Газоохлаждаемые реакторы: от Magnox и AGR до гелиевых ВТГР

• 1956Колдер-Холл с реакторами Magnox подключён к сети
• 14реакторов AGR построено в Великобритании
• 950 °Cгелий на выходе из японского HTTR при полной мощности
• ≈ 1 ммдиаметр микротвэла TRISO

Зачем охлаждать реактор газом

В большинстве энергетических реакторов тепло уносит вода: в ВВЭР она одновременно замедляет нейтроны и охлаждает топливо — об этом рассказано в статье «Как устроен ядерный реактор». Но с первых лет атомной энергетики у воды был соперник — газ: углекислый в британских и французских реакторах, гелий — в высокотемпературных.

У газа как теплоносителя три достоинства. Он не меняет фазу: в активной зоне нечему вскипать, нет ни паровых пузырей, ни кризиса теплообмена при кипении. Газ почти не замедляет и не поглощает нейтроны, а гелий к тому же химически инертен и практически не становится радиоактивным. И главное — газ можно нагреть намного сильнее воды без сверхвысокого давления.

Температура теплоносителя определяет температуру пара, а с ней и КПД станции. У ВВЭР вода выходит из активной зоны примерно при 320 °C, а газ в разных газоохлаждаемых реакторах нагревали примерно до 350–400 °C, до 650 °C и даже до 950 °C.

Температура теплоносителя на выходе из активной зоны

• ≈ 320 °CВВЭР — вода
• ≈ 350–400 °CMagnox — углекислый газ
• ≈ 640–650 °CAGR — углекислый газ
• 750–950 °CВТГР — гелий

За это приходится платить. Газ плохо отводит тепло: при равном объёме он уносит намного меньше тепла, чем вода. Поэтому его сжимают до нескольких мегапаскалей и гонят через активную зону мощными газодувками. А раз газ не замедляет нейтроны, замедлителем служит графит, и активная зона получается крупной.

Magnox: первое поколение

Первым большим семейством газоохлаждаемых реакторов стали британские Magnox. 27 августа 1956 года к сети подключили станцию Колдер-Холл с четырьмя такими реакторами — её называют первой атомной станцией промышленного масштаба. Первой же АЭС, давшей ток в энергосеть, двумя годами раньше стала Обнинская; о ней — в статье «История атомной отрасли». Колдер-Холл был двухцелевым: кроме электроэнергии, его реакторы нарабатывали плутоний.

Топливо Magnox — природный уран в виде металлических стержней. Графит и углекислый газ поглощают нейтроны так слабо, что цепная реакция идёт без обогащения. Стержни заключали в оребрённые оболочки из сплава магния с небольшой добавкой алюминия; от названия сплава — magnesium non-oxidising, «неокисляющийся магний», — получил имя и реактор.

Но и магниевый сплав, и металлический уран боятся нагрева: сплав с ростом температуры всё активнее окисляется, а уран при сильном нагреве меняет кристаллическую структуру. Поэтому газ на выходе из активной зоны нагревался лишь примерно до 350–400 °C, давление углекислого газа составляло от 0,7 до 2,7 МПа, а КПД — от 23 % у Колдер-Холла до примерно трети у последних станций. Из-за низкой плотности энерговыделения реакторы получались огромными: графитовая кладка весила больше тысячи тонн.

Топливо меняли на ходу: перегрузочные машины работали сверху, через каналы в графите, — как позднее в РБМК и CANDU. Отработавшее топливо долго держать в бассейне нельзя: магниевые оболочки корродируют в воде, поэтому его отправляли на переработку. Первые корпуса делали стальными, а на двух последних станциях, Олдбери и Уилфа, — из предварительно напряжённого бетона.

В Великобритании построили 26 реакторов Magnox на 11 станциях и ещё по одному — в Италии и Японии. Похожим путём пошла Франция: её реакторы UNGG — по-французски «природный уран, графит, газ» — тоже работали на металлическом природном уране, но в оболочках из сплава магния с цирконием. Позже обе страны перешли на другие типы реакторов; последний Magnox, на станции Уилфа, остановили 30 декабря 2015 года.

AGR: обогащённый уран и сталь

Следующим британским шагом стал AGR — advanced gas-cooled reactor, усовершенствованный газоохлаждаемый реактор. Прототип заработал в Уиндскейле в 1962 году, а в 1976–1988 годах в стране пустили 14 реакторов AGR на семи станциях, по два на каждой. Графит и углекислый газ остались, но топливо стало другим.

