВР-СМ. По некоторым данным, в настоящее время ВВР-СМ остановлен из-за проблем с топливом (об этом чуть позже). Ранее на нём производились радиофармпрепараты для медицины.

Реактор ВВР-К был введён в эксплуатацию в 1967 году. Критический стенд – в 1972-м. Главная особенность нашего реактора в том, что он способен достаточно долго работать в стационарном режиме. Длительность кампании составляет 21 сутки. В год установка пребывает в активном состоянии где-то 210-230 суток. Для исследовательских атомных реакторов – это довольно серьёзное достижение.

Основное направление исследований на ВВР-К – это материаловедение, проводится также нейтронно-активационный анализ, производство радиофармпрепаратов, а также изотопов для промышленности. Ещё одно направление – исследования в области нейтронной физики. В постсоветское время появилась новая тематика, связанная с испытаниями различных топливных элементов для атомных электростанций.

В советское время институт в основном работал на военно-промышленный комплекс. Есть такое физическое явление – "термоэмиссионное превращение энергии". Это когда энергия деления атомного ядра непосредственно превращается в электрическую. При делении выбрасывается огромное количество энергии, она улавливается специальным экраном и превращается в электрический ток. На основе этого явления разрабатывали источники питания для космических аппаратов. Программа до сих пор не потеряла актуальности. 5-7 лет назад специалисты ИЯФ пытались совместно с учёными из РФ возобновить эти работы. Однако возник вопрос интеллектуальной собственности, и сотрудничество было свёрнуто.

В 1988 году после Чернобыльской аварии было принято решение провести анализ технической безопасности на всех исследовательских реакторах в СССР. ВВР-К был остановлен из-за того, что в своё время его построили в зоне высокой сейсмической активности. Было принято решение усилить конструкцию и заменить оборудование. Но в результате развала Союза эти работы вместо одного-двух лет растянулись на десять. Реактор был запущен вновь только в 1997-м.

После 1997 года казахстанский Институт ядерной физики стал разрабатывать совместные проекты с Японией. Проводились испытания литиевой керамики для элементов конструкции перспективных термоядерных реакторов. Испытывались также изделия из графита, который активно применяется в атомной энергетике как замедлитель нейтронов. Графит имеет свойство гореть, но японцы придумали специальную оболочку для графитовых блоков, благодаря которой графит при взаимодействии с кислородом не загорается. Ещё одно направление исследований было связано с новым типом топливных элементов, разработанных в Японии. Испытывали трансформаторы давления, которые применяются в атомной энергетике, после их облучения нейтронным потоком. Результаты экспериментов сравнивали с новыми разработками японских специалистов.

– По материаловедению – периодически мы облучаем разного вида образцы из стали, железа, меди, – рассказывает главный инженер ВВРК Дархан Накипов. – Исследуем влияние облучения на конструкционные материалы. Сейчас мы начинаем эксперимент с облучением стали. Хотим посмотреть, как ведут себя два аналога – американского и российского производства, из которых построены некоторые узлы ядерных реакторов. Проводим также исследования биологических образцов по методу нейтронно-активационного анализа.

– Что такое конверсия атомного реактора?

– Если в двух словах – это перевод реактора с высокообогащённого топлива на низкообогащённое. Практически во всех советских исследовательских атомных реакторах использовался уран-235 с уровнем обогащения от 36% до 90%. Гипотетически существует возможность использовать высокообогащённый уран для изготовления ядерного оружия. И уже не дай Бог, если расщепляемые материалы такого уровня попадут в руки террористов. Поэтому существуют международные программы, по которым на постсоветском пространстве производится модернизация советских реакторов с переводом их на низкообогащённый уран-235. Уровень обогащения не превышает 20 процентов. Вдохновителем этих программ являются США. Казахстан, в свою очередь, подписал ряд международных договоров по нераспространению, поэтому у нас тоже ведутся такие работы.

– Как именно модернизировали ВВР-К?

– До 2015 года мы работали на высокообогащённом уране – 36%. В 2015-м выгрузили это топливо, провели модернизацию и в 2016-м запустились на низкообогащённом уране. Сейчас у нас обогащение 19,7%.

