Борис Гордон,
д.т.н., профессор
При всём различии в подходах к развитию атомной энергетики во всех случаях должен преобладать приоритет безопасности. Хорошо известно, что так называемые «энергетические» реакторные установки в СССР явились продуктом конверсии военных прототипов, предназначенных для наработки плутония (РБМК, БН) и движителей подводных лодок (ВВЭР, СВБР). Аналогично развивалась и атомная энергетика в США, где прототипы корпусных реакторов изначально предназначались для военных целей. В тех условиях главными приоритетами были наличие промышленности и инфраструктуры для изготовления основного оборудования реакторов мирного использования.
Применительно к современным реакторам АЭС можно выделить четыре основных требования, необходимых для достижения приемлемого уровня безопасности:
• минимальный запас реактивности реактора, не позволяющий реализовать разгон на мгновенных нейтронах, и сохранение в сочетании с эффектами саморегулирования стабильных физических характеристик за время кампании («равновесное» топливо);
• отказ от использования теплоносителя первого контура в виде перегретой воды, пара или газа под высоким давлением, потеря которых (и соответственно охлаждения топлива) приводят к недопустимым выбросам радионуклидов;
• переход на высококипящий жидкометаллический теплоноситель и интегральную шахтную конструкцию реактора с устранением возможности потери охлаждения;
• отказ от использования теплоносителей и материалов, химически активных и пожароопасных при взаимодействии с воздухом и водой, например, графит, цирконий в тепловых реакторах, натрий — в быстрых».
Можно добавить к ним иные. Но исполнение всех подобных требований ещё не гарантирует ядерной безопасности. После этого надо доказать, что проект энергоблока сможет обеспечить «приемлемый уровень безопасности», количественно установить этот уровень приемлемости и, главное, продемонстрировать такое обеспечение на опытном объекте.
Здесь уместно напомнить следующее нормативное определение:
«Ядерная безопасность – свойство ядерных объектов с определённой вероятностью предотвращать возникновение ядерной аварии». То есть определение этой вероятности при нынешнем уровне знаний – основной метод оценки ядерной безопасности. Однако специалисты полагают, что вероятностные оценки, эффективные при поиске слабых проектных решений и выявлении недостатков регламента эксплуатации, не могут рассматриваться как основные критерии безопасности, а тем более как показатели прогноза осуществления конкретных аварий.
Что же может служить «основным критерием безопасности»? Из-за отсутствия такого детерминистского критерия наши нормы содержат целевые показатели безопасности, к которым следует стремиться. Недостатки и ограничения вероятностного анализа безопасности (ВАБ) хорошо известны. ВАБ оценивает частоту повреждения активной зоны, которая может характеризовать только тенденцию изменения ядерной безопасности для конкретной АЭС, как она определена в нормах. Эту частоту можно связать с вероятностью, упомянутой в определении ядерной безопасности, лишь сделав ряд серьёзных допущений. Тяжёлая авария на АЭС – это единичное событие, после которого объект перестаёт эксплуатироваться, поэтому теория вероятностей не способна, да и не претендует на расчёт вероятности таких событий. Как же гарантировать невозможность такого опасного события?
Если оно может произойти, то произойдёт рано или поздно. Только никто не может сказать, когда — через год или 25 лет. В этом-то и состоит детерминированность событий, которые единичны и случайны для индивидуального объекта, но закономерны для группы объектов на достаточном периоде времени. Эту понятную мысль хорошо сформулировал академик В.А. Легасов: «Спроектированный по техническим средствам и регламентным требованиям объект, достаточно надежный в условиях малого тиражирования, теряет статистически надежность при массовом воспроизводстве, хотя физического облика он при этом не меняет». Таким образом, определение «естественной» безопасности приобретает характер мистического заклинания, но никак не становится техническим термином. К сожалению, нам зачастую только кажется, что мы знаем истинную картину мира. На самом деле, у нас всегда есть лишь сегодняшнее приближение в её понимании.
