Новости

Индия поставила задачу превратиться в мирового лидера по технологиям быстрых реакторов к 2025 году. В каком состоянии на сегодняшний день пребывает индийский быстрый прорыв? На что делают ставку и чего реально добились атомщики самой населённой демократии мира?

Дорожная карта

Концепция развития индийской гражданской атомной программы была заложена её отцом-основателем Хоми Бабой. Она состоит из трёх этапов - тепловые реакторы на уране, быстрые на плутонии и реакторы нового поколения на тории.

В сегодняшних реалиях концепция несколько видоизменилась, сохранив узнаваемые черты. Теперь в Индии выделяют следующие семь направлений развития:

- тяжёловодные реакторы PHWR, работающие на добытом в Индии природном уране;

- тяжёловодные реакторы PHWR, работающие на импортном природном уране;

- импортные легководные реакторы, работающие на импортном топливе - до 40 ГВт(эл.);

- тяжёловодные реакторы PHWR, работающие на регенерате урана из ОЯТ импортных легководных реакторов;

- быстрые реакторы, работающие на уране и плутонии из ОЯТ тяжёловодных реакторов;

- быстрые реакторы, работающие на уране и плутонии из ОЯТ импортных легководных реакторов (эти аппараты в обязательном порядке будут поставлены под гарантии МАГАТЭ);

- тепловые и быстрые реакторы, работающие на смеси ²³³U и тория.

Ориентиры, которые правительство Индии выдало отрасли, предусматривают многократный рост атомного парка. С нынешних почти 5 ГВт(эл.) его суммарная мощность должна к 2032 году увеличиться до 63 ГВт(эл.). Главную роль в этом призваны сыграть импортные легководные аппараты.

Вклад быстрых реакторов в приращение парка будет не определяющим, но видимым. В 2032 году в стране должно работать минимум восемь энергоблоков с быстрыми натриевыми реакторами. Сравнимых по размаху задач никто другой не ставит. Поэтому претензии индийцев на мировое лидерство справедливы - по крайней мере, на уровне планирования.

На сегодня индийцы имеют только исследовательский быстрый реактор, не входящий в состав заявленной восьмёрки блоков. Это реактор FBTR с тепловой мощностью 40 МВт(тепловых) и электрической мощностью 13,5 МВт(эл.). Он работает с 1985 года, и его основное топливо - карбид.

Строительство первого из восьми энергоблоков заканчивается в Калпаккаме. Есть основания полагать, что блок с демонстрационным реактором PFBR-500 заработает в 2013 году. Его мощность 500 МВт(эл.), топливо - MOX. Первые смешанные сборки начнут прибывать на площадку в ближайшее время.

Блок с реактором PFBR-500 

На основе PFBR-500 будет подготовлен проект РУ малой серии, именующейся как CFBR-500. Всего таких блоков должно быть построено три пары, то есть, шесть. Место для первой пары выбрано - это вновь Калпаккам.

CFBR-500 будет во многом похож на PFBR-500, но обязан выигрывать у него по экономике. Сроком завершения строительства малой серии предварительно называется 2023 год.

Топливо для CFBR-500 - естественно, тот же самый MOX. На связку натрия и оксида в Индии делается основная ставка на ближайшие полтора-два десятилетия. Именно эта связка должна, по замыслу индийцев, обеспечить им прорыв в лидеры быстрого атомного пелотона.

За малой серией последует большая. Быстрые реакторы будущего, строительство которых начнётся после 2025 года - и, как минимум, один из которых должен войти в строй до 2032 года - сохранят в качестве теплоносителя хорошо освоенный натрий. Их мощность возрастёт до 1000 МВт(эл.), а их топливом станет металлический уран-плутоний.

Карбид

Ключ к индийскому прорыву - топливо. Здесь делают ставку на MOX, резонно полагая, что оксидные технологии скрывают в себе наименьшее число неприятных сюрпризов. Отход от MOX запланирован только после того, как Индия надёжно зафиксирует своё лидерство среди быстровиков.

Но так было не всегда. Под французским влиянием на заре своей быстрой программы индийцы увлекались карбидным топливом. На реакторе FBTR они побили едва ли не все мировые рекорды по карбиду лишь за тем, чтобы в итоге от него полностью отказаться.

Точности ради, первоначальный проект FBTR предполагал работу на MOX-топливе. Обогащение по плутонию - 30%. Кроме того, уран, на который приходились оставшиеся 70%, должен был быть обогащён по ²³⁵U до 85%.

Однако получить уран столь высокого обогащения индийцы не сумели. Повышать обогащение по плутонию они не могли, так как опасались "несовместимости" топлива с натрием.

Пришлось в спешном порядке переделывать исходный проект, предложенный французами, под карбидное топливо. При этом индийцы очень сильно проиграли в мощности - 10,6 МВт(тепловых) против 40 МВт(тепловых). Достичь проектных показателей им удалось только десятилетие спустя.

Сборки со смешанным уран-плутониевым карбидным топливом облучались в FBTR на протяжении четверти века. Они уникальны с точки зрения высокого содержания плутония в тяжёлом металле. В сборках типа Mk-I обогащение по плутонию составляет 70%, а в сборках Mk-II - 55%.

Свыше 1000 карбидных твэлов достигли в FBTR рекордного выгорания 165 ГВт×сут/т, сохранив при этом свою целостность. О надёжности карбида говорят значения КИУМ, превышавшие для каждой кампании 80%.