Металлический уран заменили таблетками диоксида урана, обогащённого до 2,5–3,5 %, а магниевый сплав — оболочками из нержавеющей стали. Сталь выдерживает куда более высокую температуру, но заметно сильнее поглощает нейтроны, поэтому без обогащения уже не обойтись.

Углекислый газ в AGR сжат примерно до 4 МПа и нагревается в активной зоне примерно до 640–650 °C. Пар получается с температурой около 540 °C, как на хорошей угольной станции, и проектный КПД AGR — около 41 % против примерно трети у ВВЭР.

Magnox и AGR: что изменилось во втором поколении

Корпус всех AGR — из предварительно напряжённого бетона со стальной облицовкой изнутри. В нём стоят и активная зона, и котлы-парогенераторы, так что горячий газ под давлением не выходит за пределы бетонного массива. Такой корпус не нужно ковать и перевозить: его возводят на площадке, обжимая бетон натянутыми стальными канатами.

Слабым местом AGR оказался графит. Под облучением блоки кладки меняют размеры, а углекислый газ постепенно окисляет графит в порах — блоки теряют массу и прочность. В 2014 году на станции Хантерстон-B впервые нашли трещины у шпоночных пазов блоков. Состояние графита и определило срок службы: Хантерстон-B и Хинкли-Пойнт-B закрыли в 2022 году.

Высокотемпературные гелиевые реакторы

Чтобы поднять температуру ещё выше, из активной зоны пришлось убрать металл. Так появились высокотемпературные газоохлаждаемые реакторы — ВТГР, по-английски HTGR. Теплоноситель в них — гелий под давлением в несколько мегапаскалей: он не вступает в химические реакции и почти не поглощает нейтроны. Замедлитель и главный материал активной зоны — графит.

Топливо ВТГР совсем не похоже на таблетки ВВЭР, о которых рассказано в статье «Как делают ядерное топливо». Его основа — микротвэл, частица TRISO диаметром около миллиметра. В центре — топливное ядро из диоксида или оксикарбида урана диаметром около половины миллиметра. Его окружают слои: пористый углеродный буфер, куда уходят газы деления, плотный пироуглерод, карбид кремния и снова пироуглерод. Карбид кремния — главный барьер: он удерживает продукты деления примерно до 1600 °C.

Тысячи микротвэлов запекают в графитовую матрицу, а дальше пути расходятся. В реакторах с шаровой засыпкой это графитовый шар диаметром около 6 см, в котором порядка десяти тысяч микротвэлов; таких шаров в активной зоне сотни тысяч. В призматических реакторах микротвэлы спрессованы в небольшие цилиндры — компакты, их вставляют в отверстия шестигранных графитовых блоков, а из блоков складывают активную зону.

Шары медленно опускаются сквозь засыпку и выводятся снизу. Каждый проверяют: если топливо ещё не выгорело, шар возвращают наверх, и через активную зону он проходит несколько раз. Перегрузка идёт непрерывно, без остановки реактора, а избыточный запас реактивности в зоне невелик. Гелий проходит засыпку сверху вниз, нагреваясь до 750–950 °C, и уходит к парогенератору.

Высокотемпературный газоохлаждаемый реактор с шаровой засыпкой (схема). Активная зона — засыпка из графитовых шаров с топливом, которые медленно опускаются вниз и выводятся снизу, а сверху добавляют свежие. Гелий проходит сквозь засыпку сверху вниз, нагревается и уходит к парогенератору. Топливо внутри шара — тысячи микротвэлов: ядро из оксида урана в нескольких слоях пироуглерода и карбида кремния, которые удерживают продукты деления.

От AVR до HTR-PM

Первым реактором с шаровой засыпкой стал немецкий AVR в Юлихе: он проработал больше двадцати лет и выдавал гелий с температурой до 950 °C. В США за демонстрационным Peach Bottom-1 последовала станция Fort St. Vrain с призматическими блоками и корпусом из преднапряжённого бетона.