Согласно нормативным документам базовыми критериями выбора ядерных установок для развивающегося парка атомных станций являются практическая осуществимость, экономическая и потребительская приемлемость, обеспечение ядерной безопасности гражданского применения и минимизация угрозы распространения ядерного оружия. На первом месте стоят экономические факторы, обусловливающие развитие тех типов реакторов, которые представляют дальнейшую эволюцию конверсионного направления.
Опыт изучения аварий на энергетических реакторах (Три-Майл-Айленд, Чернобыль, Фукусима) и на ядерных объектах иного назначения (Уиндскейл, Кыштым, Чажма) свидетельствует об ограниченности наших знаний о причинах аварий, а также наших возможностей в прогнозировании времени их возникновения и характеристик их сценариев. Разумеется, дальнейшее изучение аварийных режимов и обоснование безопасности действующих и проектируемых АЭС необходимы, так как приводят к совершенствованию оборудования и систем безопасности и, как мы надеемся, понижают ту «определённую вероятность», о которой говорится в определении ядерной безопасности.
Не следует успокаиваться на том, что множество аварийных режимов смоделировано и результаты моделирования свидетельствуют об обоснованности безопасности ядерных объектов. Всё это говорит лишь о том, что была обеспечена реальная составляющая ядерной безопасности. Но ведь ещё существует её потенциальная составляющая, которую нельзя продемонстрировать в реальности, а можно только рассчитать её изменение вероятностными методами. Мало кто сомневается, что тяжёлая авария может произойти на любом из эксплуатируемых ныне реакторов. И скорее всего, если она произойдёт, то по такому сценарию, который окажется уже кем-то предсказанным, но сейчас представляется невероятным.
Обиходное словоупотребление вполне совпадает с научными ограничениями возможностей теории вероятностей. Ведь вероятный анализ безопасности распространяется только на такие перечни исходных событий, вероятность которых выше некоторой, произвольно установленной величины. А каждая тяжёлая авария на атомном объекте возникала как раз в результате сочетания редких событий, которых до этого могло и не быть.
Часто утверждается, что абсолютной безопасности не бывает, правда, никогда не уточняется, о какой безопасности идёт речь. Человек, не летающий на самолётах, практически абсолютно защищён от авиакатастроф, если только аварийный авиалайнер не рухнет на его жилище. Из этого тезиса вытекает, что какая-то вероятность ядерной аварии всегда сохраняется, во всяком случае, на тех конверсионных типах реакторов, которые выросли из военных программ, а именно такие, в основном, эксплуатируются во всём мире. Каждый из них обречён на тяжёлую аварию, если его до нее не выведут из эксплуатации.
Произошедшие тяжёлые аварии изменили психологию человечества по отношению к атомной энергетике. Целый ряд авторитетных учёных в разное время очень осторожно высказывался по поводу её будущего. Можно привести слова академика Ю. Б. Харитона: «Сегодня, в более чем зрелом возрасте, я уже не уверен, что человечество дозрело до владения этой энергией». А вот что сказал академик Л. П. Феоктистов: «В освоении ядерной энергии мы не в конце пути, как многим казалось до Чернобыльской трагедии, а где-то в самом начале». Эти высказывания звучат ещё более значительно после Фукусимы: при всём скептичном отношении к действующей технологии в них сквозит уверенность в будущих перспективах атомной энергетики.
Реактор БРЕСТ – первая после Чернобыля попытка разработки ядерного реактора, безопасность которого заключается в исключении аварий, требующих эвакуации населения. Эта попытка была вызвана осознанием опыта тяжёлых аварий и стремлением их исключить. Именно такое стремление должно стать основой концепций будущего развития. Однако этот реактор ещё должен быть доработан и его потенциальная безопасность пока не доказана. Также не доказана безопасность тех реакторов, на которых предлагается развивать АЭС. Федеральная целевая программа нацелена, в том числе, на обоснование безопасности обоих типов быстрых реакторов — БРЕСТ и БН, на которых предполагается развивать атомную энергетику. В программе уже сейчас следовало бы предусмотреть небольшие по сравнению с затратами на сооружение реакторов суммы, направленные на научные исследования по ревизии, пересмотру и каталогизации имеющихся предложений различных видов реакторов.