При конверсии мы заменили стержни управления и приводы. Эти узлы были изготовлены в Чехии, компанией Skoda. Прошло уже полтора года, у нас накопились кое-какие вопросы, потому что это новые разработки. Теперь чешские специалисты изучают результаты работы и должны внести кое-какие изменения по нашим требованиям. Проведённая модернизация достаточно высоко подняла планку безопасного использования нашего реактора. Это вопрос, который волнует всех. Рядом мегаполис, в регионе очень высокая плотность населения. Аварийные ситуации в этих условиях просто недопустимы.

– А кто разрабатывал топливо?

– Топливные сборки были спроектированы нашими специалистами, а изготовлены в России в Новосибирске, на заводе "Химконцентрат" (ОАО НЗХК). Аналогов такого вида топливных сборок нет. Они выполнены в единственном экземпляре. Испытания они прошли успешно. После завершения испытаний в России стали серийно производить такие топливные сборки.

Теперь реактор называется ВВР-КН (водо-водяной реактор казахстанский низкообогащённый).

Ещё мы модернизировали систему управления. Все старые узлы были демонтированы. Российская компания "CНИИП-СИСТЕМАТОМ" разработала нам систему управления. Она установлена. Далее была полностью заменена система радиационного контроля, а также система контроля газо-аэрозольных выбросов. Можно сказать, что теперь у нас реактор на 80% новый.

– Что дальше? Какие перспективы?

– Основное направление сегодня – это производство радиоизотопов и радиофармпрепаратов. Мы производим радиоизотопы для дефектоскопии, применяемые в нефтегазовой отрасли. В основном это иридий-192. Он используется для сканирования сварочных швов, оценки целостности трубопроводов. Радиоизотопы применяются также в строительной отрасли, где с их помощью проверяется качество железобетонных конструкций.

Из радиофармпрепаратов основной – это технеций. Изотоп на основе молибдена, применяемый в диагностике онкологических заболеваний. Мы поставляем его в специализированные медицинские учреждения Алматы и Астаны. Также поставляем изотопы йода для диагностики заболеваний щитовидной железы.

Думаю, что у нас очень большой потенциал в плане поддержки технологий разведки полезных ископаемых. Установка нейтронно-активационного анализа будет полностью загружена.

Мы хотим совместно с Объединённым институтом ядерных исследований, расположенным в российском городе Дубна обновить установку нейтронной радиографии. Она у нас морально устаревшая, построенная в 80-х годах. Сейчас идёт процесс разработки новой установки. В ближайшие год-два мы её смонтируем.

В 2019-2020 годах хотим совместно с этим же институтом разработать и изготовить установку для нейтронной дифракции.

– В советские времена у нас проводились достаточно серьёзные исследования по нейтронной физике, – делится планами Дархан Накипов. – Я надеюсь, что мы начнём эксперименты в этой сфере в будущем. Также будем создавать учебный центр для подготовки персонала исследовательских реакторов, для атомных станций. Если мы говорим о том, что будем строить у нас атомную станцию, то для неё надо готовить персонал не только в вузах, но чтобы они проходили стажировку на реальных объектах атомной энергетики.

– Конечно, это была вынужденная мера, но нет худа без добра – мы полностью обновили реактор, – рассказывает Насурлла Буртебаев. – Реактор был построен лет 50 назад, некоторые его узлы безнадёжно устарели. Теперь там всё компьютеризировано, новая элементная база – это фактически новый реактор. Предполагаем, что он будет работать ещё, как минимум, 15-20 лет. А дальше уже наступает время, когда конструкционные материалы, которые используются на реакторе, устаревают – усталостный эффект.

В первую очередь нас сегодня интересуют его технические характеристики. Мы использовали новые методики формирования активной зоны, защиты и т.п. Благодаря новой системе формирования активной зоны, при уменьшенной в два раза активности, мы увеличили его производительность в два раза. Основная характеристика – это поток тепловых нейтронов. В обычных реакторах такого класса поток нейтронов составляет 10 в 14-й степени. Мы этот поток уплотнили в два раза.

– В Союзе было несколько аналогичных реакторов, – рассказывает далее зам.генерального директора ИЯФ. – Реально сейчас работает только наш. Узбекский закрылся. В России ситуация непонятная. Эксплуатация исследовательского атомного реактора требует больших финансовых затрат. У нас эта проблема решилась несколькими путями, не сильно напрягающими бюджет страны. Любопытно, что узбеки раньше нас перевели свой реактор на низкообогащённое топливо. Но они не учли несколько таких хитрых нюансов: как дальше будет он эксплуатироваться, как будет обеспечиваться новым топливом – это же покупать надо. Мы этот вопрос решили очень удачно: высокообогащённое топливо отправили в Россию, и они нам его вернули в низкообогащённом варианте. То есть мы топливо не покупаем. В Узбекистане не смогли договориться с Россией.