Опыт первых крупных ВТГР оказался трудным. В Fort St. Vrain через газодувки с подшипниками на водяной смазке в гелиевый контур попадала влага, а когда в важном узле нашли коррозию, ремонт сочли слишком дорогим и станцию закрыли. Немецкий THTR-300 проработал лишь несколько лет: стержни регулирования вводили прямо в засыпку, шары разрушались чаще ожидаемого, а к техническим трудностям добавились политические.

Следующее поколение начиналось с исследовательских установок: японского HTTR с призматическими блоками, который в 2004 году дал на выходе гелий с температурой 950 °C при полной мощности, и китайского HTR-10 с шаровой засыпкой.

На опыте HTR-10 в Китае построили демонстрационную станцию HTR-PM в Шидаоване: две реакторные установки по 250 МВт тепловой мощности питают одну турбину мощностью около 210 МВт. Блок подключили к сети в декабре 2021 года, а в декабре 2023 года ввели в коммерческую эксплуатацию.

В СССР с 1970-х годов разрабатывали проекты гелиевых реакторов для энерготехнологических станций, дающих и электроэнергию, и тепло для химических производств, — ВГ-400, модульного ВГМ и других. Главным конструктором было ОКБМ в Горьком, научным руководителем — Курчатовский институт, но до строительства энергетического ВТГР дело не дошло. Позднее ОКБМ вместе с американской компанией General Atomics разрабатывало проект ГТ-МГР — модульного гелиевого реактора с газовой турбиной.

Высокая температура: плюсы и минусы

Главный довод в пользу ВТГР — температура. Гелий с температурой 750 °C даёт пар как на современной угольной станции и КПД около 40 %, а в проектах вроде ГТ-МГР горячий гелий направляют прямо в газовую турбину. Тепло такого уровня нужно и промышленности — химии, нефтепереработке, металлургии; о том, где для этого удобны небольшие реакторы, рассказано в статье «Малые АЭС».

Особый интерес — водород. Получать его из воды без сжигания топлива можно термохимическими циклами и высокотемпературным электролизом пара, а им нужно тепло порядка 850–950 °C. Пока такие технологии отрабатывают на опытных установках.

Второй довод — поведение при потере охлаждения. Плотность энерговыделения в активной зоне ВТГР в десятки раз ниже, чем в ВВЭР, а графит теплоёмок и выдерживает очень высокую температуру. Если газодувки остановятся, топливо нагреется, уран-238 станет сильнее поглощать нейтроны, и цепная реакция затухнет сама, даже без ввода стержней.

Остаточное тепло медленно уйдёт через графит и стенку корпуса к системе охлаждения шахты реактора. Активную зону модульных ВТГР делают узкой и высокой, чтобы при этом температура топлива осталась ниже предела, который держат частицы TRISO. Испытания с остановкой газодувок проводили на AVR, HTR-10 и HTR-PM.

Что происходит в ВТГР, если газодувки остановились

1. Газодувки остановилисьгелий перестаёт уносить тепло из активной зоны
2. Топливо нагреваетсяуран-238 сильнее поглощает нейтроны
3. Реакция затухает самадаже без ввода стержней
4. Тепло уходит наружучерез графит и стенку корпуса к системе охлаждения шахты
5. Топливо целов узкой активной зоне температура ниже предела частиц TRISO

Цена — размеры. Из-за низкой плотности энерговыделения тепловая мощность одного модуля ограничена сотнями мегаватт, а корпус и кладка получаются огромными по сравнению с ВВЭР. Графит под облучением меняет размеры и трескается, а в засыпке шары трутся друг о друга, и графитовая пыль с осевшими на ней продуктами деления разносится по контуру — это осложняет обслуживание и будущий демонтаж.

Гелий проникает через малейшие неплотности, а примеси в нём опасны: вода и воздух окисляют горячий графит. Поэтому течь парогенератора, при которой пар попадает в гелиевый контур, — одна из главных проектных аварий ВТГР, а гелий непрерывно очищают. Наконец, топливо TRISO дорого, а отработавшие шары и блоки дают много графитовых отходов.

Что важно изготовителю

Главное отличие оборудования газоохлаждаемых реакторов от привычного для ВВЭР — температура: то, что в ВВЭР работает около 300 °C, здесь работает при 650–950 °C, где металл под нагрузкой медленно ползёт. Поэтому в требованиях к материалам на первый план выходят длительная прочность и сопротивление ползучести.