При этом надо иначе взглянуть на всю историю становления атомной энергетики и переоценить её достижения с точки зрения способности реакторных установок исключать тяжёлые аварии. Каждый процесс характеризуется своими постоянными времени, временами релаксации, периодами распада. Для человека и подавляющего большинства антропогенных технологий такой мерой является срок жизни, период смены поколений, которые оцениваются десятками лет. И, естественно, сопоставление таких технологий производится экстраполяцией технико-экономических показателей на эти сроки. Ядерная же энергетика – это производство электроэнергии, возможное тысячелетиями, и к ней должны применяться другие временные масштабы. Именно технологическая реализация отличает её от таких вполне возможных в будущем, но на сегодня экзотических технологий, как термоядерные установки, использование газогидратов и т.п.
В такой перспективе прошедшие 60 лет попыток применения ядерной технологии для получения электроэнергии оказываются грудничковым возрастом, по сравнению с тысячелетиями, на которые может претендовать атомная энергетика на уране и тории. В этот период «младенцем» были получены смертельные травмы, от которых он еле оправился. Именно поэтому, прежде всего, следует думать о выживании атомной энергетики, а не о её крупномасштабном развитии. Для этого государство должно поставить задачу поиска новых конструкций энергетических реакторов, для которых ядерная безопасность ставилась бы приоритетной целью и на которых ядерные аварии исключались бы за счёт свойств их внутренней самозащищённости. Эта задача не исключения аварий, требующих эвакуации населения, а практического исключения самой ядерной аварии, по сути, состоит в поиске конструкций таких реакторных установок, срок службы всей совокупности которых много меньше времени вероятного наступления аварии.
Разумеется, попытки количественного определения времён эксплуатации и наступления аварии сродни стремлению заглянуть в будущее, и на нынешнем уровне знаний кажутся невозможными. Поэтому можно лишь предполагать, какими качествами должны обладать такие реакторы, исходя не из эволюции действующих реакторов, а отталкиваясь от опыта их эксплуатации. Могут ли быть созданы практически безопасные виды энергетических реакторов – покажет будущее. Во всяком случае, то, что появляются их проекты, уже вселяет надежды, которые не менее обоснованы, чем постфукусимские заявления о том, что никогда больше не будет тяжёлых аварий.
Также представляется очевидным, что действующая энергетика на конверсионных реакторах не имеет долговременного будущего. Ее роль – родить новые типы реакторов и отмереть. Авария на АЭС Три-Майл-Айленд стала первым звонком к завершению этой технологии, а чернобыльская – похоронным колоколом по ней. Фукусима лишь подтвердила, что все творческие силы отечественной атомной энергетики должны быть брошены на поиск и реализацию иных конструкций практически безопасных реакторов, которые только и могут обеспечить в длительной перспективе потребности человечества в электроэнергии.
Именно такие реакторы вполне могут быть названы энергетическими, заимствовав только литеру «Э» у обречённых конверсионных ВВЭРов. А так как это будет иной вид реакторов наряду с военными и конверсионными, то их развитие должно осуществляться последовательно, начиная с небольших мощностей: 1, 5, 50 МВт. Опыт их длительной эксплуатации в разнообразных условиях может стать основой для последующего повышения их мощности. БРЕСТ стал первой ласточкой на этом направлении, которая погоду не делает, так как решение строить сразу энергоблок мощностью 300 МВт представляется преждевременным. Именно в этом смысле стремление его авторов продемонстрировать возможности равновесной зоны вступило в противоречие с приоритетом ядерной безопасности.