Далее, мы нашли зарубежных партнёров, которые заинтересованы в работе этой установки. Они частично оплачивают эксплуатационные расходы.

– Кто сейчас ваши партнёры?

– Наши партнёры – японцы, россияне. Во многих странах мира сейчас закрывают промышленные реакторы. Научно-исследовательские же установки в основном находятся в развитых странах. В Европе, например, очень активны "зелёные", которые добиваются того, чтобы такие реакторы были ликвидированы. В Японии было много научно-исследовательских реакторов, но после Фукусимы они все были остановлены. Всего в мире осталось несколько таких установок. Они есть в некоторых крупных университетах. Такие реакторы нужны для подготовки кадров, для проведения научных исследований и для производства радиоизотопов для медицины.

– На нашем реакторе мы сейчас исследуем новые конструкционные материалы, новые виды топлива для промышленных реакторов нового поколения. Сейчас в мире полномасштабно работают реакторы второго поколения. Через 10-15 лет начнут эксплуатировать третье поколение. А через 20-30 лет – уже четвёртое. Второе поколение – это реакторы чернобыльского типа. Они управляются человеком. Безопасность эксплуатации обеспечивается человеком. Третье поколение – это уже полуавтоматические реакторы. Реактор четвёртого поколения в случае развития аварийной ситуации сам себя гасит, человек здесь не нужен.

Достаточно сильные позиции в этом отношении имеет Япония. Они разрабатывают именно реакторы четвёртого поколения. Но сейчас, после Фукусимы, исследования приостановились. В США есть передовые разработки – у них около 100 реакторов. Россия и Франция также в лидерах. Канада.

В мире сейчас около 400 промышленных реакторов, из них где-то четвёртая часть – реакторы российской разработки.

США особо не делятся своими технологиями с другими странами. Япония, наоборот – продаёт свои разработки достаточно активно. Россия продаёт.

– Многих алматинцев, мягко говоря, смущает близкое соседство с таким объектом, как ваш. Насколько безопасным стал ВВР-К после конверсии?

– У нашего реактора очень маленькая активная зона, образно выражаясь – это большой самовар. Там очень незначительное количество топлива. Теплового взрыва, как в Чернобыле, здесь просто по определению не может произойти. Около десяти лет назад в наиболее уязвимых узлах реактора были смонтированы специальные демпферы, которые способны смягчить удар сверху. К примеру, если в результате землетрясения произойдёт обрушение кровли. В основном защищены системы теплообмена. Вокруг института есть санитарная зона. При самом негативном сценарии, в случае аварии на реакторе, в пределах этой санитарной зоны будет сильное превышение фона.

– Как вы считаете, нужна ли Казахстану сегодня атомная электростанция?

– Если рассуждать в глобальном масштабе, атомная электростанция нам нужна. Мы производим огромное количество урана. Почему мы его только продаём? Почему мы не можем его сами использовать? Cейчас в Казахстане нет дефицита энергии. Но мы жжём уголь: это, во-первых, огромный ущерб окружающей среде, а во-вторых, нас могут заставить от него отказаться в соответствии с каким-нибудь международным соглашением по климату. Откуда мы тогда возьмем энергию?

– Весь вопрос в транспортировке. Угольные электростанции становятся нерентабельными, если энергию от них надо передавать более чем на 400 километров. Первоначальная идея была построить атомный реактор в Актау на территории МАЭК. Но дело в том, что в Мангистауской области электроэнергии хватает, а тянуть линии в Центральный Казахстан – это 2-3 тысячи километров. Такая электроэнергия становится золотой в буквальном смысле слова. Затем решили строить на Балхаше в районе посёлка энергетиков Улькен. Но общественность выступила против. Была ещё идея построить там не атомную, а угольную электростанцию. Но какая из них более опасна для окружающей среды – это ещё большой вопрос. Угольная станция выбрасывает в атмосферу огромное количество двуокиси углерода, а зола сама по себе радиоактивна. В принципе, если поставить там реакторы третьего поколения, вероятность аварии на такой станции будет ничтожно мала.