• Графит. Реакторный графит особой чистоты — прежде всего по бору и другим сильным поглотителям нейтронов. Из него делают блоки кладки и отражателя с точными отверстиями, пазами и шпонками; графит хрупок и при обработке пылит, поэтому нужны свой инструмент, оснастка и пылеудаление.
• Жаропрочные стали и сплавы. Для горячих газоходов, внутрикорпусных конструкций и теплообменников — хромомолибденовые стали и никелевые сплавы, рассчитанные на годы работы при высокой температуре. Например, промежуточный теплообменник «гелий — гелий» японского HTTR сделан из никелевого сплава Hastelloy XR.
• Корпуса. У британских реакторов — преднапряжённый бетон со стальной облицовкой, проходками и закладными деталями. У HTR-PM — стальной корпус высотой около 25 м: он больше корпуса ВВЭР-1000, хотя тепловая мощность модуля в 12 раз меньше.
• Газодувки. Гелиевые компрессоры, уплотнения которых не должны выпускать гелий наружу и пропускать смазку в контур. Опыт Fort St. Vrain показал, к чему ведёт вода в подшипниках; в новых установках, например в HTR-PM, ротор газодувки держат электромагнитные подшипники без смазки.
• Теплообменники. Парогенераторы со змеевиками и теплообменники «гелий — гелий» работают при больших перепадах температур, поэтому важны качество сварки труб, их контроль и чистота.
• Герметичность. Гелиевый контур проверяют гелиевыми течеискателями, а к сварным швам и уплотнениям разъёмов требования строже, чем у водяных контуров.

Для заказчика это означает испытания металла при высокой температуре, в том числе на длительную прочность, и входной контроль чистоты каждой партии графита. Типичная ошибка — переносить на горячие узлы опыт водяных реакторов: материал, который десятилетиями служит при 300 °C, при 700 °C быстро теряет прочность из-за ползучести.

Термины

• MagnoxБританский газоохлаждаемый реактор на природном металлическом уране в оболочках из магниевого сплава, с графитовым замедлителем и углекислым газом.
• AGRУсовершенствованный газоохлаждаемый реактор: графит, углекислый газ, обогащённый диоксид урана в оболочках из нержавеющей стали.
• ВТГРВысокотемпературный газоохлаждаемый реактор с гелиевым теплоносителем, графитовым замедлителем и топливом из микротвэлов.
• МикротвэлЧастица топлива диаметром около миллиметра в оболочке из слоёв углерода и карбида кремния; по-английски TRISO.
• Шаровая засыпкаАктивная зона из графитовых шаров с микротвэлами, которые медленно проходят через реактор и перегружаются без его остановки.
• Призматический блокШестигранный графитовый блок с отверстиями для топливных компактов и газа; из таких блоков складывают активную зону.
• Корпус из преднапряжённого бетонаКорпус реактора из бетона, обжатого натянутыми стальными канатами, со стальной облицовкой изнутри.
• ГазодувкаКомпрессор, который прокачивает газовый теплоноситель через активную зону и теплообменники.

Частые вопросы

Чем охлаждают газоохлаждаемые реакторы?

Британские Magnox и AGR и французские UNGG охлаждались углекислым газом, а высокотемпературные реакторы ВТГР охлаждает гелий. Замедлителем во всех этих реакторах служит графит.

Что такое микротвэл TRISO?

Крупинка топлива диаметром около миллиметра: ядро из диоксида или оксикарбида урана, покрытое слоями пористого углерода, пироуглерода и карбида кремния. Такая оболочка удерживает продукты деления примерно до 1600 °C.

Почему у реакторов Magnox была низкая температура газа?

Оболочки из магниевого сплава с ростом температуры всё активнее окисляются, а металлический уран при сильном нагреве меняет кристаллическую структуру. Поэтому газ на выходе из активной зоны нагревался лишь примерно до 350–400 °C.

Зачем реактору температура 950 °C?

Чем горячее теплоноситель, тем выше КПД станции, а тепло 850–950 °C нужно химическим производствам и интересно для получения водорода из воды. Пока такие применения отрабатывают на опытных установках.

Какие высокотемпературные реакторы были построены?

С шаровой засыпкой — AVR и THTR-300 в Германии, HTR-10 и HTR-PM в Китае; с призматическими блоками — Fort St. Vrain в США и HTTR в Японии. HTR-PM подключили к сети в 2021 году.