Такой подход позволяет совершенно иначе взглянуть на малую энергетику и её роль в стратегии развития отечественной атомной отрасли, которая может стать родоначальницей нового вида энергетических реакторов. Особенность России состоит в том, что на огромных труднодоступных территориях эксплуатируется большое количество малых по мощности энергоисточников, работающих на углеродосодержащем топливе. Стоимость завоза этого топлива и обращения с ним делает такую энергию очень дорогой. На этом обстоятельстве основаны существующие ныне прожекты распространения судовых, корабельных и иных типов ядерных реакторов для малой энергетики. То есть продолжается традиция конверсионного развития. При этом в среде специалистов не популярны две известные принципиальные проблемы.
Известно, чем больше количество реакторов и дольше время их эксплуатации, тем выше вероятность тяжёлой аварии. А рассчитываемая частота плавления активной зоны для конверсионных реакторов малой мощности оказывается ненамного ниже, чем для больших АЭС, что принципиально ограничивает их распространение. Второе обстоятельство связано с физической защитой одиночных и удалённых АЭС, одинаково необходимой для ядерных реакторов любой мощности. Воры, террористы и геростраты найдутся везде, и защититься от них тем труднее, чем больше реакторов. Именно поэтому авторы БРЕСТа выдвинули задачу технологического обеспечения режима нераспространения аварии, решение которой должно быть реализовано в конструкциях будущих реакторов.
Практически безопасные энергетические реакторы небольшой мощности получают уникальную нишу для распространения именно в России. Поиск их конструкций должен предусматривать интегральную компоновку, заводскую сборку с тем, чтобы на удалённую от центра площадку поставлялся максимально укомплектованный, физически защищённый продукт. И тогда так называемый «северный завоз» состоял бы не из бочек с мазутом, а из высокотехнологичных ядерных установок, а программа по разработке таких реакторов, обоснованию их безопасности и накоплению опыта их эксплуатации по праву могла бы называться «вторым атомным проектом».
Здесь уместно поделится одним соображением, которое может оказаться полезным в будущем. При приближении к абсолютному нулю были открыты сверхпроводимость и сверхтекучесть. При приближении к скорости света ожидается искривление пространства и замедление времени. Уменьшение линейных размеров проводников на пять-шесть порядков приводит к резкому росту их электрического и магнитного сопротивления и другим эффектам. Сравнительно недавно при освоении ядерной энергии человечество столкнулось с её концентрациями, превышающими на пять-шесть порядков те, с которыми привыкло иметь дело. Можно предположить, что на этом направлении нас ждут новые, ещё не известные открытия и эффекты.
Освоение ядерной энергии в мирных целях осуществлялось теми же людьми и теми же методами, которые блистательно проявились в создании военных технологий. Но тогда ещё не подозревали о ключевом характере ядерной безопасности, обеспечение которой обязательно в гражданской энергетике, что диктует свои темпы её развития. Научные исследования должны быть проведены системно и последовательно для обоснования безопасности каждого этапа возрастания мощностного ряда реакторных установок. Как гласит китайская пословица: «Дорога в тысячу ли начинается с первого шага». Только шаг этот следует делать в правильном направлении. И ответственность за выбор этого направления, за формирование и обеспечение ядерной безопасности будущих реакторов в настоящее время лежит, в первую очередь, на учёных, которые должны на опытном прототипе относительно небольшой мощности продемонстрировать его ядерную безопасность.
В современной атомной энергетике, основанной на конверсионных реакторах, вся полнота ответственности за обеспечение безопасности возлагается на эксплуатирующую организацию, которая обеспечивает организацию и координацию разработки и выполнения программ обеспечения качества на всех этапах создания и эксплуатации ядерного объекта и осуществляет контроль выполнения этих программ. В то же время, свойство ядерной безопасности формируется последовательно при проведении научных исследований, конструировании и сооружении ядерного объекта.