Совсем без проблем не обошлось. Так, в 17-ой кампании реактора сработала АЗ по сигналу от системы КГО, в которой анализируются пробы защитного газа на отношение активностей ⁸⁵Kr и ⁸⁷Kr. Как потом было выяснено, разгерметизировался твэл, набравший выгорание свыше 100 ГВт×сут/т.

Несмотря на неплохой эксплуатационный опыт на FBTR, индийцы в конечном итоге исключили карбид из своих перспективных планов. Реактор FBTR останется в строю ещё примерно на 10 лет. В нём будут проводиться испытания под облучением смешанного оксидного топлива и новых конструкционных материалов.

Оксид

Смешанное оксидное топливо в Индии изучается для тепловой, быстрой и ториевой энергетик - по сути, для всех возможных направлений развития.

Для тепловых реакторов индийский MOX стартовал с блоков №№1-2 АЭС "Тарапур". Там работают водяные кипящие реакторы BWR, поставленные американцами в период, когда Индия официально не имела ядерного оружия.

Во второй половине 70-ых годов Индия попала под международное атомное эмбарго и испытывала трудности с импортом обогащённого урана для фабрикации топлива для Тарапура. Естественно, что взоры индийцев обратились к MOX, который они могли бы производить самостоятельно.

Всего за всю историю в первые два блока АЭС "Тарапур" было загружено 12 кассет с MOX-топливом (обогащение по плутонию 4%). Сегодня эта программа, скорее всего, будет полностью свёрнута, так как Индия вернула себе право покупать обогащённый уран за границей.

Другое интересное применение MOX-топлива на тепловых реакторах пробовалось на АЭС "Какрапар". Речь идёт о MOX-элементах для тяжёловодных реакторов PHWR. Всего было загружено 50 топливных элементов, обогащение по плутонию в них составляло 0,4%.

Но наибольшее внимание, конечно, вызывают усилия Индии по использованию MOX-топлива для быстрых реакторов. Первые испытания проводились в реакторе FBTR.

Экспериментальная программа на FBTR - по крайней мере, в том виде, в котором её раскрывают индийцы - была разбита на две стадии. Сначала в активную зону были загружены 8 экспериментальных MOX-кассет с обогащением по плутонию 45%. Полученную композицию индийцы назвали гибридной зоной - она состоит из 40 кассет с карбидным топливом двух обогащений и 8 MOX-кассет.

Гибридная зона в 17-ой кампании FBTR 

Вторым шагом индийцы выполнили облучение в FBTR опытной топливной сборки реактора PFBR-500.

Сборка состояла всего из 37 твэлов с MOX-топливом с обогащением по плутонию 28%. Её выгрузили из зоны по достижению выгорания 112 ГВт×сут/т при проектном значении 100 ГВт×сут/т. По повреждающей дозе достигнуто значение 62 с.н.а. Постреакторные исследования сборки продолжаются.

По глубине выгорания испытывавшаяся сборка превысила проектные значения для PFBR-500 - 100 ГВт×сут/т.

А вот по повреждающей дозе - нет. Проектное значение для PFBR-500 составляет 80 с.н.а.

Линия фабрикации MOX-топлива в Индии 

Главное, конечно, впереди. Это завершение изготовления, загрузка и начало работы MOX-топлива в реакторе PFBR-500.

Со штатным обогащением первой загрузки индийцы, кажется, определились - будут твэлы двух типов, 21% и 28% обогащение по плутонию.

Очень интересен состав экспериментальных твэлов, которые планируется облучать после пуска PFBR-500. Это композиция из 29% плутония, 37,5% ²³³U и 33,5% природного или отвального урана.

Фабрикация MOX-кассет для первой загрузки PFBR-500 стартовала. В скором будущем топливо начнёт прибывать на площадку.

Готовые твэлы PFBR-500 

Металл

При всех достоинствах оксида, широкомасштабную быструю энергетику нужно выстраивать на плотном топливе. В качестве такового Индия выбрала металлическое топливо.

Испытания металлического топлива и нужных для него конструкционных материалов стартовали в Индии на реакторе FBTR. Поставлена цель на всех выбранных вариантах конструкции металлических твэлов последовательно дойти до выгораний 25, 50 и 100 ГВт×сут/т.

FBTR будет обслуживать эксперименты с металлом в течение ещё примерно 10 лет. После чего ему на смену придёт новый исследовательский быстрый реактор, спроектированный специально для отработки металлического топлива.

Новый реактор пока носит название EMTR - Experimental Metal Test Reactor. Его предполагаемая мощность 320 МВт(тепловых). Теплоноситель - натрий, температуры входа и выхода - 370°C и 510°C.

Кроме различных конструкционных вариантов исполнения твэлов, индийцы планируют изучить на EMTR влияние на характеристики реактора и на поведение топлива циркония, который обычно добавляют к металлическому топливу. В документах по EMTR указываются два варианта топлива - с добавкой 6% Zr и без добавки циркония, то есть, чистый металл.

Самое интересное, что индийцы собираются реализовать на EMTR замкнутый топливный цикл. Рядом с реактором к 2020 году будет построена лаборатория для переработки ОЯТ ЕМТР, и выделяемые из ОЯТ уран и плутоний будут использоваться для изготовления новых кассет для данного реактора.

Метод переработки ОЯТ металлического топлива окончательно пока не выбран. Но разумно предположить, что индийцы остановятся на пирохимических методах.