Именно исследования ученых закладывают основы ядерной безопасности, и они должны нести основную ответственность за ее реализацию. Конструкторы и проектанты разрабатывают оборудование, техническую и рабочую документацию на сооружение объекта. Оборудование изготовляется, объект сооружается, монтируется, налаживается и поступает в распоряжение эксплуатирующей организации для осуществления на нём работ. То есть элементы ядерной безопасности закладывается на всех подготовительных этапах, а ответственность за его обеспечение согласно нынешним международным конвенциям несёт эксплуатирующая организация. Такое положение дел сложилось именно потому, что во всём мире эксплуатируются конверсионные реакторы.
Авария на Фукусиме продемонстрировала практическую невозможность эксплуатирующей организации нести всю полноту ответственности за безопасность таких реакторов. Исследования проводились в 1950 годы, объекты проектировались и сооружались в 1960-е, когда многие работники эксплуатирующей организации ещё не родились, но ответственность за обеспечение безопасности по международным соглашениям всё равно несёт именно она. Авария привела к её банкротству, а финансовую ответственность понесло государство, то есть налогоплательщики. Образно говоря, пирамида ответственности неустойчива и рано или поздно заваливается на население, а значит, она с самого начала должна стоять на прочном основании научно обоснованных конструкций реакторов принципиально другого вида. То есть, должна быть пересмотрена не только техническая, но и правовая основа создания новых видов реакторов.
Нынешние поколения ровесников создания атомной бомбы постепенно уходят. На их долю выпала важная миссия доказательства и обоснования того, что эксплуатируемые АЭС, в том числе в Концерне «Росэнергоатом», соответствуют действующим требованиям по их безопасности. Эти требования возникли на базе существующего опыта обеспечения, обоснования и регулирования безопасности при их эксплуатации. На проектируемые поныне реакторные установки «навешены» разнообразные и многократно дублированные системы безопасности. Под ними расположены различные «ловушки» для локализации продуктов деления при тяжёлой запроектной аварии. Всё это выглядит «некрасиво» и говорит о том, что сами реакторные установки должны проектироваться согласно принципиально другим приоритетам. Уходящее поколение вряд ли исправит это положение и призвано хотя бы проанализировать и обобщить свой опыт, чтобы передать его следующим поколениям и поставить задачи перспективных исследований.
Итак, в настоящее время представляется преждевременным планирование высоких темпов возрастания атомных мощностей, потому что на существующих ныне реакторных установках возможно (а кто-то утверждает, что неизбежно) возникновение тяжёлых аварий. Так что из трёх предложенных стратегических перспектив атомной энергетики — вымирание, выживание и широкомасштабное развитие – оптимальной стратегией в настоящее время представляется вторая. Для её реализации можно сформулировать три основных направления развития в ближайшее время.
1. Для повышения эффективности управления действующими АЭС необходимо особо тщательно проводить и проверять обоснования их безопасности при продлении сроков службы, повышении мощности, продлении межремонтных периодов и реализации других мероприятий. Для этих реакторов особенно важны культура безопасности персонала АЭС, меры по диагностике барьеров глубоко эшелонированной защиты, анализы предвестников аварии – всё то, что сформировало мировое сообщество для обеспечения ядерной безопасности.
2. Совершенствование проектируемых конверсионных реакторов следующих поколений должно какое-то время продолжаться. Но возводить их в России следует преимущественно для замещения выбывающих мощностей, а за рубежом – с предельной осторожностью, исключительно в странах с достаточным уровнем культуры безопасности, и в местах, не подверженных экстремальным внешним воздействиям.
3. Надо подвести итоги множества попыток разработки различных реакторных установок с позиции их ядерной безопасности. Системное создание новых специализированных реакторов для мирного использования в энергетике следует сделать приоритетной государственной задачей. Её решение необходимо начинать с малых мощностей и осуществлять с привлечением, в том числе, и международных участников.
Сделанные предложения следуют из анализа истории атомной энергетики и логики здравого смысла, состоящей в том, что всякое новое дело следует начинать с небольших масштабов. Автор надеется, что критика и дискуссия помогут в последующем уточнить его выводы и найти единомышленников, в первую очередь, среди молодёжи.
электроэнергетикка. атомная энергетика, Росэнерговатом, АЭС, ядерный реатор
